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研究生: 粘浩
Nien, Hao
論文名稱: 風引致結構共振:數值模擬與風洞實驗
Wind-induced Structural Resonance: Numerical Simulation with Model Test
指導教授: 方中
Fang, Chung
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年: 2018
畢業學年度: 106
語文別: 中文
論文頁數: 159
中文關鍵詞: 柔性模型氣彈力效應風洞試驗渦散作用數值模擬計算流體力學雙向流固耦合
外文關鍵詞: Aero-elasticity, Flexible model, Wind-tunnel test, Vortex shedding, Numerical simulation, Two-way Fluid Structure Interaction
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  • 為驗證柔性氣彈力模型在風洞試驗中對氣彈力效應的反應表現以及探討使用電腦對風致結構振動進行數值模擬之擬合性,故進行本研究。本文包含兩部分,其一為柔性氣彈力模型之風洞試驗結果,其二為以電腦進行高層建築物之氣彈力效應模擬,並探討其與風洞試驗結果之異同。

    在風洞試驗方面,製作高寬比為7之高層建築物柔性氣彈力模型進行風洞試驗。於風洞試驗中可以觀察到結構物顯著的渦致振動效應,由柔性氣彈力模型所得之試驗數據反推真實尺寸之高樓結構受風行為並參考耐震設計規範之計算結果,可知在傳統剛性模型進行風洞試驗的架構下,建築物所受橫風力值推算方法應屬保守。

    數值模擬部分,本研究以套裝軟體ANSYS Fluent及ANSYS Mechanical進行雙向流固耦合模擬,其中紊流模式為標準k-ε模型。在模擬專案設置上以盡量貼近試驗情形之條件設置相關參數,根據模擬結果可知本研究所建立之模擬模型與專案配置方法可明顯的使結構物在共振風速的設定下呈現渦散作用引致結構物側向(橫風向)共振的結果。將模擬結果與風洞試驗結果進一步分析比較,可得到大致相同的趨勢,亦即本研究之數值模擬可以一定程度的再現風洞試驗之模擬結果。

    This study is conducted with the goal of verifying the flexible model's aero-elastic behavior in the wind tunnel tests and exploring the fitness between the numerical simulations and the real wind-induced structural resonance.
    The study includes two parts. First part is the wind tunnel tests results. Second part is the numerical simulations of the high-rise structure's aero-elastic behavior. The comparison of the results of wind tunnel tests and numerical simulations is also contained.
    A high-rise flexible aero-elastic model with aspect ratio (height over width) of 7 was used in the wind tunnel tests. The tests results show obvious vortex-induced vibration effect of the model structure. Using the tests data to inverse calculate the dynamic characteristic of the true scale structure, we could find out that the wind tunnel tests conducted with conventional rigid aerodynamic provided us relatively conservative results (Referencing the Wind Resistance Design Specifications and Commentary of Buildings).
    This study had also accomplished two Two-way Fluid Structure Interaction (Two-way FSI) numerical simulations by using ANSYS Fluent and ANSYS Mechanical. The Standard k-ε model was used as the turbulence model in the study. According to the simulation results, the simulation model of this study and the setup method of the cases successfully present the vortex-induced lateral resonance dynamic characteristics of the structure under the resonance wind speed. Comparing the results of the wind tunnel tests and the numerical simulations, we observe a
    similar trend with two different methods, that is to say, the numerical simulations in this study are able to reproduce the results of the actual wind tunnel tests to a certain extent.

    目錄 中文摘要 ⅰ 英文摘要 ⅱ 誌謝 ⅵ 目錄 ⅶ 表目錄 ⅸ 圖目錄 ⅹ 符號說明 ⅷ 第一章 緒論 1 1.1 風工程簡介 1 1.2 結構風荷載作用 2 1.3 研究緣起與背景 9 1.4 研究方法與目的 11 1.5 論文架構 15 第二章 流體力學控制方程式 16 2.1 控制方程式 16 2.2 紊流模式 20 2.3 大氣邊界層內風特性 25 第三章 高樓剛性氣動模型與柔性氣彈模型實驗分析探討 30 3.1 風洞模型之相似律分析 30 3.2 高樓受風力作用時之規範基本探討 33 3.3 高樓剛性模型風洞實驗分析與探討 42 3.4 高樓柔性氣彈模型風洞實驗分析與探討 51 第四章 數值模擬軟體介紹暨模擬設置 63 4.1 計算流體力學簡介 63 4.2 流固耦合分析簡介 65 4.3 計算流體力學軟體 67 第五章 高層建築物受風行為數值模擬 86 5.1 問題定義 86 5.2 模擬設定 90 5.3 模擬結果與討論 96 第六章 結論與未來展望 155 6.1 結論 155 6.2 未來展望 156 參考文獻 157

    參考文獻

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