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来源：王晓峰, 张玉清, 杨庆山. 均匀流场作用下ETFE气枕的流固耦合分析[J]. 钢结构, 2020, 35(7): 29-42.
DOI: 10.13206/j.gjgSE20041902
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摘 要
ETFE (Ethylene-Tetra-Fluoro-Ethylene) 气枕广泛应用于国家游泳中心等大跨钢结构。ETFE气枕在风荷载作用下易发生大的变形和振动，进而引起周围风场及其对外围薄膜作用的改变，导致显著的流-固耦合作用(FSI，fluid-structure interaction)。目前文献主要对张拉膜结构在均匀流情况下的流固耦合作用进行了研究，而尚未关注ETFE气枕等充气膜结构方面的流固耦合问题。鉴于此，作者采用有限元方法，对外部均匀流场下ETFE气枕的流固耦合作用及其对动力行为的影响进行了数值分析。通过建立外部层流场以考虑均匀流与气枕的的流固耦合作用；通过将內充气体等效为线性势流以考虑內充气体与外围薄膜的耦合作用；通过将流固耦合分析结果与 CFD/CSD (computational fluid dynamics / computational structure dynamics)的分析结果进行对比，探究外部均匀流场与ETFE气枕的流固耦合作用规律。研究结果表明，流固耦合作用对ETFE气枕上的风压影响很小，但对其动力响应具有重要的影响。
研究内容
1流固耦合作用影响分析
基于ADINA商用有限元软件平台，对均匀流场下的ETFE(Ethylene-Tetra-Fluoro-Ethylene)气枕进行流固耦合分析。气枕为2m×2m的方形，入口流速随时间在3~5m/s范围内正弦变化。通过将FSI(fluid-structure interaction)分析结果与CFD/CSD (computational fluid dynamics / computational structure dynamics)分析结果进行对比，研究流固耦合作用对ETFE气枕的风压、内压、位移响应、速度响应、加速度响应以及应力响应的影响规律。
1.1 流固耦合作用对风压的影响
表1给出了不同时刻分别由FSI和CFD/CSD计算得到的最大风压和最小风压，图1比较了上膜面9号和15号结点在两种情形下的风压响应时程。由表1和图1可知，FSI与CFD/CSD计算得到的风压较为接近，说明在低风速均匀流作用下，气枕变形较小，因而对周围流场没有显著影响。
表1 风压比较
a—9号结点；b—15号结点。
图1 风压时程对比
1.2 流固耦合作用对内压的影响
图2比较了分别由FSI与CFD/CSD计算得到的气枕内压时程。由图2可知，FSI计算得到的内压响应远小于比CFD/CSD分析得到的结果。这是由于气枕在风致振动时外部流场与气枕的流固耦合作用引起显著的附加质量效应，显著减小了气枕变形，从而降低了其内压响应。
图2 内压时程对比
1.3 流固耦合作用对位移响应的影响
图4比较了图3所示结点9和结点15分别由FSI和CFD/CSD计算得到的位移响应时程。此外表2还给出了图3所示结点8、9、14、15、20、21、26、27在两种情形下计算得到的位移幅值。
图3 结点分布
a—9号结点；b—15号结点。
图4 位移时程对比
表2 结点位移幅值对比
由图4和表2可知，FSI计算得到的位移响应远小于CFD/CSD分析的结果。可见，流固耦合作用引起的附加质量效应会显著影响气枕的位移响应，而CFD/CSD分析由于没有考虑这种影响，所以其计算结果误差很大。
1.4 流固耦合作用对速度响应的影响
图5比较了图3所示结点9和结点15分别由FSI和CFD/CSD计算得到的速度响应时程，表3给出了图3所示结点8、9、14、15、20、21、26、27在两种情形下计算得到的速度幅值。
a—9号结点；b—15号结点。
图5 速度时程对比
表3 结点速度幅值对比
由图5和表3可以看出，流固耦合作用产生的附加质量效应，对速度响应也产生较大影响，显著降低了气枕的速度响应。
1.5 流固耦合作用对加速度响应的影响
图6比较了图3所示结点9和结点15分别由FSI和CFD/CSD计算得到的加速度响应时程，表4给出了图3所示结点8、9、14、15、20、21、26、27在两种情形下计算得到的加速度幅值。
a—9号结点；b—15号结点。
图6 加速度时程对比
表4 结点加速度幅值对比
由图6和表4可知，流固耦合作用产生的附加质量效应，对加速度响应也产生较大影响，显著降低了气枕的加速度响应。
1.6 流固耦合作用对大主应力的影响
