风敏感结构流固耦合计算新方法与风致振动机理研究项目摘要

流固耦合为制约风敏感结构的关键动力效应，严重威胁结构安全。耦合理论至今尚不完善，故难以更深入认识风振耦合机理。围绕这一难题，本项目基于计算力学理论、数值方法和计算机技术，运用稳定化/光滑有限元方法建立风与结构瞬态耦合的ALE非线性动力模型，研究强风作用下复杂风敏感结构流固耦合作用的数值模拟技术与内在耦合机理。通过优化单场求解策略，构建新型界面修正技术与连续介质守恒律统一公式，旨在提出适应低质量比的分区算法和无矩阵运算的分步型整体算法，探索耦合算法精度不足与效率低下的有效解决途径，突破既有理论局限；基于上述模型与改进方法，确立来风条件对结构振动的影响及动边界对流场的扰动，掌握多气动参数关联变化特征，揭示涡脱落模式转化规律，阐明漩涡耦合结构运动的吸释能机制，进而认清结构风致振动的行为本质，建立实用判断准则实现结构风振破坏预测。研究成果为解决多变风环境下结构流致振动破坏难题提供了新思路和新方法。

流固耦合多发生于各类风敏感土木工程结构，与人类生产生活息息相关。典型现象包括：超高层建筑、高耸结构、大跨桥梁及长径线缆在强/台风作用下出现激烈风致振动。该类结构质量轻、柔性大、阻尼小和自振频率低，受流体（自然风）作用则易发生流固耦合。流致结构振动频率接近其固有频率时，流固耦合系统出现共振，极可能导致灾难性后果。故流固耦合为制约此类工程结构的关键动力效应。本研究着眼应用数学理论、计算力学原理、数值方法和计算机技术，运用稳定化/光滑有限元方法建立任意拉格朗日-欧拉描述下流固耦合体系瞬态非线性动力模型与控制方程，提出改进流固耦合数值求解技术，主要研究内容及创新点总结如下： （1）改进联合界面边界条件（CIBC）法、构建混合型界面耦合条件：将CIBC修正项转为不含结构拖拽力的一阶常微分方程，避免界面可用于刚体流固耦合；基于完整流体应力张量提出更简洁CIBC界面修正项，无需求解常微分方程；运用广义逆矩阵原理缓解刚体全局修正与局部修正不一致的矛盾。 （2）提升半隐式分区流固耦合算法的效率：运用人工可压缩性修改流体连续方程，每迭代步内仅需计算可压缩系数、避免求解压力泊松方程，且求解精度与完全隐式算法相当，适用于钝体涡激振动问题。 （3）克服光滑有限元法求解Navier-Stokes方程的理论障碍：从数学上严格证明了该方法不依赖高斯散度定理、可求积任意阶导数项，且光滑Galerkin弱式积分与积分点坐标无关，从而适应严重扭曲网格，比传统有限元法更具优势。 此外，本研究还优化了单场求解策略，初步探讨了不同质量比的刚体、柔性体关键气动参数变化特征，揭示涡脱落模式转化现象与结构响应变化。研究成果为工程结构流致振动模拟与预测提供了新思路。

膜结构在风荷载作用下的流固耦合问题一直是结构风工程领域的难题，至今没有很好解决。本项目在以往研究工作的基础上进一步完善和深化，力求在以下几个方面有所突破：1）膜结构气弹模型风洞实验研究，在已有的简化气弹模型力学方法和风洞实验初步成果的基础上，开展大量的类比实验，对膜结构风致振动过程中的气动弹性效应进行了深入的理论分析和风洞实验研究。2）膜结构三维流固耦合数值模拟研究，通过引入大涡模拟技术、改进动网格技术及耦合交界面处的数据传递方法，建立更为精确的膜结构三维流固耦合数值模拟方法；完善申请人提出的简化数值模拟方法，使其更具工程可操作性。3）膜结构流固耦合机理及抗风设计方法研究，在实验研究和数值模拟的基础上，探讨膜结构风致耦合振动机理，给出定量评价膜结构气动弹性效应的指标，系统建立考虑流固耦合效应的膜结构抗风设计方法。

膜结构在风荷载作用下的流固耦合问题一直是结构风工程领域的难题，至今没有很好解决。本项目在以往研究工作的基础上进一步完善和深化，力求在以下几个方面有所突破：1）膜结构气弹模型风洞实验研究，首先采用非接触测量系统对张拉膜结构进行了系统的气弹模型实验研究，探讨了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。然后在已有的简化气弹模型力学方法和风洞实验初步成果的基础上，开展大量的类比实验，对膜结构风致振动过程中的气动弹性效应进行了深入的理论分析和风洞实验研究。2）膜结构三维流固耦合数值模拟研究，首先采用WAWS/POD法模拟随机风场，在此基础上引入无散度修正，解决脉动风速时间序列不满足连续性方程，从而影响LES计算的收敛性问题，有效提高计算精度。针对大涡模拟对计算资源要求苛刻的问题，为了提高其运算效率，基于FLUENT软件平台编制了可用于并行计算的用户自定义函数接口程序。在基础上建立更为精确的膜结构三维流固耦合数值模拟方法；完善了申请人提出的简化数值模拟方法，使其更具工程可操作性。3）膜结构流固耦合机理及抗风设计方法研究，在实验研究和数值模拟的基础上，探讨膜结构风致耦合振动机理，给出定量评价膜结构气动弹性效应的指标，系统建立考虑流固耦合效应的膜结构抗风设计方法。 2100433B

本项目拟将柔性薄膜屋盖结构作为研究对象，采用理论分析、风洞试验和数值模拟相结合的方法研究不同类型薄膜屋盖的风致流固耦合效应。项目首先针对流固耦合机理，采用理论分析和数值计算的方法获得考虑气弹效应的柔性薄膜结构动力特性，进而全面掌握不同薄膜结构的基本气弹性能；基于薄膜结构的气弹特点，构造气弹试验模型并开展PIV试验研究，获取详细的薄膜屋盖风荷载和风致响应全过程信息；再通过和相关理论模型的对比研究, 评估几种气弹试验模型的可靠性和适用性；基于上述理论推导和风洞实验结果，建立新型薄膜结构流固耦合数值计算方法，用来获得薄膜结构的风致振动形变与应力状态、漩涡场及风荷载分布形态变化的全过程信息等。通过本项目的研究，揭示柔性薄膜结构风致流固耦合效应的产生机理，得到柔性屋盖结构力学性能的影响规律，建立相关的分析模型与计算方法，研究成果将解决薄膜屋盖结构的抗风关键科学问题。