柔性薄膜屋蓋結構的風致流固耦合效應研究

《柔性薄膜屋蓋結構的風致流固耦合效應研究》是依託北京交通大學，由張建擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：柔性薄膜屋蓋結構的風致流固耦合效應研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張建
• 依託單位：北京交通大學

項目摘要

本項目擬將柔性薄膜屋蓋結構作為研究對象，採用理論分析、風洞試驗和數值模擬相結合的方法研究不同類型薄膜屋蓋的風致流固耦合效應。項目首先針對流固耦合機理，採用理論分析和數值計算的方法獲得考慮氣彈效應的柔性薄膜結構動力特性，進而全面掌握不同薄膜結構的基本氣彈性能；基於薄膜結構的氣彈特點，構造氣彈試驗模型並開展PIV試驗研究，獲取詳細的薄膜屋蓋風荷載和風致回響全過程信息；再通過和相關理論模型的對比研究, 評估幾種氣彈試驗模型的可靠性和適用性；基於上述理論推導和風洞實驗結果，建立新型薄膜結構流固耦合數值計算方法，用來獲得薄膜結構的風致振動形變與應力狀態、漩渦場及風荷載分布形態變化的全過程信息等。通過本項目的研究，揭示柔性薄膜結構風致流固耦合效應的產生機理，得到柔性屋蓋結構力學性能的影響規律，建立相關的分析模型與計算方法，研究成果將解決薄膜屋蓋結構的抗風關鍵科學問題。

結題摘要

面向薄膜屋蓋結構風致耦合效應的成因、機理與抗風，採用風洞試驗方法，進行不同風場條件和不同模型的氣動參數特性研究；同時結合粒子成像測速儀PIV識別柔性屋蓋渦脫頻率與脈動力頻率的相關性，用以獲取柔性屋蓋與剛性屋蓋的氣動特性的差異。面向耦合效應的全過程，基於計算流體動力學CFD方法，採用大渦模擬LES結合動格線進行柔性模型的動力模型仿真，通過引入模型有限元剛度矩陣，形成以流體域—結構域—格線域三場耦合的計算模型；基於該模型結合數字圖像相關法DIC提供的變形數據，分析耦合態下的柔性屋蓋模型表面氣動力變化，進而說明耦合效應產生的作用。 採用數值模擬方法，完成了適用於多尺度流場的大渦來流條件，用於生成不同尺度、湍流空間分布特徵和頻譜特性的脈動風入口，用以考量不同湍流度條件下柔性與剛性屋蓋風致回響的差異以及柔性屋蓋氣動剛度與氣動阻尼效應；採用風洞試驗方法，結合天平測力、PIV和DIC技術，完成了剛性與柔性屋蓋模型在不同流場條件下，剛性與柔性屋蓋模型的脈動升力變化、屋蓋表面流場變化以及風致振動變形等數據，以獲取不同類型屋蓋氣動特性。 研究結果表明：相同尺度的剛性與柔性模型在不同來流條件下，模型表面氣動升力的平均值十分接近，而模型表面氣動升力的脈動值卻隨著湍流變化而變化；類似地，在同一來流條件下，隨著模型振幅、頻率和振動模態的變化，模型表面氣動升力的平均值十分接近，而模型表面氣動升力的脈動值卻隨著湍流變化而變化。綜上可知，氣動剛度使得柔性薄膜屋蓋模型總剛度降低，進而降低其氣彈穩定性；另外，氣動阻尼使得柔性薄膜屋蓋模型總阻尼增大，進而降低其風致回響。 本項目的研究目標主要面向柔性薄膜屋蓋的風致流固耦合效應，基於混沌吸引子理論原理，構建Navier-Stokes和Navier-Lame系統的耦合方程，並據此構造流體域—結構域—格線域三場耦合模型，配合PIV/DIC等無介入式光學測量技術，重點解決了大跨度柔性薄膜屋蓋風致流固耦合的一般性規律和研究方法，為後續柔性屋蓋風致耦合效應的臨界狀態確定和不同狀態氣動力貢獻提供理論基礎和研究平台。