基于混合子結(jié)構(gòu)方法的充氣膜結(jié)構(gòu)氣動(dòng)特性

周 峰，陳文禮，李 惠

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，150090哈爾濱;2.南昌工程學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，330099南昌)

近年來國內(nèi)外在大跨度空間膜結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)方面的研究取得了一些成果[1－3]，但大都停留在實(shí)驗(yàn)室階段，基于現(xiàn)場監(jiān)測的充氣膜結(jié)構(gòu)氣動(dòng)特性研究較少.本文在建立了國家游泳中心(水立方)健康安全監(jiān)測系統(tǒng)并獲得了較為全面的充氣膜結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)后，借鑒文獻(xiàn)[4]提出的物理實(shí)驗(yàn)(現(xiàn)場監(jiān)測)與CFD數(shù)值模擬結(jié)合的混合子結(jié)構(gòu)方法對ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)特性進(jìn)行了深入研究.首先分別設(shè)立ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)和流場兩個(gè)子結(jié)構(gòu)，然后利用已建立的風(fēng)荷載監(jiān)測子系統(tǒng)和膜結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測子系統(tǒng)所獲得的數(shù)據(jù)作為CFD數(shù)值模擬的輸入，進(jìn)行繞流場分析，從而獲得了ETFE充氣氣枕的附加質(zhì)量、氣動(dòng)力系數(shù)和氣動(dòng)阻尼等氣動(dòng)參數(shù)，在數(shù)值分析時(shí)，考慮到很難對整體結(jié)構(gòu)(超過1 000個(gè)充氣膜結(jié)構(gòu))進(jìn)行模擬分析，因此選取有代表性跨度約10 m的ETFE氣枕(位于結(jié)構(gòu)中心)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并采用實(shí)際采集到的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)振動(dòng)數(shù)據(jù)作為邊界條件，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過該方法可獲得充氣膜結(jié)構(gòu)附加質(zhì)量、氣動(dòng)力系數(shù)和氣動(dòng)阻尼等氣動(dòng)參數(shù)，及上述指標(biāo)隨風(fēng)速的變化規(guī)律，為該類結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用和風(fēng)振研究提供參考.

1 水立方充氣膜結(jié)構(gòu)風(fēng)振監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 水立方工程概況

國家游泳中心又稱水立方，177 m×177 m×30 m，建筑面積79 532 m2，結(jié)構(gòu)表面被ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)覆蓋，具有透光性、自潔性等特點(diǎn)，可節(jié)省大量能源.

1.2 水立方ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)風(fēng)振監(jiān)測系統(tǒng)

北京地區(qū)的季風(fēng)特性:冬季以西北風(fēng)為主，夏季以東南風(fēng)為主.三維超聲波風(fēng)速儀安裝于屋蓋頂部，精度達(dá)0.01 m/s，見圖1.

圖1 風(fēng)速儀安裝圖

為了監(jiān)測到膜結(jié)構(gòu)外表面的風(fēng)致振動(dòng)情況，在ETFE充氣膜外表面分別布設(shè)了風(fēng)壓傳感器和激光位移傳感器，現(xiàn)場安裝見圖2、3.

圖2 風(fēng)壓傳感器安裝圖

圖3 ETFE膜結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)

1.3 ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)風(fēng)振監(jiān)測

基于建立的風(fēng)致振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，對同步采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析，監(jiān)測結(jié)果見圖4，可以看出，水立方上方風(fēng)荷載的脈動(dòng)性較強(qiáng)，充氣膜結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移較小.

圖4 ETFE膜結(jié)構(gòu)風(fēng)振監(jiān)測

2 基于CFD數(shù)值模擬混合子結(jié)構(gòu)方法的充氣膜結(jié)構(gòu)氣動(dòng)特性研究

2.1 CFD數(shù)值模擬流體模型

選取水立方屋蓋上方跨度約10 m，矢高約2 m的一個(gè)六邊形充氣膜結(jié)構(gòu)來進(jìn)行分析.流體模型采用基于Menter SST方程的分離渦模型(DES)[5]，其基本原理是在近壁面采用雷諾平均方法，實(shí)現(xiàn)小尺度渦脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)的高效率模擬，而遠(yuǎn)壁面采用大渦模擬方法，實(shí)現(xiàn)大尺度渦的高質(zhì)量模擬，兩種方法優(yōu)勢互補(bǔ).

