高层建筑风致振动耦合效应的数值模拟与试验研究

在严格遵守项目计划的前提下，课题组针对超高层建筑风致耦合振动这一问题，通过现场实测、CFD数值模拟和风洞实验相结合的研究方法开展了系统、深入研究。目前，已圆满完成了各项既定研究内容，取得了系列创造性研究成果，并完全满足项目结题验收要求。 1、研究CFD数值模拟中湍流来流边界的实现方法，根据平均风剖面和脉动风速谱，利用线性滤波法中的自回归（Auto-Regressive, AR）模型来生成人工脉动风，并将生成脉动风进行无散修正（divergence free）以满足连续性方程，并将修正后的风速用UDF加入到CFD计算的来流入口，通过单圆柱的绕流结果揭示出流场的脉动特性。 2、将实现的脉动风来流边界应用于实际工程结构，建立具有模拟真实大气边界层环境的3D数值风洞技术，基于该数值风洞技术预测超高层建筑表面的平均风压和脉动风压，并与风洞实验结果进行比较；达到精确预测超高层建筑表面风荷载的目的，为超高层风致振动耦合效应的数值模拟研究奠定基础。 3、进一步对超高层建筑的平均风致流固耦合振动进行数值模拟，并与常态风和台风作用下该超高层建筑的现场实测结果进行对比，重点分析了结构的振动响应和气动力随高度和时间的变化规律，通过不同高度处的旋涡脱落分析结构振动对流场的影响。 4、研究了三维柱体结构的脉动风致振动耦合效应，基于ANSYS的Workbench平台实现了风场与柱体结构双向流固耦合振动的数值模拟，采用LES湍流模型，分析了结构表面风压分布、流场涡脱模式及结构的振动位移特性；进一步研究了湍流来流对流固耦合作用的影响和耦合效应对结构气动力特性的影响。 5、以高度在400m量级的超高层建筑为研究对象，设计制作了正方形截面气弹模型并进行了详细的风洞实验研究，通过测量得到了不同风向和不同折减风速下结构顶部加速度时程响应和尾流的风速特性，成功地在实验中再现了横风向涡激共振这一典型的风致振动耦合现象。 2100433B

将综合运用数值模拟、风洞试验和现场实测方法，基于通用的计算流体动力学（CFD）和有限元商业软件平台，开展超高层建筑物的风荷载及风致流固耦合振动研究。首先，构建以脉动风和大涡模拟（LES）为核心、可并行计算的、高效率的流固耦合计算平台；然后，针对标准高层建筑模型的刚性模型进行数值模拟和测压试验研究，精确模拟平均和脉动风荷载；然后，采用流固耦合计算平台模拟标准高层建筑的气弹模型在不同折减风速下的位移，同风洞试验测振结果比较来验证该数值仿真平台研究流固耦合问题的可行性；最后，选择经常遭受强/台风的东南沿海某实际超高层建筑，将数值模拟得到结构响应和现场实测结果进行对比分析，给出该仿真平台应用于实际工程的合理化建议。本项目研究成果可为实际工程中超高层建筑的舒适性和结构抗风设计提供技术平台，同时可以应用于土木工程其它柔性结构或构件的流固耦合问题，具有重要的学术意义和广阔的工程应用前景。

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。

本项目主要基于大涡模拟方法，并结合现场实测和风洞试验，开展非平稳强风作用下的超高层建筑风致振动机理研究。建立了成套的大涡模拟方法，包括适用于大涡模拟的非平稳风场入口生成方法以及高效的一体化流固耦合算法；以超高层建筑风效应和风致振动监测平台为依据，开展非平稳强风下超高层建筑风振响应的大涡模拟全尺寸验证研究，改进数值模拟技术，明确误差来源和不确定度，提高模拟结果的准确性；基于验证后的大涡模拟方法，揭示非平稳强风对超高层建筑的风致振动作用机理。研究成果对超高层建筑在非平稳强风下的抗风设计具有重要的理论意义和工程价值。 2100433B

那么，为什么会产生人际上、学习上的耦合效应呢？经研究，一般认为有如下几个原因：

一是耦合的联动作用。在一个群体中，个体之间是有耦合的，耦合的越紧密，联动的作用就越大。学习的本质也是一种互动，这种互动包括人际互动、社会互动，也包括自我互动即内部的我与自己对话。这种互动，很重要的是班级耦合的结果，没有这种班级耦合，互动就会发生困难，学习也不可能进步。可见，耦合效应的产生与耦合的联动作用分不开的。

二是耦合的情感作用。一般来说，人际间只要有耦合就会作出情感上的反应。心理学家李雷从几千份人际关系的研究报告中，归纳出了人际耦合的八种情感反应：即由一方发出的管理、指挥、指导、劝告、教育等态度和行为，会导致另一方的尊敬、服从；由一方发出的同意、合作、友好等态度和行为，会导致另一方的协助、温和；由一方发出的帮助、支持、同情等态度与行为，会导致另一方的信任、接受；由一方发出的尊敬、信任、赞扬、求援等态度和行为，会导致另一方的劝导、帮助；由一方发出的害羞、礼貌、服从等态度和行为，会导致另一方的骄傲、控制；由一方发出的反抗、怀疑等态度和行为，会导致另一方的惩罚、拒绝；由一方发出的攻击、惩罚等态度和行为，会导致另一方的敌对、反抗；由一方发出的激烈、拒绝、夸大等态度和行为，会导致另一方的不信任、自卑。在人际互动中可能按此八种模式进行反应，也可能按此外的其他模式进行反应，但有一点从中可见，人际耦合的反应是情感因素左右的。赋之于积极的得到的将是积极的反应。这是不是过去我们讲的“近朱者赤，近墨者黑”呢？可见，耦合效应是情感因素作用的结果。 解读词条背后的知识 星思考 通过故事和案例，对各种理论、定律、效应、法则和现象进行深度解读，力求浅显易懂，引领思考。

容易忽略的“耦合效应”现象

在生活当中，我们一定不能忽略耦合效应。 我们不但要努力制造良好的耦合效应，也要学会识别负面的耦合效应。