均匀流场作用下ETFE气枕的流固耦合分析（英文）

ETFE(Ethylene-Tetra-Fluoro-Ethylene)气枕由于自重轻、造型丰富等优点,广泛应用于土木工程领域的大跨空间钢结构如水立方等以及航空航天领域的空间可展结构。ETFE气枕属于风敏感结构,在风荷载作用下,易产生较大的变形和振动,进而使得周围风场发生变化,引起显著的流固耦合效应。这种耦合效应可以通过结构形状改变、附加质量、气动阻尼和气承刚度的变化来表征。目前相关研究主要对张拉膜结构在均匀流情况下的流固耦合作用进行了研究,尚未发现有关ETFE气枕等充气膜结构方面的研究报道。以方形ETFE气枕为研究对象,借助商用有限元软件ADINA,通过将CFD(Computational Fluid Dynamics)/CSD (Computational Structure Dynamics)分析结果与FSI(Fluid Structure Interaction)分析结果进行对比,探究其在均匀流场情况下的流固耦合作用的特点以及对动力响应的影响规律。数值计算中忽略能量的耗散,因此没有考虑气动阻尼的影响,通过有势流体考虑气承刚度的影响,着重研究了流固耦合作用中气枕形状改变和附加质量的影响作用。主要研究内容与结论如下:假定外部流场为均匀层流场,采用8结点层流单元进行离散; ETFE气枕外围薄膜为线弹性材料且其变形满足大转动、小应变条件,采用3D-4结点膜单元进行离散; ETFE气枕的内充气体为小扰动、无旋的理想流体,采用8结点线性势流体单元进行离散。在CFD模块,通过瞬态分析求得ETFE气枕刚性模型表面的风压分布和风荷载时程,然后将风压时程施加在CSD模块中ETFE气枕的膜面上,借助隐式时间积分进行时程分析,求得在不考虑流固耦合作用时气枕的风致响应。通过分别在CFD和CSD模块中设置流固耦合界面,并在CFD模块中引入ALE(Arbitary Lagrangian-Euler)网格离散计算域以考虑流固耦合边界的运动问题,对均匀流场中的ETFE气枕进行双向耦合分析,计算其在考虑流固耦合作用情况下的表面风压和风致响应。通过将CFD/CSD分析结果与FSI分析结果进行对比,研究流固耦合作用对ETFE气枕动力响应的影响规律。结果表明:两种情形下得到的风压分布和数值大致相同,说明在外部均匀流场情况下,气枕形状改变对流场的影响很小;而两种情形下的内压、位移、速度、加速度和应力响应时程结果差异较大,说明在外部均匀流场情况下,附加质量对ETFE气枕动力响应具有显著影响。可见,均匀流场与ETFE气枕的流固耦合作用,在不考虑气动阻尼的情况下,主要体现为附加质量的影响。     

基于分离涡方法的超高层建筑风荷载研究

本文以CAARC标准高层建筑模型作为研究对象,采用standard k-ε、RNG、Realizable、大涡模拟及分离涡模型,由新的湍流脉动流场产生方法DSRFG模拟风场的湍流边界条件,在定常与非定常风场下分别计算分析建筑周围的风压分布规律,探讨了不同湍流模型对超高层建筑风场及风压分布的影响。将模拟计算结果与风洞试验数据进行对比,验证了计算结果的可靠性。结果表明:RANS模型能够模拟出结构周围流场的一般特性,但对流场的湍流特性模拟效果不佳。大涡模拟模型与分离涡模型能够较好地模拟出流场的湍流分布及结构背风处涡旋的分离脱落情况。在脉动风压系数的分布中,分离涡模型相比大涡模拟模型计算精度更高。     

膜结构风振分析的数值风洞方法

本在考虑膜结构与风荷载动力耦合作用的基础上，建立了一种适用于大跨度张拉结构风振分析的CFD数值模拟方法．计算采用分区迭代算法，包含流体域、结构域和网格域三个计算模块．流体域采用Taylor—Galerkin有限元法和大涡模拟技术来求解不可压缩粘性流动；结构域的计算采用Update Lagrangian有限元列式和Newmark逐步积分技术，并考虑了几何非线性的影响；网格域采用拟弹性介质法来计算动态网格的更新．算例分析表明，数值风洞方法是求解流固耦合问题的一种有效方法．     

