影響流固耦合效應強弱的參數分析★

趙世龍 秦學峰 沈天悅 張若俞 趙旻旻 賈 杰*

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

?

·結構·抗震·

影響流固耦合效應強弱的參數分析★

趙世龍 秦學峰 沈天悅 張若俞 趙旻旻 賈 杰*

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

利用ANSYS軟件對流固耦合問題進行了參數分析，介紹了流固耦合理論及數值模擬前期成果，基于固定其他影響因素，通過改變影響結構流固耦合效應的風速和風向角，得到了結構的風致振動特性和流固耦合效應的影響規律，對結構—風荷載流固耦合效應的研究有一定參考價值。

流固耦合，風荷載，數值模擬，振動頻率

0 引言

當前風致振動是影響建筑結構、橋梁結構發生災變的主要原因之一。對于風的動力效應一般采用等效靜力風荷載來處理。然而事實上風荷載與結構是耦合的相互作用，從而產生了所謂的“流固耦合效應”。有些情況下，流固耦合效應能抑制結構的振動，如若不考慮流固耦合作用所得到的結構抗風設計結果往往保守性大且成本高。但有時流固耦合效應會對結構振動起到激勵作用使之產生自激性振動，導致結構的動力響應會明顯增大，相應的會影響結構的正常使用[1]。

跨度更大，結構更輕、更柔是現代結構的發展趨勢，結構對于風荷載作用下的流固耦合效應更加敏感，因此深入系統的研究風荷載的作用機理以及流固耦合效應，具有重要的學術意義和實際工程應用價值[2]。

前期應用ANSYS軟件對低層建筑結構進行不同湍流模型的數值模擬，通過不同風向角結構表面風壓系數等值線的分析，得出風場數值模擬結果并與實測數據相比，驗證流固耦合效應下風荷載數值模擬的準確性[3]。本文意在進一步分析流固耦合效應對結構的影響，通過對特定結構的風壓分布規律分析、修正，得出影響流固耦合效應強弱的參數有哪些，改變影響結構風致振動流固耦合效應的主要外界因素，得到對結構的風致振動特性和流固耦合效應的影響規律。可以為風致流固耦合問題應用在空間結構、大跨徑橋梁等提供參考，從而使工程實際中開發出更可靠的實用方法。

1 流固耦合理論分析

“流固耦合”是指處于流體中的物體由于受到流體力的作用而產生形變與振動，結構形變又會導致流體邊界條件的變化，從而對流體產生反作用。其研究方法主要包括理論分析、工程實測、風洞實驗和數值模擬四種。四種方法各有優缺點。其中數值模擬對模型尺寸的影響不敏感，避免了試驗過程中各模型雷諾數相似的難點；可以便捷的修改各項參數,以研究不同參數下流固耦合效應的影響；而且隨著科學技術的發展,數值模擬方法在風工程中應用的優勢越來越突出[4-6]。

2 流固耦合數值模擬前期成果

基于文獻[1]的研究可以得到以下三點結果：

1)流固耦合對結構在脈動風場中的風壓分布產生了很大的影響，導致其不斷變化且幅值變化很大。

2)結構在風向角α=0°且中等風速作用下Z方向位移變化不大、應力變化顯著；振動前十幾階頻率都比較密集突出，并不都是以單一基頻為主。

3)對特定結構的風壓分布規律分析、修正，得出影響流固耦合效應強弱的參數有：風速、風向角、脈動風的特性、結構矢跨比、結構特征尺寸等。

3 數值模擬試驗

在前期對結構流固耦合效應的研究基礎上，固定其他影響因素的變化，就風向角和風速的變化，利用數值模擬技術分別對流固耦合效應的影響進行參數影響分析[7]。

3.1 風速的影響

固定其他影響因素的變化，只改變風速分析其對流固耦合效應的影響。α=0°，平均風速的變化范圍為v=5 m/s～40 m/s，每次增加Δv=5 m/s。風向角α=0°時采樣點分布圖見圖1。

由圖2看出結構的卓越頻率在不同位置是有很大差別的，當v≤25 m/s時節點375,節點67,節點361和節點81的卓越頻率基本維持在13 Hz左右保持不變。當v>25 m/s時頻率降到10 Hz左右，且節點221和節點368的卓越頻率在v≤25 m/s時以基頻振動為主，隨風速增大先減小到7 Hz左右，當v>25 m/s時迅速增加到10 Hz，與圖1中模型的四個頂點接近重合。由于結構卓越頻率最終趨于同一值10 Hz，結構極易發生氣彈失穩破壞。

