高层建筑气动弹性数值模拟中流固界面信息耦合方法研究

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高层建筑的气动弹性问题正受到工程界和学术界的极大关注。由于结构复杂,尺寸大,雷诺数高,风洞实验难以满足相似条件,而随着计算机技术和计算力学的发展,数值模拟将成为解决高层建筑气动弹性问题很有前景的技术之一。   其中,基于计算结构动力学(CSD)和计算流体动力学(CFD)的弱耦合分区法是目前最易实现的技术方案之一,本文主要针对这一方法,开展了流体与结构耦合界面上非匹配网格间双向信息交换的关键问题研究,主要有以下内容:   (1)由于耦合界面上流体网格和结构网格通常不一致,无法直接的进行信息交换,所以必须采用数据插值方法。对现有的数据插值方法的调研结果进行分析后,本文提出了3种插值方法,前两种是采用Rendall等提出的基于径向基函数的插值方法,第三种则是根据高层建筑气动弹性特征提出的基于局部信息积分的插值方法。进一步对三种插值方法在插值精度和插值效率两方面进行综合比较与分析,结果表明:对高层建筑气动弹性问题,基于局部信息积分的插值方法具有较高的插值效率,同时也能保证一定的插值精度,是一种工程适用的非一致网格间的插值方法。   (2)采用socket通信机制,将基于局部信息积分的数据插值方法与已有的高层建筑风荷载大涡模拟(LES)数值方法和模型集成,建立了一套完整的跨平台高层建筑气动弹性数值模拟软件。并应用该软件,分别对强、台风作用下CAARC梁结构模型(雷诺数70,000,模型缩尺1∶375)和台北101梁壳结构模型(雷诺数为1e8,全尺寸模型)展开三维(3D)气动弹性数值模拟,并与已有实验结果进行了对比,结果证明了本文提出数据插值方法及相关数值方法和模型在高层建筑气动弹性数值模拟中的有效性和可靠性。
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