膜结构风振响应中的流固耦合效应研究进展

对膜结构风振响应中的流固耦合效应进行了探讨,介绍了解决该问题的两种思路:简化气弹模型方法和计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟方法。简化气弹模型方法是先将流固耦合效应用附加质量和气动阻尼的形式来表达,再通过某些近似解析理论和气弹模型风洞试验来确定附加质量和气动阻尼的大小。计算流体力学数值模拟方法则是将计算流体力学技术和计算结构力学技术整合在一个有限元程序中,通过数值模拟得到结构流固耦合响应的全过程信息。基于这两种方法,开展了相应的理论推导、风洞试验和数值模拟工作,获得了关于风与膜结构相互作用机理的一些初步认识。最后提出了一种具有操作性的简化数值分析方法并给出了算例。研究结果表明:流固耦合效应对结构风振响应的影响在多数情况下是有利的,即考虑流固耦合效应的风振响应分析结果要比不考虑流固耦合时小30%左右,但也不排除在某些特殊情况下因出现气弹失稳而导致结构异常破坏的可能性。     

某典型细长索膜结构风振效应的数值模拟分析

基于计算流体动力学(CFD)和结构有限元方法,数值模拟分析桅杆支承式细长型索膜结构风振效应.运用谐波叠加法模拟生成风速时程,并与SSTk-ω湍流模型结合作为风场计算域入口条件,运用ADINA有限元软件,数值计算考虑风致流固耦合作用的某典型细长索膜结构关键响应,包括索膜结构节点的风致位移响应、速度响应、加速度响应等,分析不同风向角对索膜结构风致效应的影响,计算获得基于结构风致位移响应的风振系数.研究成果可为工程抗风设计提供技术依据.     

考虑流固耦合作用的索膜结构开洞与封闭条件下的风压风振模拟

在任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrangian-Eulerian,简称ALE)描述下,引入Menter SST湍流模式和非线性有限元方法,建立了耦合方程迭代求解策略,进而研究考虑流固耦合作用的索膜结构风振响应.数值模拟了结构膜帽开洞和封闭等工况下的伞形索膜结构风致动力响应,揭示和总结出某些规律.     

单向张拉膜结构气弹模型试验研究

在均匀流场中进行开敞式单向张拉膜结构气弹模型风洞试验,研究膜结构的流固耦合机理。研究表明：膜的气弹失稳主要由涡激共振引起,膜结构在风荷载作用下变形到平衡位置并围绕该平衡位置进行振动,特定风速下,流体流经平衡位置会产生旋涡。低风速下,膜以一阶模态为主振动,流场中没有任何旋涡;超过一定风速后,振动中出现了某高阶模态的响应,流场中也出现了与该阶模态主频接近的旋涡;随着风速的增大,旋涡的主频与该阶模态频率的差别越来越小进而变化到相等,后又变化到差别越来越大,导致该阶模态的共振响应越来越弱直至消失;随着风速的继续增大,旋涡的频率会与膜的其他阶模态基频接近,导致结构发生其他阶模态的涡激共振。这种涡激共振是一种周期性振荡式失稳,结构的无量纲第一临界风速约为0.84,第二临界风速约为2.27。     

矢流洁净室二维流场的大涡模拟

采用大涡模拟技术对矢流洁净室二维流场进行了数值模拟，分析了模拟结果，确定了空态洁净室的送风口半径、回风口高度、送风速度等参数，指出湍流大涡模拟能准确得到洁净室流场中旋涡的位置和尺度，适用于对洁净空调多种工作环境的数值模拟。     

考虑流固耦合效应世博轴索膜结构风振研究

采用松耦合方法对索膜结构的风致振动问题进行研究,提出了基于三角形重心坐标系的网格变形插值新方法,并从计算精度和工程适用性的角度对一致网格和非一致网格进行了比较,提出了有效提高计算效率的实用方法。在上述研究的基础上,对上海世博轴索膜结构的风致流固耦合问题进行了数值分析,计算结果表明:流固耦合作用将明显改变索膜结构的动力特性,在索膜结构的风振计算中不容忽视。流固耦合在世博轴索膜结构的风振响应中主要表现在静态耦合作用的增大和瞬态耦合的削弱,且前者的作用超过后者。流固耦合基本不影响大尺度涡对结构的作用。     

