柔性薄膜屋盖结构的风致流固耦合效应研究

面向薄膜屋盖结构风致耦合效应的成因、机理与抗风，采用风洞试验方法，进行不同风场条件和不同模型的气动参数特性研究；同时结合粒子成像测速仪PIV识别柔性屋盖涡脱频率与脉动力频率的相关性，用以获取柔性屋盖与刚性屋盖的气动特性的差异。面向耦合效应的全过程，基于计算流体动力学CFD方法，采用大涡模拟LES结合动网格进行柔性模型的动力模型仿真，通过引入模型有限元刚度矩阵，形成以流体域—结构域—网格域三场耦合的计算模型；基于该模型结合数字图像相关法DIC提供的变形数据，分析耦合态下的柔性屋盖模型表面气动力变化，进而说明耦合效应产生的作用。 采用数值模拟方法，完成了适用于多尺度流场的大涡来流条件，用于生成不同尺度、湍流空间分布特征和频谱特性的脉动风入口，用以考量不同湍流度条件下柔性与刚性屋盖风致响应的差异以及柔性屋盖气动刚度与气动阻尼效应；采用风洞试验方法，结合天平测力、PIV和DIC技术，完成了刚性与柔性屋盖模型在不同流场条件下，刚性与柔性屋盖模型的脉动升力变化、屋盖表面流场变化以及风致振动变形等数据，以获取不同类型屋盖气动特性。 研究结果表明：相同尺度的刚性与柔性模型在不同来流条件下，模型表面气动升力的平均值十分接近，而模型表面气动升力的脉动值却随着湍流变化而变化；类似地，在同一来流条件下，随着模型振幅、频率和振动模态的变化，模型表面气动升力的平均值十分接近，而模型表面气动升力的脉动值却随着湍流变化而变化。综上可知，气动刚度使得柔性薄膜屋盖模型总刚度降低，进而降低其气弹稳定性；另外，气动阻尼使得柔性薄膜屋盖模型总阻尼增大，进而降低其风致响应。 本项目的研究目标主要面向柔性薄膜屋盖的风致流固耦合效应，基于混沌吸引子理论原理，构建Navier-Stokes和Navier-Lame系统的耦合方程，并据此构造流体域—结构域—网格域三场耦合模型，配合PIV/DIC等无介入式光学测量技术，重点解决了大跨度柔性薄膜屋盖风致流固耦合的一般性规律和研究方法，为后续柔性屋盖风致耦合效应的临界状态确定和不同状态气动力贡献提供理论基础和研究平台。 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。

流固耦合传热紧耦合

Stokos、Hooper、Kazemi-Kamyab等开发了将流体及固体内所有物理过程进行瞬态紧耦合算法，能使计算结果与实验结果高度吻合。但是，该瞬态紧耦合计算需要消耗大量的计算资源，难以用于解决实际复杂工程问题。

根据问题的特征，有些研究者近似认为在计算时间内，某些参数的状态是不变的，进而直接将瞬态问题转化为稳态问题。对于绝大多说不能通过准稳态处理直接转化为稳态问题的瞬态问题，有些研究者主张保留耦合的非稳态特性，提出各部分分别进行瞬态求解,并通过边界条件、参数值及活动网格等方式进行实时信息交互的瞬态松耦合传热问题的求解。如 Bauman 和Kazemi-Kamyab等针对高超声速流中固体表面带辐射及烧蚀相变过程的流固耦合强制对流传热问题，提出将流体 Navier-Stokes 方程与固体导热、辐射及烧蚀相变过程分别进行瞬态求解，并利用流体数值计算结果对其他求解方程的边界温度和热流加以修正，直至迭代收敛。Lohner 等针对飞机气弹分析中带固体形变的流固耦合传热问题，将流体 Navier-Stokes 方程及固体导热和应变方程分别求解，并利用流体数值计算结果对其他求解方程的边界温度和热流加以修正，同时利用固体应变方程的计算结果修正流体耦合边界位置和速度边界条件，直至迭代收敛。

流固耦合传热松耦合

有些研究者提出了基于准稳态流场的松耦合算法，即近似认为在整个流固耦合传热过程中，流场处于若干个准稳态，每一个准稳态的流场都使用稳态 Navier-Stokes 方程求解。如 Kontinos结合二维边界单元法和高超声速计算流体力学( CFD) 算法的松耦合算法，分析了高超声速流与机翼前缘的耦合传热问题。Chen 和Zhang等交替进行稳态流场计算与固体烧蚀和瞬态导热的松耦合算法计算了带烧蚀的流固耦合传热问题。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。

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。