2014年12月18日 星期四

LS-DYNA在流固耦合的應用探討-2

因為是要進行流固耦合,所以我們先談流的部份,流體(泛指液體或氣體)的部份可以簡單區分為可壓縮流及不可壓縮流體,先談不可壓縮流體力學(Incompressible CFD) 。

什麼是不可壓縮流分析呢? 先定義一下什麼是不可壓縮流體,它有以下特質:
1.          流體的密度不會隨時間而變動
2.          溫度不會隨流速改變
3.          較適用於馬赫數(Mach Number)低於0.5( V<370 KPH,KM Per Hours,大約102m/sec)
從這樣的基礎來說,很多生活上的問題,都可以由不可壓縮流分析來進行。
例如,
l   海洋表面流速:M<0.003
l   一般管流流速:M<0.03
l   高速公路行駛的車輛:M<0.12
l   風力發電機附近的流速:M<0.18
l   法國高鐵TGV的行駛速度:M<0.27
這樣認知,應該就可以瞭解不可壓縮流使用的範圍很廣泛。

上述說明很難認知瞭解的話,就先看一下這張圖,在學術界很有名的實驗,叫做Ahmed Bluff Body。這形狀好像不容易瞭解它在做什麼;一般人看了就會覺得這好像沒什麼作用。金剛經云:見諸相非相,即見如來。這要瞭解的確有困難。


它用來研究流體經過一物體之後的紊流現象及相關阻力計算。
看一下它可以應用的範圍,若設計好了一台車,怎麼瞭解它在行進中遇到的風阻力呢?就用ICFD運算即可。
還是感覺不出來嗎?放心,你絕對是正常人,再看一下這張照片:

原貌如下:

這台車很可愛,很可惜台灣沒在賣,看一下維基百科如是說:http://en.wikipedia.org/wiki/Honda_Element

動的車都可以跑,連動都不會動的建築物可不可以做呢?若說不行實在很難讓我信服...

且聽下回分再分解。




2014年12月17日 星期三

LS-DYNA在流固耦合的應用探討-1

風工程(Wind Engineering)乃指一切與風相關的工程問題,是一門結合大氣科學與工程科學兩者的學問(註一)。特別是台灣身處夏季受颱風影響的區域,冬季則受東北季風的吹襲,對於風力所造成的破壞更需留意。從另一個解度來看,台灣是風力能源豐富的地區,若能充分利用風能,可以帶來更多的效益。
        從建築設計角度而言,大部份設計師依[建築物耐風設計規範及解說]進行建築物抗風系統設計風力、最高居室樓層振動加速度及表面披覆物設計風壓之參考,特殊建築物亦可進行風洞實驗,來推算相關設計風力及風壓。但是,建築物的形狀設計多變化,可能超過[建築物耐風設計規範及解說]所涵蓋的範圍,使用風洞實驗時間較長,設計變更時又需要再進行實驗,不僅時間上不經濟,所花費的成本亦不低。
        特別是內政部營建署於103612日修正發布建築物耐風設計規範及解說,自10411日施行,以強化建築物之耐風設計。對於開放式建築物之斜屋頂局部構材及外部被覆物增加設計風壓之計算式,雖說提供了查表的公式,但從表中來看,似乎可以選擇的項目不多,難道就得屈就法規限制了設計的創意嗎?
以上圖來說,難道以後的涼亭只能力一種形式了嗎?那麼像宜蘭市果菜市場(註二)那麼精采的建築,就得在台灣的地表消失了嗎?      
 
有沒有方法可以解決這樣的問題呢?大部份的建築師及土木技師會以法規的計算為依據,原因不外乎安全及法律責任問題,這是一定要遵守的準則。不過在設計階段,如何進行設計的評估,以減少進入法規程序之後的冗長流程,以更精確及有效率的方法來讓創意建築來發揮其經濟效益,不妨看看機械業已使用的概念及方法計算流體力學。
        接下來我們會使用LS-DYNA做為說明,過去我們都以為LS-DYNA僅用在車輛工程的碰撞應用,自從發展多物理耦合分析後,便由結構非線性分析,延伸至其它領域的應用,包含流體力學與結構力學的耦合,接下來的幾次文章,便會以此為出發點。
        不妨先瞭解一下LS-DYNA在流固耦合的應用,先看一下這個影片:
這段影片說明了利用LS-DYNA進行風力發電機扇葉結構分析的結果。在一個軟體及環境下,直接進行流體與固體的耦合分析。一般的系統,可能使用者要有一套CFD系統,一套動力分析系統,且這兩個系統還可能是不同的系統,有不同的格式。

LS-DYNA將兩者結合在一起,在一個程式就可以達成。怎麼辦到的,且聽下回分解。

出處:
(註一)風工程概論 朱佳仁著
(註二) 圖形擷自於http://yilan-local-life-news.org.tw/joinus_3/eq-detail.php?idNo=100