风荷载下超高层建筑上部结构与桩筏基础共同作用桩顶反力计算研究

共同作用分析是考虑上部结构与地基基础相互影响的动态调整过程,基于上部结构—桩筏基础-地基土的相互作用进行风荷载下共同作用的流固耦合数值计算。借助流体动力学采用大涡模拟方法,建立考虑风—结构流固耦合数值计算模型,并运用MpCCI软件进行流固耦合面上的数据传递,以实现流体、固体相互作用。计算结果表明,较静载相比,风荷载引起的桩顶反力变化值不超过静载下的5%。计算方法和计算结果可以为风荷载作用下对地基基础的研究和流固耦合问题分析提供参考。     

膜结构风致动力响应数值模拟

许多工程领域中都存在流体-结构耦合作用现象,膜结构作为一种风敏感型结构,此现象在其风致动力响应方面表现更为明显。针对膜结构本身的特点,给出了流体-结构耦合作用下流体的基本控制方程的ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)描述、结构的基本控制方程和求解耦合方程的直接求解算法。采用Adina软件实现了简单张拉膜结构的流体-结构耦合作用风致动力响应数值模拟,并与已有风洞试验结果进行了比较。对比结果表明,给出的方法可以准确地计算出柔性结构考虑流体-结构耦合作用的风致动力响应,可为相关的科学研究和工程设计提供理论依据。     

A finite element model of wave-structure interactions in the time domain

A time-domain simulation of the potentially large motions of structures floating or moored in a wave field is developed by using the finite element method. Orlanski's condition is modified and used to truncate artificially the fluid domain, but still simulate an infinite or semi-infinite domain. Dynamic analysis procedures for problems of fluid-structure interactions are presented. A partitioned, staggered integration scheme is developed for the fluid-structure system. The implicit Newmark method is used for the structural equations and a nodal partitioned explicit-implicit integration scheme is derived for the fluid. Examples presented are roll of a horizontal rectangular cylinder, a vibrating cylindrical membrane, transient motion of a circular cylinder, and the interactions between waves and multiple floating structures.     

基于数值模拟法的张力膜结构风振响应分析

针对张力膜结构这种柔性结构非线性程度高、质量轻、刚度弱、风敏感等特点,利用非线性随机振动理论,采用数字模拟法在时域对张力膜结构进行了风激动力响应分析．利用线性自回归过滤器,引入适当的三维空间相关性公式,根据脉动风的特性产生时域内的样本函数,然后根据样本函数利用有限元法在时域内求解运动微分方程得到张力膜结构的风激动力响应,最后由响应值求得结构振动的位移、速度、加速度的均值和均方差等统计信息．从中获取张力膜结构的风激动力响应特性,并给出风激动力响应与结构参数的关系,为继续开展张力膜结构的研究工作提供一些有益的参考．     

LES over RANS in building simulation for outdoor and indoor applications: A foregone conclusion?

Large Eddy Simulation (LES) undeniably has the potential to provide more accurate and more reliable results than simulations based on the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) approach. However, LES entails a higher simulation complexity and a much higher computational cost. In spite of some claims made in the past decades that LES would render RANS obsolete, RANS remains widely used in both research and engineering practice. This paper attempts to answer the questions why this is the case and whether this is justified, from the viewpoint of building simulation, both for outdoor and indoor applications. First, the governing equations and a brief overview of the history of LES and RANS are presented. Next, relevant highlights from some previous position papers on LES versus RANS are provided. Given their importance, the availability or unavailability of best practice guidelines is outlined. Subsequently, why RANS is still frequently used and whether this is justified or not is illustrated by examples for five application areas in building simulation: pedestrian-level wind comfort, near-field pollutant dispersion, urban thermal environment, natural ventilation of buildings and indoor airflow. It is shown that the answers vary depending on the application area but also depending on other—less obvious—parameters such as the building configuration under study. Finally, a discussion and conclusions including perspectives on the future of LES and RANS in building simulation are provided.     

