Авторефераты диссертаций >> Аэроупругая неустойчивость зданий и сооружений в ветровом потоке
На правах рукописи
Мелешко Владимир Аркадьевич
АЭРОУПРУГАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ ЗДАНИЙ
И СООРУЖЕНИЙ В ВЕТРОВОМ ПОТОКЕ
Специальность 05.23.17 – Строительная механика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2011
Диссертация выполнена на кафедре строительной механики в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».
| Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор Рутман Юрий Лазаревич |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Улитин Виктор Васильевич |
| кандидат технических наук Смирнов Антон Александрович | |
| Ведущая организация: | «Петербургский государственный университет путей сообщений» |
Защита диссертации состоится 10 ноября 2011 г. в 14:30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.03 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, д. 4, зал заседаний (ауд. 219).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».
Автореферат разослан «___» октября 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
д.т.н., профессор Л.Н. Кондратьева
I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертации. Существующие в настоящее время методы расчета аэроупругой неустойчивости сооружений сложно реализовать. Это связано с необходимостью получения большого количества экспериментальных аэродинамических параметров, используемых в аэроупругих моделях. Например, для оценки конструкций на возникновение галопирования, неизвестными являются коэффициенты лобового, поперечного сопротивлений при разных углах атаки ветра. Эти коэффициенты получают при обтекании конструкции в аэродинамической трубе. Для определения амплитуд колебаний при срывном (вихревом) флаттере используется модель автоколебаний в виде генератора Ван-дер-Поля. Для такого расчета необходим ряд экспериментальных параметров, которые также получают в аэродинамической трубе. Испытание в аэродинамической трубе чрезвычайно дорого. При наличии современных средств компьютерного моделирования такой подход экономически неоправдан. Однако методик, позволяющих эффективно использовать существующие программные средства и вычислительные технологии для исследования аэроупругих процессов в сооружениях, не существует.
Диссертация посвящена методам расчета аэроупругих колебаний (галопирование и срывной флаттер). В ней разработаны методики, позволяющие использовать современные вычислительные средства. Например, для оценки конструкций на возникновение галопирования используется критерий Глауэрта – Ден-Гартога, в котором аэродинамические параметры при разных углах атаки определены в программе ANSYS CFX, а интерполяционные функции построены в MathCad.
Для определения амплитуд колебаний при срывном (вихревом) флаттере предлагается новый подход с применением программы ANSYS CFX при использовании технологии (FSI) Fluid Structure Interaction. Методика расчета сооружений на аэроупругие колебания сводится к решению дифференциального уравнения, описывающего колебания сооружений. В правой части уравнения находится изменяемая во времени и зависящая от колебаний аэродинамическая подъемная сила, вычисляемая с помощью (FSI) Fluid Structure Interaction.
Актуальность данной диссертации определяется необходимостью учета аэроупругих колебаний при проектировании различного рода сооружений (труб, мачт, высотных зданий и мостов) и отсутствием методик по применению современных вычислительных средств для расчета аэроупругих процессов.
Цель и задачи исследования. Целью диссертации является разработка методик расчета аэроупругой неустойчивости зданий и сооружений с применением современных вычислительных средств и технологий.
Исходя из поставленной цели работы, решались следующие задачи:
1. Анализ известных аэроупругих моделей для расчета аэроупругой неустойчивости.
2. Разработка методик для применения ПК ANSYS CFX и MathCad к исследованию аэроупругих процессов.
3. Решение примеров для доказательства эффективности предлагаемых методик.
Научная новизна работы. В диссертации предложены три методики расчета:
-методика оценки склонности конструкций к возникновению галопирования без использования экспериментальных данных, полученных в аэродинамической трубе;
-методика моделирования с помощью ANSYS CFX аэроупругих колебаний при срывном флаттере, заменяющая имитационные модели (типа осциллятора Ван-дер-Поля) и не требующая экспериментальных исходных данных;
-методика определения аэродинамических параметров в ANSYS CFX.
Эти методики предложены впервые.
Практическая значимость. Разработанные в диссертации методики позволяют уменьшить временные ресурсы на выполнение расчетов, повысить точность расчетов, а также сократить их стоимость за счет использования современных вычислительных средств вместо дорогостоящих экспериментов в аэродинамических трубах.
Методики могут быть применены для расчета аэроупругой неустойчивости различного рода сооружений.
Личный вклад соискателя. Все исследования, изложенные в диссертационной работе, проведены лично соискателем.