由圖3可知，其他影響因素不變，隨著風速的增大，結構的振動幅值隨之增大。除節點221之外，其他節點的振動位移峰值與風速的平方呈近似的斜直線分布規律，節點221振動峰值的增長比風速的平方要快。風速v≤25 m/s時與其他節點相接近，v>25 m/s時則明顯大于其他節點，說明振動位移與流動風在邊界處成弱非線性，中央處成強非線性特性。

由圖4可知，其他影響因素不變，隨著風速的增大，結構的應力隨之增大。整體應力峰峰值的變化要比風速的平方變化的快，呈平面曲線上升。風速v≤20 m/s時，應力變化峰值趨于一致，當v>20 m/s時，應力峰值增長迅速但變化量不盡相同，說明應力變化幅值與流動風在邊界處成強非線性特性。

3.2 風向角的影響

固定其他影響因素的變化，只改變風向角分析其對流固耦合效應的影響。v=30 m/s，風向角變化范圍為α=0°～90°，每次增加Δα=22.5°。風向角的定義見圖5。

由圖6得，當風速v=30 m/s時，隨著α∈[0°,45°]逐漸增大，結構的振動卓越頻率從13 Hz增大到25 Hz；當α∈[45°,90°]繼續增大到90°，卓越頻率從25 Hz減小到15 Hz左右。即α=45°時，結構各位置的振動卓越頻率最大。

由圖7，圖8可以看出，隨著風向角的增大，結構各個位置的振動位移與應力變化很大。隨著α∈[0°,90°]變化，振動位移變化幅值與風向角成近似正弦波形變化；應力變化幅值與風向角也成近似正弦波形變化。

4 結語

文章基于固定其他影響因素，僅考慮風速和風向角的變化對流固耦合效應的影響，并對其影響進行參數分析，當v>25 m/s時，結構的振動卓越頻率接近重合，導致結構容易發生氣彈失穩。結構的振動位移與流動風在邊界處成弱非線性，中央處成強非線性特性。應力變化幅值與流動風成明顯的非線性，呈平面曲線上升變化。α=45°時，結構各部分的振動卓越頻率最大，應力變化幅值與風向角也成近似正弦波形變化。結構中央是最不利區域，設計時應予以重視，可供工程設計參考使用。

[1] 王春江，李向明，陳 鋒.長單索結構的多參數流固耦合分析[J].力學與實踐，2010,32(2):22-25.

[2] Bazilevs Y，Hsu M C,Kicndl.3D simulation of wind turbine rotors at full scale.Part 1:Fluid-structure interaction modeling with composite blades[J].International Journal for Numerical Methods in Fluids，2011,65(1/3):236-253.

[3] 陳 謙，焦 朗.考慮流固耦合效應的風荷載數值仿真計算[J].山西建筑，2016，42(9):39-40.

[4] Dehaeze F,Barakos N G.Hovering rotor computations using an aeroelastic blade model[J].Aeronautical Journa1，2012，116(1180):621-649.

[5] 鄧創華.流固耦合弱耦合算法研究[D].武漢:華中科技大學,2012:3-8.

[6] 錢若軍，董石麟.流固耦合理論研究進展[J].空間結構，2008，14(1):3-6.

[7] 滕 佳.膜結構風振響應流固耦合數值模擬分析[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學，2013：6-8.

Analysis of the parameters of impact the strength with fluid-structure interaction★

Zhao Shilong Qin Xuefeng Shen Tianyue Zhang Ruoyu Zhao Minmin Jia Jie*

(College of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

In this paper, the software of ANSYS is used to analyze the parameters of the fluid-structure interaction. It changes the main external factors effecting fluid-structure interaction in wind-induced vibration of wind speed and direction angles with fixed other influencing factors. Then it has the numerical simulation of the low-rise building structure under the wind load and outputs the calculation result. The result is obtained the structure of the wind-induced vibration characteristics and the influence law of fluid-structure coupling effect. It has a certain reference value of fluid-structure interaction for structure-wind load.

fluid-structure interaction, wind load， numerical simulation, vibration frequency

1009-6825(2017)16-0032-03

2017-03-13★：黑龍江省級大學生創新創業訓練計劃項目(編號：201610225131)；黑龍江省自然科學基金青年科學基金項目(編號：QC2014C043)

趙世龍(1996- )，男，在讀本科生

賈 杰(1980- )，男，博士，副教授

TU311.3

A