脊谷式张拉膜结构风振特性分析

张拉式膜结构属风敏感体系,对其在脉动风荷载作用下的动力性能进行准确评估一直是该类结构设计中的重要内容．但国内以往在这方面的研究较少,该问题一直没有很好地解决．本采用非线性随机模拟时程分析方法对张拉式膜结构的典型形式之一——脊谷式膜结构的风振响应特性进行系统的参数分析,探讨了来流特性、跨度、高跨比、膜预张力等参数对结构动力性能的影响．在此基础上,本提出了一种针对于张拉膜结构特点的抗风设计方法．     

考虑土体三维波动效应时黏性阻尼土中桩的纵向振动特性及其应用研究

从三维轴对称土体模型出发,考虑土体三维波动效应,对黏弹性支承桩在任意竖向激振力作用下与土体的耦合作用特性进行了研究。假定桩为竖直、弹性、等截面体,土为线性黏弹性体,其材料阻尼为黏性阻尼。利用拉普拉斯变换,将定解问题转换到拉普拉斯域内求解。通过引入势函数,将土体位移进行分解,从而将土体动力平衡方程进行解耦,求解得到土体的振动模态形式,再利用该解,以小应变条件下桩土接触面上力平衡和位移连续条件来考虑桩土耦合作用,求解桩的动力平衡方程,得到拉普拉斯域内桩的位移函数解析解,进而可得到桩顶速度导纳函数解析解,采用卷积定理和傅里叶逆变换,求得了半正弦脉冲激振力作用下桩顶速度时域响应半解析解。基于所得解对速度导纳曲线和速度反射波曲线进行了量纲一的参数讨论,以揭示桩的纵向振动特性,为基桩动测提供理论和实践上的指导。     

Analysis of the vibrations of inflatable dams under overflow conditions

A two-dimensional analysis is applied to the vibrations of inflatable dams under overflow conditions. The cylindrical membrane dam is inextensible, air-inflated and anchored along two generators. The base width, curved perimeter and internal air pressure are given. The flow is incompressible, inviscid and irrotational, and the total head is specified. In the steady-state analysis, the equations of equilibrium of the dam from membrane theory are solved by a multiple shooting method, and the boundary element method is used to solve Laplace's equation defined on the overflow domain. An iterative scheme is adopted to obtain the shapes of the dam and the free surface of the fluid. Then the dynamic analysis is established by a finite difference form of the membrane's equations of motion, and the velocity potential problem is formulated by the boundary element method. The eigenvalues and eigenvectors obtained are employed to describe the small vibrations of the dam. The effects of the dam's density and damping coefficient on the stability and response of the dam are investigated.     

基于薄膜大挠度理论的张拉平面膜结构气动稳定性分析

基于冯·卡门薄膜大挠度理论,采用达朗贝尔原理,结合势流理论和薄翼型理论,建立了张拉平面膜结构在风荷载作用下的非线性气动耦合控制方程,并利用伽辽金法对其进行求解.对其解的稳定性进行判断,得到结构发散失稳的临界风速.通过算例,分析了结构各参数对失稳临界风速的影响.分析表明,张拉平面膜结构气动稳定性受多个参数共同控制,合理控制双向跨度和预张力是提高其气动稳定性的主要手段.     

Large deflection analysis of flexible plates by the meshless finite point method

The classical finite difference technique and methods based on series expansions can only be adopted for solving plates with simple geometry, loading and boundary conditions. In contrast, the finite element method has been widely used for general analysis of bending and flexible plates (coupled bending and in-plane effects). Lack of stress continuity and relatively expensive mesh generation and remeshing schemes have led to the emergence of meshless methods, such as the finite point method (FPM). FPM is a strong form solution which combines the moving least square interpolation technique on a domain of irregularly distributed points with a point collocation scheme to derive system governing equations. In this study, coupled nonlinear partial differential equations of fourth order are solved to analyse large deflection behaviour of plates subjected to lateral and in-plane loadings. Several plate problems are solved and compared with analytical solution and other available numerical results to assess the performance of the proposed approach.