CFD数值模拟技术应用.pdfVIP

第八届全国现代结构工程学术研讨会 CFD数值模拟技术及应用 丛峻王孟鸿骆云良 (北京建筑工程学院．北京100044) 提要：随着科学技术的进步。使得现代建筑结构形式口新月异；大跨度结构形式的增多迫使我们对各片面的荷载都要系统的 考虑。然而对结构风作用的确定最常规的做法还是风洞试验，但其费用高、周期长等缺点使其在一般建筑中应用很少。 本文先介绍CFD数值模拟技术，再通过一般例子确定CFD数值模拟技术的可行性，而展望该领域的研究前景。 美键词：流同耦合，数值模拟，风润试验 一、引言 流体——结构耦合的数值模拟，是数值计算科学中极具挑战性的问题之一．流固耦合问题可由其耦合方 程定义。这组方程的定义域同时有流体域与固体域。未知变量含有描述流体运动的变量和描述固体反应的变 量。耦合方程具有以下两点特征：l、流体域与固体域均不可单独求解；2、无法显式地消去描述流体运动的 独立变量及描述固体反应的独立变量。 流体——结构耦合作用问题是高度非线性问题，需要求出耦合运动方程的瞬时解。耦合作用发生在流体 和结构的交界面上，其上满足运动学和动力学耦合条件。在流固耦合计算中，面临的问题之一是流体和结构 的描述方式不同，流体使用Eulcr描述，而结构需用Lagraoge描述，因此，在流场中需要对运动着的边界进 行处理。 ． ． 为了适应流体空间区域的时变性，。最具普遍性的一种方法是改变对流体运动的描述方式，用ALE法解决 流固耦合问题中的由于坐标不统一所带来的运动界面协调问题。ALE描述的主要特征是给定合适的网格运动 速度，以便维持计算网格的合理形状并准确描述物体的运动边界。当流体一结构耦合界面绽‘牛移动后，计算 网格必须根据新的结构位形调整。为保证网格不发生严重扭曲，在计算中必须对网格质量进行控制和校核。 二、CFD数值模拟技术 ， (一)流固耦合边界控制条件 事实上，边界条件只与所求解的问题有关，而与所使用的描述无关。因而，在Euler描述和Lagrange 描述中使用的边界条件都可用于ALE描述中”““； 流固耦合问题是流体域和结构域之间的非线性动态耦合问题，其基本原理是通过分别满足流体域和结构 域之间的耦合边界上的运动学平衡方程和动力学平衡方程，将流体域和固体域耦合起来川。 。 ds=t 运动学条件： 缸i=她s 对于大跨度屋盖结构，流固耦合边界属于无滑移的情况，耦合边界上流体速度条件可以从运动学条件导 出 V|=d| 其中，d／。和以分别为流体域和结构域的耦命边界位移，f，和rJ分别为耦合边界上流体和结构应力，■ 为耦合边界流体域速度。 工业建筑2009增刊 第八届全国现代结构工程学术研讨会 结构域和流体域的有限元模型是分开建立的，两个模型之间的耦合是通过分别在其实际的作用面定义流 固耦合边界实现的，两者的刚格可以不一致，但要满足一定的容差要求。耦合面上流体节点的位移通过附近 结构节点的位移插值得到，而结构节点受到的流体作用力通过附近流体应力的积分得到： ● 。 ．F(f)=lh4勺以 其中，-h4是结构虚位移。 (二)黔I耦合系统的有限元方程 令X=(X，，X，)代表耦合系统的解矢量，其中X，和X，分别是流体和结构的节点解向量。．因此有： 芝=当(戈，)，§=t／(x，)-流体——结构耦合系统的有限元方程是： 哆[筹警捌]_0 其中‘和E是相应于G，和q的有限元方程·可以分别用下列两个方程表示解耦后的流体和结构方程： ‘C=【X，，0】=0 C=[E，0】-0 双向流体——结构耦合： ’．流体的画应