基于CFD的复杂超高层建筑双向流固耦合研究

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现代超高层建筑越来越向着更高、更轻、更怪异的方向发展,这就给结构设计人员提出更艰巨的挑战。而高层建筑却是现代工程结构中对风荷载最为敏感的建筑结构,在工程设计时,应把风荷载提高到此类建筑的控制荷载的高度。重庆长江国际双塔超高层建筑是超高层建筑中的典型,它不仅高,而且是双塔结构,塔楼间的风场扰动无法用普通高层建筑的抗风分析手段来研究,因此考虑流固耦合作用的风致振动分析对本工程就显得格外重要。本文以其为研究对象,采用弱耦合算法并建立了双向流固耦合的耦合框架对该建筑的风场与结构的耦合作用进行了研究,主要包括以下几个方面的内容:1.对基于计算流体力学即CFD的新版本ANSYS14.0中新增的流固耦合模块进行了研究,本文的整个流固耦合计算过程都是基于ANSYS WORKBENCH平台,采用FLUENT+TRANSIENT STRUCTURAL并行耦合的双向耦合方式进行,中间数据交换平台采用SYSTEM COUPLING模块。2.针对双塔建筑体型较普通超高层建筑体型复杂,提出了简化其有限元模型的思路,原因是考虑到在流固耦合的计算过程中,风场与结构的数据交换和传递仅在流固耦合交界面进行(本文设定的流固耦合交界面只是建筑所有与外界大气接触的面),而模型的细化会增加模型的网格数量和耦合计算难度。3.采用基于气弹性风洞试验的几何相似性、动力相似性、来流条件相似性以及质量相似性的理论,对由ANSYS命令流建立的长江国际有限元模型进行了模态分析,给出了其一阶振型曲线及频率,为简化模型的建立提供了数据支持。4.建立三维风场-建筑流固耦合,采用带旋流修正的k-epsilon湍流模型对长江国际风致振动响应进行计算分析,并给出了几条基本的位移曲线和风压时程曲线。5.最后,对比了采用建立刚性数值模拟模型计算的长江国际双塔建筑的风速风压图和采用建立气弹性的流固耦合数值模拟模型的风速风压图。
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