流體域計(jì)算由ANSYS CFX 11.0完成，流體域尺寸為:210 m×110 m×60 m，由于流體域邊界較為復(fù)雜，網(wǎng)格劃分采用適應(yīng)性較強(qiáng)的四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，邊界條件見表1.

表1 流體域邊界條件與網(wǎng)格劃分

模擬時(shí)的來流風(fēng)剖面采用我國規(guī)范中的指數(shù)型風(fēng)剖面，其平均風(fēng)速U(z)與高度z的關(guān)系為

式中:z0為參考高度，我國規(guī)范規(guī)定為10 m;z為實(shí)際高度，Ub為與參考高度對應(yīng)的平均風(fēng)速;α為地面粗糙度系數(shù)，B類地貌取0.16.湍流強(qiáng)度隨高度的變化按照日本規(guī)范提出的方法進(jìn)行計(jì)算，其表達(dá)式為

式中zG為梯度風(fēng)高度，B類地貌取350.

2.2 充氣膜結(jié)構(gòu)動(dòng)邊界

充氣膜結(jié)構(gòu)的動(dòng)邊界模擬需借助CFX 11.0表達(dá)式語言CFX Expression Language來實(shí)現(xiàn)，首先假設(shè)ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)的整體振動(dòng)形態(tài)為受風(fēng)荷載靜壓作用下的形態(tài)，見圖5(a)，如此便可將采集到的膜結(jié)構(gòu)上方某點(diǎn)的位移振動(dòng)時(shí)程擴(kuò)展到整體膜結(jié)構(gòu)上，并作為邊界條件施加其上，監(jiān)測位移時(shí)程見圖5(b).基于上述方法，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算的邊界條件封閉，從而計(jì)算出充氣膜結(jié)構(gòu)的附加質(zhì)量、氣動(dòng)阻尼和氣動(dòng)力等氣動(dòng)參數(shù).

圖5 膜結(jié)構(gòu)振動(dòng)輸入信號(hào)

2.3 基于混合子結(jié)構(gòu)方法的充氣膜氣動(dòng)特性

2.3.1 附加質(zhì)量

根據(jù)能量守恒定律和勢流理論[6－8]，并假設(shè)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)引起了原靜止流體的流動(dòng)，則膜結(jié)構(gòu)周圍被帶動(dòng)的空氣在dt時(shí)間內(nèi)的動(dòng)能增量dE等于膜結(jié)構(gòu)上氣動(dòng)壓力p在dt時(shí)間內(nèi)做的功dW，即

式中:p為結(jié)構(gòu)表面氣動(dòng)力，h(x，y，t)為沿膜結(jié)構(gòu)法線方向位移，ma為單位膜面積上的附加質(zhì)量.

由式(3)可進(jìn)一步得到

設(shè)附加質(zhì)量比為

式中ma和ms分別為單位膜面積上的附加質(zhì)量和結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量.

2.3.2 氣動(dòng)阻尼

根據(jù)能量守恒定律[9]，T時(shí)間內(nèi)作用在膜結(jié)構(gòu)上氣動(dòng)壓力所作的功W與氣動(dòng)阻尼消耗的能量E有如下關(guān)系

則氣動(dòng)阻尼比表示為

結(jié)構(gòu)總阻尼為ξs+ ξac，其中ξs和ξac分別為結(jié)構(gòu)阻尼比和氣動(dòng)阻尼比.

2.3.3 升力系數(shù)

式中:U為流體平均流速，S為膜結(jié)構(gòu)垂直于來流方向的投影面積，F(xiàn)L為膜結(jié)構(gòu)升力，ρ為空氣密度.

2.3.4 結(jié)果與討論

根據(jù)水立方風(fēng)振健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果，選取3種風(fēng)速工況(1.7，3.0和5.6 m/s)作為CFD數(shù)值模擬的來流平均風(fēng)速，3種風(fēng)速對應(yīng)的充氣膜結(jié)構(gòu)實(shí)測振動(dòng)位移時(shí)程見圖5(b).將其作為邊界條件施加于結(jié)構(gòu)，以計(jì)算結(jié)構(gòu)的附加質(zhì)量、氣動(dòng)阻尼及氣動(dòng)力.

