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06-18
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本文来自微信公众号“中南建筑设计院工程数字技术中心”，作者：E.D.T.C.无论是近期国内龙卷风灾害造成的建筑损坏，还是深圳赛格大厦发生的涡激共振，城市建筑与风的相互作用越来越受到公众的关注。
全球气候变化背景下，强对流、龙卷风、暴雨、台风等各类天气事件对城市重要建筑的影响日益明显。
其中，软体、高大、复杂的超高层建筑和大跨度空间结构的抗风问题日益突出。
。
大跨度空间结构和高层建筑在各种风力和天气条件下都会不同程度地发生流固耦合现象。
所谓流固耦合现象是指风速流场产生的结构表面风力会引起结构振动。
同时，结构振动会影响流场的变化，从而改变作用在结构表面的风力。
当流固耦合效应继续增强时，结构振动现象将显着加剧直至失稳，影响结构的舒适性和安全性。
┃膜结构与高层住宅建筑及结构之间的流固耦合。
城市建筑物所在的大气底层通常是湍流充分发展的区域。
表面摩擦使湍流扩大到整个大气边界层高度（标准规定～米）。
┃城市风环境分析在结构风工程领域，测量的风速通常分为长周期平均风和短周期脉动风。
平均风引起结构的静力响应，脉动风通常接近结构的自振周期，引起不同程度的振动。
流固耦合振动现象。
对于一般高层建筑，通常会发生顺风抖振和侧风涡激振动。
从经典的绕圆柱体流动问题可以发现，建筑断面在风的作用下会在侧风方向产生交替的涡流，造成两侧交替脱落的现象。
┃卡门涡街 这种卡门涡街现象会导致结构表面横向风压的周期性变化。
当变化频率接近结构的自振频率时，就会发生涡激共振，使结构发生明显的振动甚至失稳。
。
┃超高层涡激共振涡旋脱落频率在实际工程结构设计中，不同建筑断面的涡旋脱落频率与Storoha数有关：式中，ns为一次涡旋脱落完成后的频率， D 是垂直于来风的方向。
的平面投影大小，U 为来流的平均风速。
根据结构风工程研究成果，斯托罗哈数仅与截面形状和雷诺数有关。
从上式可以看出，只有当风速接近共振范围时才会发生涡激共振。
在实际结构设计中，需要避免受力结构的自振频率接近涡脱落频率！建筑结构流固耦合仿真分析国内外研究人员在风场特性、结构动力特性以及结构风振位移等方面开展了大量的研究工作。
其中，气动弹性风洞试验研究在实际建筑流固耦合分析中应用最为成熟，但其存在因比例尺引起的雷诺数问题、气动弹性模型制作复杂、制作难度大等缺点。
测试。
┃建筑风洞试验近年来，随着计算机效率的快速提高和计算流体力学（CFD）算法的日益成熟，基于CFD和有限元动力计算方法（FEM）联合求解的流固耦合仿真技术可以作为风洞试验的补充，为复杂建筑的定性和定量风振分析提供设计参考。
┃ 超高层建筑风效分析 基于CFD和FEM的结构风振分析流程一般都是基于CFD和FEM。
结构风振分析流程如下。
首先，利用CFD的大涡模拟瞬态模拟技术解决建筑表面的脉动风压。
处理，然后将风压时程数据导入有限元模型中进行动力分析计算。
┃基于CFD-FEM的非耦合求解方法与这种处理方法不同。
基于CFD和FEM的建筑流固耦合仿真技术有两个主要特点：1）CFD流体计算域和FEM有限元模型无法独立求解； 2）CFD-FEM联合求解过程中，可以考虑风压和结构变形的相互影响。
┃ 基于CFD-FEM ABAQUS+XFlow联合仿真的流固耦合仿真实现流固耦合仿真不仅需要考虑流体和固体各自的力学特性，还需要考虑两者之间的相互作用。
工程数字技术中心与达索系统在数字技术和仿真分析方面进行了合作。
率先将ABAQUS+XFLOW解决方案应用于建筑工程领域，开展考虑流固耦合的结构风振分析。
ABAQUS软件在结构工程领域已得到广泛应用（相关阅读?建筑结构非线性分析实践）。
XFLOW是基于格子玻尔兹曼方法的新一代无网格流体模拟分析软件。
这个分析方案在之前的虎门大桥涡激共振事件中使用过（相关阅读?谁震动了虎门大桥？）。
┃ 虎门大桥涡激共振仿真 对于流固耦合的应用，XFlow 与 Abaqus 结合的主要优点是： 1. 准确性。
XFlow 是一款高保真 CFD 分析软件，可以使用真实的几何模型，无需或仅经过很少的简化或修改，Abaqus 的准确性得到了跨行业的认可。
2.紧密性，Abaqus/XFlow联合仿真提供了一个无缝的环境，可以进行单向或双向仿真，甚至可以做紧耦合的刚性FSI问题。
3. 易于使用，XFlow 求解器受益于无网格方法。
它处理大变形 FSI 问题的能力为我们提供了独特且易于使用的工作流程。
┃ ABAQUS + 对大跨度体育场膜材等风敏结构的抗风设计提供了具有实际工程价值的技术参考。
┃ 膜结构的流固耦合与试验吻合较好。
针对近期发生的深圳赛格大厦晃动事件，工程数字技术中心团队尝试采用仿真分析方法，采用考虑流固耦合的风振技术，从涡激共振的角度对此进行解释。
晃动现象。
基于一阶周期，建立了均质弹性体建筑的简化模型，得到结构的风振加速度约为0.m/s2。
由于这里使用的是高度简化的结构分析模型，因此结构的振动现象只能定性地解释。
如果需要更准确的风振分析结果，则需要建立更复杂的有限元分析模型。
┃ 考虑流固耦合的风振分析 膜结构是近年来得到广泛应用的一种新型大跨度柔性屋盖结构。
其基本力学特性是“轻”、“软”，因此对脉动风载荷的影响非常敏感。
、风荷载是结构设计中的主要控制荷载。
利用XFlow与ABAQUS联合仿真技术，可以模拟强风条件下膜结构明显的流固耦合效应。
通过对膜结构局部和整体振动的三维时程分析，可以获得膜结构的风致损伤情况，可用于膜结构及下部主体结构的设计。
为抗风设计提供额外参考。
摘要：建筑结构中的涡激共振不仅影响结构的安全性，而且降低了建筑的舒适度，甚至引起公众的心理恐慌。
流固耦合是分析结构风振的重要手段，可为结构的设计和优化提供参考。
未来，工程数字技术中心将持续分析城市气候灾害下建筑的抗风能力，为当地微气候和建筑结构设计与优化提供数字化、智能化解决方案。
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