На защиту выносятся:
-методика оценки склонности конструкций к возникновению галопирования без использования аэродинамической трубы;
-методика определения аэроупругих колебаний при срывном флаттере без использования аэроупругих моделей;
-методика расчета аэродинамических параметров.
Достоверность полученных результатов обеспечивается:
-использованием апробированного математического аппарата (математические модели аэродинамики) и численных методов решения;
-применением апробированных в мировой практике технологий аэродинамических расчетов широкого круга задач машиностроения и строительства и верифицированного лицензионного программного комплекса ANSYS CFX;
-успешным решением с использованием разработанных методик верификационных и тестовых задач (колебания моста, определение аэродинамических параметров восьмиугольной призмы);
-согласованием расчетов с результатами экспериментальных исследований в аэродинамических трубах.
Апробация работы. Основные положения диссертационных исследований представлены и одобрены на: 66-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета, СПбГАСУ, 3 февраля 2009 года; 67-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета, СПбГАСУ, 4 февраля 2010 года; 68-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета, СПбГАСУ, 2 февраля 2011 года; научном семинаре «Исследование Аэроупругих процессов в строительных сооружениях» в секции строительной механики и надежности конструкций имени Н.
Публикации. По тематике диссертации опубликовано 5 работ, в том числе 4 работы в изданиях, включенных ВАК в перечень рекомендуемых.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав (с выводами по каждой главе), заключения, списка литературы (94 наименования, в том числе – 29 на иностранных языках), 9 приложений, 41 рисунка и 8 таблиц. Общий объем диссертации – 129 страниц.
Во введении приводится обоснование актуальности работы, определены проблемы, цели и задачи исследований, перечислены основные научные и практические результаты.
В первой главе «Обзор существующих методик расчета сооружений на ветровые нагрузки» дается аналитический обзор современного состояния методов определения ветровых воздействий (нормативных, экспериментальных и численных) на здания и сооружения. Рассмотрены некоторые известные случаи аэроупругой неустойчивости, в том числе колебания моста в Волгограде.
Исследованиями в области влияния ветровых нагрузок на сооружения и проблемами изучения аэродинамических характеристик ветровых потоков занимались отечественные и зарубежные ученые и специалисты, такие как: Э.И. Реттер, Г.А. Савицкий, М. В. Келдыш, А.С. Бернштейн, М.Ф. Барштейн, Б.Г. Коренев, М.И. Казакевич, Н.А. Попов, В. И. Сливкер, А.В. Перельмутер и другие. Из зарубежных исследователей можно отметить вклад таких ученых, как А.Г. Давенпорт, Э. Симиу, Р. Сканлан, Н.Д. Кук, Д. П. Ден-Гартог, Р. Л. Бисплингоф, Р. Л. Халфман, R. H. Ashley, O. M. Griffin, R. A. Skop, G. H. Koopmann, S. E. Ramberg, Y. G. Solari.
Из публикаций, вышедших за последнее время, необходимо отметить работы Белостоцкого А.М., С.М.Дубинского, С.В. Гувернюка, П.С. Ланды, А.В. Агеева, И.К. Марчевского, Б.В. Остроумова, Ф. Ментера, М. Кунтца.
Во второй главе «Современные теоретические модели для исследования аэроупругости» приведены существующие методы расчета аэроупругой неустойчивости: галопирование и срывной флаттер. Рассмотрены проблемы применения аэроупругих моделей, в частности необходимость испытания макета сооружения в аэродинамической трубе для определения ряда аэродинамических параметров. Проанализированы методы расчета сооружений на ветровые нагрузки в современных программных комплексах.
Изложены теоретические основы моделирования обтекания сооружений в программах вычислительной гидродинамики, в частности ANSYS CFX.
Рассмотрена модель турбулентности Ментера SST для решения уравнений Рейнольдса – Навье-Стокса. Приведены формулы для определения кинетической энергии пульсаций и скорости диссипации энергии, используемые в этой модели.
В третьей главе «Галопирование» описана методика оценки зданий и сооружений на возникновение галопирования. В главе получен обобщенный критерий Глауэрта – Ден-Гартога для систем с распределенной массой.
В четвертой главе «Срывной флаттер» описана методика расчета аэроупругих колебаний сооружений при срывном флаттере с применением ANSYS CFX.
