高層建筑風(fēng)致振動(dòng)耦合效應(yīng)的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究項(xiàng)目摘要

將綜合運(yùn)用數(shù)值模擬、風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)測方法，基于通用的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）和有限元商業(yè)軟件平臺(tái)，開展超高層建筑物的風(fēng)荷載及風(fēng)致流固耦合振動(dòng)研究。首先，構(gòu)建以脈動(dòng)風(fēng)和大渦模擬（LES）為核心、可并行計(jì)算的、高效率的流固耦合計(jì)算平臺(tái)；然后，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)高層建筑模型的剛性模型進(jìn)行數(shù)值模擬和測壓試驗(yàn)研究，精確模擬平均和脈動(dòng)風(fēng)荷載；然后，采用流固耦合計(jì)算平臺(tái)模擬標(biāo)準(zhǔn)高層建筑的氣彈模型在不同折減風(fēng)速下的位移，同風(fēng)洞試驗(yàn)測振結(jié)果比較來驗(yàn)證該數(shù)值仿真平臺(tái)研究流固耦合問題的可行性；最后，選擇經(jīng)常遭受強(qiáng)/臺(tái)風(fēng)的東南沿海某實(shí)際超高層建筑，將數(shù)值模擬得到結(jié)構(gòu)響應(yīng)和現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，給出該仿真平臺(tái)應(yīng)用于實(shí)際工程的合理化建議。本項(xiàng)目研究成果可為實(shí)際工程中超高層建筑的舒適性和結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供技術(shù)平臺(tái)，同時(shí)可以應(yīng)用于土木工程其它柔性結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的流固耦合問題，具有重要的學(xué)術(shù)意義和廣闊的工程應(yīng)用前景。

在嚴(yán)格遵守項(xiàng)目計(jì)劃的前提下，課題組針對(duì)超高層建筑風(fēng)致耦合振動(dòng)這一問題，通過現(xiàn)場實(shí)測、CFD數(shù)值模擬和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法開展了系統(tǒng)、深入研究。目前，已圓滿完成了各項(xiàng)既定研究內(nèi)容，取得了系列創(chuàng)造性研究成果，并完全滿足項(xiàng)目結(jié)題驗(yàn)收要求。 1、研究CFD數(shù)值模擬中湍流來流邊界的實(shí)現(xiàn)方法，根據(jù)平均風(fēng)剖面和脈動(dòng)風(fēng)速譜，利用線性濾波法中的自回歸（Auto-Regressive, AR）模型來生成人工脈動(dòng)風(fēng)，并將生成脈動(dòng)風(fēng)進(jìn)行無散修正（divergence free）以滿足連續(xù)性方程，并將修正后的風(fēng)速用UDF加入到CFD計(jì)算的來流入口，通過單圓柱的繞流結(jié)果揭示出流場的脈動(dòng)特性。 2、將實(shí)現(xiàn)的脈動(dòng)風(fēng)來流邊界應(yīng)用于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)，建立具有模擬真實(shí)大氣邊界層環(huán)境的3D數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)，基于該數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)預(yù)測超高層建筑表面的平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓，并與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較；達(dá)到精確預(yù)測超高層建筑表面風(fēng)荷載的目的，為超高層風(fēng)致振動(dòng)耦合效應(yīng)的數(shù)值模擬研究奠定基礎(chǔ)。 3、進(jìn)一步對(duì)超高層建筑的平均風(fēng)致流固耦合振動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并與常態(tài)風(fēng)和臺(tái)風(fēng)作用下該超高層建筑的現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，重點(diǎn)分析了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)和氣動(dòng)力隨高度和時(shí)間的變化規(guī)律，通過不同高度處的旋渦脫落分析結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)流場的影響。 4、研究了三維柱體結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)風(fēng)致振動(dòng)耦合效應(yīng)，基于ANSYS的Workbench平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)場與柱體結(jié)構(gòu)雙向流固耦合振動(dòng)的數(shù)值模擬，采用LES湍流模型，分析了結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓分布、流場渦脫模式及結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移特性；進(jìn)一步研究了湍流來流對(duì)流固耦合作用的影響和耦合效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)氣動(dòng)力特性的影響。 5、以高度在400m量級(jí)的超高層建筑為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)制作了正方形截面氣彈模型并進(jìn)行了詳細(xì)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究，通過測量得到了不同風(fēng)向和不同折減風(fēng)速下結(jié)構(gòu)頂部加速度時(shí)程響應(yīng)和尾流的風(fēng)速特性，成功地在實(shí)驗(yàn)中再現(xiàn)了橫風(fēng)向渦激共振這一典型的風(fēng)致振動(dòng)耦合現(xiàn)象。 2100433B