图7比较了图3所示结点9和结点15分别由FSI和CFD/CSD计算得到的第一主应力响应时程，表5给出了图3所示结点8、9、14、15、20、21、26、27在两种情形下计算得到的第一主应力幅值。
a—9号结点；b—15号结点。
图7 第一主应力时程对比
表5 结点第一主应力幅值对比
由图7和表5可知，流固耦合作用产生的附加质量效应，显著降低了气枕第一主应力响应。这是由于附加质量的影响使气枕变形减小，导致其内压和主应力响应明显降低。
2 结 论
本文对均匀流场下的ETFE气枕进行了流固耦合分析，通过将计算结果与CFD/CSD的分析结果进行对比，研究气枕变形和附加质量效应分别对ETFE气枕的风压时程以及动力响应的影响规律。取得的主要结论如下：
1) ETFE气枕的变形对流场的压力影响较小，因此由CFD刚性模型计算的风压和FSI分析得到的风压差别不大。
2) 流固耦合作用引起的附加质量效应对ETFE气枕的动力响应具有显著影响，FSI分析得到的气枕动力响应远小于CFD/CSD分析的结果。
中英文全文下载链接
1.http://gjg.ic-mag.com/cn/article/doi/10.13206/j.gjgSE20041902（注册登录免费获取）
2.https://navi.cnki.net/knavi/JournalDetail?pcode=CJFD&pykm=GJIG
3.http://cstm.cnki.net/stmt/TitleBrowse/KnowledgeNet/GJIG202007003?db=STMJTEMP
作者简介
王晓峰
北京交通大学土建学院建筑工程系 副教授
研究方向为薄膜结构、风-膜流固耦合作用，薄壁钢结构以及古建筑结构。主持国家自然科学基金“面上”项目“考虑气-膜耦合作用的充气膜有限元模型及其褶皱分析”以及“基于褶皱势面的薄膜单元及薄膜结构的褶皱分析”，发表多篇SCI/EI论文。专业擅长：固体力学有限元，薄膜结构的褶皱分析，风-膜流固耦合分析，薄壁钢结构的稳定分析，面向对象的有限元程序设计。
张玉清
北京交通大学土建学院建筑与土木工程专业 研究生
研究方向为风-充气膜的流固耦合作用，对均匀流场中的充气膜因流固耦合作用而产生的附加质量效应有较深入、系统的研究，参与国家自然科学基金“面上”项目“考虑气-膜耦合作用的充气膜有限元模型及其褶皱分析”。
杨庆山
重庆大学土木工程学院 院长
教育部长江学者特聘教授；中国土木工程学会风工程委员会副主任；中国空气动力学会风工程与工业空气动力学委员会委员；中国土木工程学会空间结构委员会委员；《世界地震工程》第三届编委会委员；长期从事风工程、结构工程和地震工程领域的教学、科研和工程实践。先后主持多项国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金重大研究计划、国家自然科学杰出青年基金、国家自然科学面上项目、中日联合资助国际合作项目、国家自然科学基金国际合作重点项目，111项目“风敏感基础设施抗风减灾创新引智基地”和111项目“高性能风电设施及其高效运营创新引智基地”。主持完成了40余项重要体育场馆、机场、高层建筑等的风洞试验和膜结构工程设计及布达拉宫等古建的健康监测项目。主持制定屋盖结构风荷载规范一部，以第一作者出版专著3部，发表论文300余篇（其中SCI/EI 200余篇）。荣获国家科技进步二等奖(2018，1997)、西藏自治区科技进步二等奖(2017)、第十届光华工程科技奖青年奖(2014)、教育部科技进步二等奖(2013)、高等学校科技进步二等奖(2007)、太阳膜结构优秀青年奖(2005)、詹天佑科技奖(2001)、教育部青年教师奖(2000)、国家科技进步二等奖(1997)和建设部科技进步一等奖(1996)。
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融媒体编辑：张白雪
责任编编：慕婷婷
关于期刊
中冶建筑研究总院有限公司和中国钢结构协会联合主办、《工业建筑》杂志社有限公司编辑出版的中文科技期刊《钢结构》Steel Construction，于1986年创刊，2019年为促进国际学术交流，并兼顾对内传播，满足国内外读者需要，经国家新闻出版署批准，期刊文种变更为中英文双语出版，同时更名为《钢结构（中英文）》Steel Construction（Chinese & English）/ISSN 2096-6865/CN 10-1609/TF，自2020年1月全面改版发行。
期刊报道方向包括：高性能钢材，空间钢结构，高层钢结构，预应力钢结构，钢-混凝土组合结构，轻型钢结构，住宅钢结构，桥梁钢结构，特种钢结构及装配式钢结构建筑等。今后将持续关注国际学术热点，深入思考未来发展方向，报导具有高学术水平和应用价值的科研成果。
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