В пятой главе «Определение аэродинамических параметров зданий в программе вычислительной гидродинамики ANSYS CFX» рассматривается определение аэродинамических параметров зданий и сооружений в программе вычислительной гидродинамики ANSYS CFX. Приводится методика построения модели для аэродинамического расчета.
В шестой главе «Примеры применения методик расчета» рассмотрено применение обобщенного критерия Глауэрта – Ден-Гартога для оценки обледенелого провода и высотного здания на возникновение галопирования. Применена методика определения аэроупругих колебаний сооружений при срывном флаттере для анализа работы моста в Волгограде.
В заключении приведены основные выводы и результаты работы.
II. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
1. Разработана методика оценки сооружений на возникновение галопирования с учетом формы колебаний и изменения скорости ветра по высоте. Автором предложен обобщенный критерий Глауэрта – Ден-Гартога.
Запишем выражения для распределенной по сооружению нагрузки, действующей в поперечном по отношению к ветровому потоку направлении (рис. 1):
, (1)
, (2)
где CL() и CD() – коэффициенты бокового и лобового сопротивления как функции угла атаки воздушного потока; – плотность воздуха; U(z) – средняя скорость ветрового потока на высоте z; B(z) – поперечный (по отношению к потоку) размер сооружения на высоте z; y(z, t) - скорость сечения в направлении, перпендикулярном потоку; z – продольная координата сооружения.
Используя разложение y(z,t) по собственным формам и выполнив ряд преобразований, запишем уравнения движения
, (3)
где 
, (4)
i = 1, 2,…, n; mi, ci – обобщенные массы и жесткости; – безразмерный коэффициент затухания; i – круговые частоты; L – длина сооружения; k(z), i(z) – собственные формы колебаний.
Рис. 1. Силы и скорости при галопировании
Галопирование произойдет, если система уравнений (3) имеет неустойчивые решения. Заключение об устойчивости решений уравнений (3) делается, исходя из анализа соответствующего этой системе характеристического уравнения.
Если решение (3) искать в виде
, (5)
то неустойчивость наступит, если вещественная часть корня характеристического уравнения будет положительна
Rej > 0. (6)
Условие (6) является обобщенным условием Глауэрта – Ден-Гартога.
На основе этого критерия в главе разработана методика проверки на возможность галопирования:
1. Определение собственных частот и форм колебаний зданий и сооружений в программах конечно-элементного анализа.
2. Определение профиля скорости.
3. Определение аэродинамических параметров зданий и сооружений при разных углах атаки ветра в ANSYS CFX.
4. Аппроксимация полученных зависимостей аэродинамических параметров от угла атаки ветра в MathCad.
5. Применение критерия Глауэрта – Ден-Гартога.
Критерий Глауэрта – Ден-Гартога при учете только первой формы колебаний и с учетом изменения скорости ветра по высоте представлен в виде:
, (7)
где
(8)
, (9)
, (10)
m1 – обобщенная масса для первой формы колебаний; (z) – погонная масса сооружения.
Изменение скорости ветра задано степенным законом
, (11)
где U10 – средняя скорость ветрового потока на высоте 10 м, – коэффициент, зависящий от типа местности.
2. Разработана методика для определения аэродинамических параметров в программе ANSYS CFX. Методика предполагает использование различных моделей турбулентности. Проведено сравнение аэродинамических параметров для некоторых форм сооружений, полученных в CFX, с экспериментальными данными. Показано удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных.
Сравнение результатов обтекания некоторых форм зданий с экспериментальными данными при Re = 1,6107 сведены в таблицу 1.
На рисунках 2-5 представлены результаты аэродинамического расчета бесконечных призм. Все расчеты были проведены для ламинарного потока на входе в плоской постановке. Экспериментальные данные получены при обтекании тел в аэродинамической трубе ламинарным потоком.
Таблица 1
Результаты обтекания некоторых форм зданий
| Структура | Форма | Эксперимент | CFX | Ошибка, | |||
| Ламинарный | SST, I=0,05% | ||||||
| Cx | sh | Cx | sh | Cx | sh | ||
| Цилиндр | 0,7 | 0,3 | 0,43 | 0,27 | 38 % | 10 % | |
| Квадратная призма | 2 | 2,09 | 5 % | ||||
| Квадратная призма (r/b = 0,167) | 0,8 | 0,2 | 0,5 | 0,22 | 38 % | 10 % | |
| Восьмиугольная призма | 1,4 | 1,45 | 4 % | ||||