本項(xiàng)目擬將柔性薄膜屋蓋結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，采用理論分析、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究不同類型薄膜屋蓋的風(fēng)致流固耦合效應(yīng)。項(xiàng)目首先針對(duì)流固耦合機(jī)理，采用理論分析和數(shù)值計(jì)算的方法獲得考慮氣彈效應(yīng)的柔性薄膜結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，進(jìn)而全面掌握不同薄膜結(jié)構(gòu)的基本氣彈性能；基于薄膜結(jié)構(gòu)的氣彈特點(diǎn)，構(gòu)造氣彈試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒㈤_展PIV試驗(yàn)研究，獲取詳細(xì)的薄膜屋蓋風(fēng)荷載和風(fēng)致響應(yīng)全過程信息；再通過和相關(guān)理論模型的對(duì)比研究, 評(píng)估幾種氣彈試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃院瓦m用性；基于上述理論推導(dǎo)和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立新型薄膜結(jié)構(gòu)流固耦合數(shù)值計(jì)算方法，用來獲得薄膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)形變與應(yīng)力狀態(tài)、漩渦場及風(fēng)荷載分布形態(tài)變化的全過程信息等。通過本項(xiàng)目的研究，揭示柔性薄膜結(jié)構(gòu)風(fēng)致流固耦合效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理，得到柔性屋蓋結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響規(guī)律，建立相關(guān)的分析模型與計(jì)算方法，研究成果將解決薄膜屋蓋結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)關(guān)鍵科學(xué)問題。

本項(xiàng)目主要基于大渦模擬方法，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測和風(fēng)洞試驗(yàn)，開展非平穩(wěn)強(qiáng)風(fēng)作用下的超高層建筑風(fēng)致振動(dòng)機(jī)理研究。建立了成套的大渦模擬方法，包括適用于大渦模擬的非平穩(wěn)風(fēng)場入口生成方法以及高效的一體化流固耦合算法；以超高層建筑風(fēng)效應(yīng)和風(fēng)致振動(dòng)監(jiān)測平臺(tái)為依據(jù)，開展非平穩(wěn)強(qiáng)風(fēng)下超高層建筑風(fēng)振響應(yīng)的大渦模擬全尺寸驗(yàn)證研究，改進(jìn)數(shù)值模擬技術(shù)，明確誤差來源和不確定度，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性；基于驗(yàn)證后的大渦模擬方法，揭示非平穩(wěn)強(qiáng)風(fēng)對(duì)超高層建筑的風(fēng)致振動(dòng)作用機(jī)理。研究成果對(duì)超高層建筑在非平穩(wěn)強(qiáng)風(fēng)下的抗風(fēng)設(shè)計(jì)具有重要的理論意義和工程價(jià)值。 2100433B

那么，為什么會(huì)產(chǎn)生人際上、學(xué)習(xí)上的耦合效應(yīng)呢？經(jīng)研究，一般認(rèn)為有如下幾個(gè)原因：

一是耦合的聯(lián)動(dòng)作用。在一個(gè)群體中，個(gè)體之間是有耦合的，耦合的越緊密，聯(lián)動(dòng)的作用就越大。學(xué)習(xí)的本質(zhì)也是一種互動(dòng)，這種互動(dòng)包括人際互動(dòng)、社會(huì)互動(dòng)，也包括自我互動(dòng)即內(nèi)部的我與自己對(duì)話。這種互動(dòng)，很重要的是班級(jí)耦合的結(jié)果，沒有這種班級(jí)耦合，互動(dòng)就會(huì)發(fā)生困難，學(xué)習(xí)也不可能進(jìn)步?？梢?，耦合效應(yīng)的產(chǎn)生與耦合的聯(lián)動(dòng)作用分不開的。

二是耦合的情感作用。一般來說，人際間只要有耦合就會(huì)作出情感上的反應(yīng)。心理學(xué)家李雷從幾千份人際關(guān)系的研究報(bào)告中，歸納出了人際耦合的八種情感反應(yīng)：即由一方發(fā)出的管理、指揮、指導(dǎo)、勸告、教育等態(tài)度和行為，會(huì)導(dǎo)致另一方的尊敬、服從；由一方發(fā)出的同意、合作、友好等態(tài)度和行為，會(huì)導(dǎo)致另一方的協(xié)助、溫和；由一方發(fā)出的幫助、支持、同情等態(tài)度與行為，會(huì)導(dǎo)致另一方的信任、接受；由一方發(fā)出的尊敬、信任、贊揚(yáng)、求援等態(tài)度和行為，會(huì)導(dǎo)致另一方的勸導(dǎo)、幫助；由一方發(fā)出的害羞、禮貌、服從等態(tài)度和行為，會(huì)導(dǎo)致另一方的驕傲、控制；由一方發(fā)出的反抗、懷疑等態(tài)度和行為，會(huì)導(dǎo)致另一方的懲罰、拒絕；由一方發(fā)出的攻擊、懲罰等態(tài)度和行為，會(huì)導(dǎo)致另一方的敵對(duì)、反抗；由一方發(fā)出的激烈、拒絕、夸大等態(tài)度和行為，會(huì)導(dǎo)致另一方的不信任、自卑。在人際互動(dòng)中可能按此八種模式進(jìn)行反應(yīng)，也可能按此外的其他模式進(jìn)行反應(yīng)，但有一點(diǎn)從中可見，人際耦合的反應(yīng)是情感因素左右的。賦之于積極的得到的將是積極的反應(yīng)。這是不是過去我們講的“近朱者赤，近墨者黑”呢？可見，耦合效應(yīng)是情感因素作用的結(jié)果。 解讀詞條背后的知識(shí) 星思考 通過故事和案例，對(duì)各種理論、定律、效應(yīng)、法則和現(xiàn)象進(jìn)行深度解讀，力求淺顯易懂，引領(lǐng)思考。

容易忽略的“耦合效應(yīng)”現(xiàn)象

在生活當(dāng)中，我們一定不能忽略耦合效應(yīng)。 我們不但要努力制造良好的耦合效應(yīng)，也要學(xué)會(huì)識(shí)別負(fù)面的耦合效應(yīng)。