由于計(jì)算得到的氣動(dòng)參數(shù)波動(dòng)范圍較大，為了直觀的表達(dá)附加質(zhì)量、附加阻尼和氣動(dòng)力隨平均風(fēng)速的變化規(guī)律，對計(jì)算得到的振動(dòng)數(shù)值進(jìn)行平均化處理，附加質(zhì)量比、附加阻尼比和氣動(dòng)力系數(shù)隨時(shí)間和風(fēng)速的變化情況見圖6～9.隨風(fēng)速增加，附加質(zhì)量增加;氣動(dòng)力為負(fù)，說明膜結(jié)構(gòu)外表面整體處于負(fù)壓狀態(tài)，氣流對膜結(jié)構(gòu)的作用主要表現(xiàn)為向上的升力;氣動(dòng)阻尼隨風(fēng)速的變化不具有單調(diào)趨勢，在來流風(fēng)速3 m/s時(shí)出現(xiàn)最大值.

由圖8氣動(dòng)力頻譜分布情況可看出，3 m/s風(fēng)速時(shí)氣動(dòng)力的卓越頻率集中在8.6 Hz附近，而風(fēng)速降至5.6 m/s和1.7 m/s時(shí)，氣動(dòng)力的卓越頻率分別集中在12.7 Hz和13.3 Hz附近.顯然，對于本充氣膜結(jié)構(gòu)，氣動(dòng)力與氣動(dòng)力的卓越頻率間有著如下關(guān)系:低頻氣動(dòng)力可產(chǎn)生較大的氣動(dòng)阻尼，而高頻氣動(dòng)力所產(chǎn)生的氣動(dòng)阻尼相對較低.

結(jié)合圖7(b)和圖8(c)可以看出，氣動(dòng)力和氣動(dòng)阻尼有著較相似的變化規(guī)律，即均在風(fēng)速為3 m/s時(shí)出現(xiàn)最大值，一定程度上說明了氣動(dòng)阻尼與氣動(dòng)力在隨風(fēng)速的變化上具有一致性.

將充氣膜結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較，見圖9.受建筑群風(fēng)場復(fù)雜性影響，相較于數(shù)值模擬結(jié)果，實(shí)測風(fēng)壓值具有更強(qiáng)的脈動(dòng)性和不穩(wěn)定性，分析結(jié)果符合實(shí)際情況.

圖6 附加質(zhì)量比隨時(shí)間和風(fēng)速的變化

圖7 氣動(dòng)阻尼比隨時(shí)間和風(fēng)速的變化

圖8 氣動(dòng)力系數(shù)隨時(shí)間和風(fēng)速的變化

圖9 充氣膜表面風(fēng)壓時(shí)程(平均風(fēng)速5.6 m/s)

從圖10中還可進(jìn)一步看出，風(fēng)速較小時(shí)，膜結(jié)構(gòu)的附加質(zhì)量和氣動(dòng)阻尼體現(xiàn)出了圍繞零點(diǎn)的正、負(fù)交替性變化.當(dāng)風(fēng)速增加至10 m/s后，氣動(dòng)阻尼平衡位置逐漸發(fā)生偏離，其平衡位置向正阻尼方向移動(dòng).

圖10 氣動(dòng)阻尼比隨時(shí)間變化曲線

3 結(jié)論

1)環(huán)境風(fēng)速較小，充氣膜結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移也較小時(shí)，且充氣膜結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)阻尼和附加質(zhì)量隨時(shí)間體現(xiàn)出了圍繞零點(diǎn)的正、負(fù)交替性變化，但隨風(fēng)速逐漸增加，氣動(dòng)阻尼震蕩平衡位置逐漸發(fā)生偏離，平衡位置向正阻尼方向移動(dòng)，此時(shí)，充氣膜結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)阻尼特性也體現(xiàn)的越發(fā)明顯.

2)屋蓋表面的ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)力主要表現(xiàn)為向上的升力，說明充氣膜結(jié)構(gòu)整體受到負(fù)壓環(huán)境影響;隨風(fēng)速增加，充氣膜結(jié)構(gòu)的附加質(zhì)量逐漸增加.

3)低頻氣動(dòng)力可產(chǎn)生較大的氣動(dòng)阻尼，而高頻氣動(dòng)力所產(chǎn)生的氣動(dòng)阻尼相對較低;氣動(dòng)阻尼與氣動(dòng)力在隨風(fēng)速的變化上具有一致性.

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