影响流固耦合效应强弱的参数分析★

赵世龙 秦学峰 沈天悦 张若俞 赵旻旻 贾 杰*

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)



·结构·抗震·

影响流固耦合效应强弱的参数分析★

赵世龙 秦学峰 沈天悦 张若俞 赵旻旻 贾 杰*

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

利用ANSYS软件对流固耦合问题进行了参数分析，介绍了流固耦合理论及数值模拟前期成果，基于固定其他影响因素，通过改变影响结构流固耦合效应的风速和风向角，得到了结构的风致振动特性和流固耦合效应的影响规律，对结构—风荷载流固耦合效应的研究有一定参考价值。

流固耦合，风荷载，数值模拟，振动频率

0 引言

当前风致振动是影响建筑结构、桥梁结构发生灾变的主要原因之一。对于风的动力效应一般采用等效静力风荷载来处理。然而事实上风荷载与结构是耦合的相互作用，从而产生了所谓的“流固耦合效应”。有些情况下，流固耦合效应能抑制结构的振动，如若不考虑流固耦合作用所得到的结构抗风设计结果往往保守性大且成本高。但有时流固耦合效应会对结构振动起到激励作用使之产生自激性振动，导致结构的动力响应会明显增大，相应的会影响结构的正常使用[1]。

跨度更大，结构更轻、更柔是现代结构的发展趋势，结构对于风荷载作用下的流固耦合效应更加敏感，因此深入系统的研究风荷载的作用机理以及流固耦合效应，具有重要的学术意义和实际工程应用价值[2]。

前期应用ANSYS软件对低层建筑结构进行不同湍流模型的数值模拟，通过不同风向角结构表面风压系数等值线的分析，得出风场数值模拟结果并与实测数据相比，验证流固耦合效应下风荷载数值模拟的准确性[3]。本文意在进一步分析流固耦合效应对结构的影响，通过对特定结构的风压分布规律分析、修正，得出影响流固耦合效应强弱的参数有哪些，改变影响结构风致振动流固耦合效应的主要外界因素，得到对结构的风致振动特性和流固耦合效应的影响规律。可以为风致流固耦合问题应用在空间结构、大跨径桥梁等提供参考，从而使工程实际中开发出更可靠的实用方法。

1 流固耦合理论分析

“流固耦合”是指处于流体中的物体由于受到流体力的作用而产生形变与振动，结构形变又会导致流体边界条件的变化，从而对流体产生反作用。其研究方法主要包括理论分析、工程实测、风洞实验和数值模拟四种。四种方法各有优缺点。其中数值模拟对模型尺寸的影响不敏感，避免了试验过程中各模型雷诺数相似的难点；可以便捷的修改各项参数,以研究不同参数下流固耦合效应的影响；而且随着科学技术的发展,数值模拟方法在风工程中应用的优势越来越突出[4-6]。

2 流固耦合数值模拟前期成果

基于文献[1]的研究可以得到以下三点结果：

1)流固耦合对结构在脉动风场中的风压分布产生了很大的影响，导致其不断变化且幅值变化很大。

2)结构在风向角α=0°且中等风速作用下Z方向位移变化不大、应力变化显著；振动前十几阶频率都比较密集突出，并不都是以单一基频为主。

3)对特定结构的风压分布规律分析、修正，得出影响流固耦合效应强弱的参数有：风速、风向角、脉动风的特性、结构矢跨比、结构特征尺寸等。

3 数值模拟试验

在前期对结构流固耦合效应的研究基础上，固定其他影响因素的变化，就风向角和风速的变化，利用数值模拟技术分别对流固耦合效应的影响进行参数影响分析[7]。

3.1 风速的影响

固定其他影响因素的变化，只改变风速分析其对流固耦合效应的影响。α=0°，平均风速的变化范围为v=5 m/s～40 m/s，每次增加Δv=5 m/s。风向角α=0°时采样点分布图见图1。

由图2看出结构的卓越频率在不同位置是有很大差别的，当v≤25 m/s时节点375,节点67,节点361和节点81的卓越频率基本维持在13 Hz左右保持不变。当v>25 m/s时频率降到10 Hz左右，且节点221和节点368的卓越频率在v≤25 m/s时以基频振动为主，随风速增大先减小到7 Hz左右，当v>25 m/s时迅速增加到10 Hz，与图1中模型的四个顶点接近重合。由于结构卓越频率最终趋于同一值10 Hz，结构极易发生气弹失稳破坏。

由图3可知，其他影响因素不变，随着风速的增大，结构的振动幅值随之增大。除节点221之外，其他节点的振动位移峰值与风速的平方呈近似的斜直线分布规律，节点221振动峰值的增长比风速的平方要快。风速v≤25 m/s时与其他节点相接近，v>25 m/s时则明显大于其他节点，说明振动位移与流动风在边界处成弱非线性，中央处成强非线性特性。

由图4可知，其他影响因素不变，随着风速的增大，结构的应力随之增大。整体应力峰峰值的变化要比风速的平方变化的快，呈平面曲线上升。风速v≤20 m/s时，应力变化峰值趋于一致，当v>20 m/s时，应力峰值增长迅速但变化量不尽相同，说明应力变化幅值与流动风在边界处成强非线性特性。

3.2 风向角的影响

固定其他影响因素的变化，只改变风向角分析其对流固耦合效应的影响。v=30 m/s，风向角变化范围为α=0°～90°，每次增加Δα=22.5°。风向角的定义见图5。

由图6得，当风速v=30 m/s时，随着α∈[0°,45°]逐渐增大，结构的振动卓越频率从13 Hz增大到25 Hz；当α∈[45°,90°]继续增大到90°，卓越频率从25 Hz减小到15 Hz左右。即α=45°时，结构各位置的振动卓越频率最大。

由图7，图8可以看出，随着风向角的增大，结构各个位置的振动位移与应力变化很大。随着α∈[0°,90°]变化，振动位移变化幅值与风向角成近似正弦波形变化；应力变化幅值与风向角也成近似正弦波形变化。

4 结语

文章基于固定其他影响因素，仅考虑风速和风向角的变化对流固耦合效应的影响，并对其影响进行参数分析，当v>25 m/s时，结构的振动卓越频率接近重合，导致结构容易发生气弹失稳。结构的振动位移与流动风在边界处成弱非线性，中央处成强非线性特性。应力变化幅值与流动风成明显的非线性，呈平面曲线上升变化。α=45°时，结构各部分的振动卓越频率最大，应力变化幅值与风向角也成近似正弦波形变化。结构中央是最不利区域，设计时应予以重视，可供工程设计参考使用。

[1] 王春江，李向明，陈 锋.长单索结构的多参数流固耦合分析[J].力学与实践，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] 陈 谦，焦 朗.考虑流固耦合效应的风荷载数值仿真计算[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] 邓创华.流固耦合弱耦合算法研究[D].武汉:华中科技大学,2012:3-8.

[6] 钱若军，董石麟.流固耦合理论研究进展[J].空间结构，2008，14(1):3-6.

[7] 滕 佳.膜结构风振响应流固耦合数值模拟分析[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学，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★：黑龙江省级大学生创新创业训练计划项目(编号：201610225131)；黑龙江省自然科学基金青年科学基金项目(编号：QC2014C043)

赵世龙(1996- )，男，在读本科生

贾 杰(1980- )，男，博士，副教授

TU311.3

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