建筑數(shù)值風(fēng)洞的基礎(chǔ)研究及其應(yīng)用.pdf

1、建筑數(shù)值風(fēng)洞方法是隨著計算機(jī)技術(shù)和計算流體力學(xué)的發(fā)展而興起的并應(yīng)用于求解建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下的風(fēng)壓、風(fēng)振響應(yīng)的一種方法，本文主要研究建筑數(shù)值風(fēng)洞的基礎(chǔ)及其在建筑群風(fēng)場數(shù)值模擬中的應(yīng)用。 本文首先應(yīng)用基于FLUENT軟件的數(shù)值風(fēng)洞方法，通過對單個建筑表面平均風(fēng)壓的研究模擬，分析了建立建筑數(shù)值風(fēng)洞所需要的基本原則，并應(yīng)用上述建立建筑數(shù)值風(fēng)洞的基本原則，來研究群體建筑的靜力風(fēng)環(huán)境等，并總結(jié)靜力風(fēng)壓風(fēng)荷載在群體建筑中的分布規(guī)律等。

2、 然后，為了進(jìn)一步分析建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)速時程下的風(fēng)振響應(yīng)，建立了基于 ANSYS軟件的考慮風(fēng)一結(jié)構(gòu)耦合分析的數(shù)值風(fēng)洞方法。在建立考慮風(fēng)一結(jié)構(gòu)耦合分析的數(shù)值風(fēng)洞方法中，很好的解決了多點風(fēng)速時程的模擬問題，同時應(yīng)用此種方法計算了隨時間變化下的非定常三維結(jié)構(gòu)風(fēng)壓。在此基礎(chǔ)上，考察了考慮風(fēng)一結(jié)構(gòu)耦合分析與不考慮風(fēng)一結(jié)構(gòu)耦合分析對結(jié)構(gòu)風(fēng)壓、動力響應(yīng)等數(shù)值模擬結(jié)果的影響；同時應(yīng)用這種方法分析了考慮風(fēng)的超隨機(jī)特性情況下，結(jié)構(gòu)風(fēng)壓和結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的變化情況。

3、 最后，綜合應(yīng)用上文所建立的兩種建筑數(shù)值風(fēng)洞的應(yīng)用方式，分別研究了高層建筑群的靜力及動力干擾效應(yīng)問題，并綜合分析，總結(jié)規(guī)律。 通過以上研究工作，主要得出以下結(jié)論： (1)建筑數(shù)值風(fēng)洞總體上屬于一種常規(guī)低速風(fēng)洞，風(fēng)的壓縮性可以忽略，同時，也不考慮溫度的影響。在應(yīng)用CFD軟件建立建筑數(shù)值風(fēng)洞的過程中，首先需要做的工作是要知道相關(guān)的各個設(shè)置參數(shù)的影響及其設(shè)置原則，本文通過算例分析主要得出以下結(jié)論： ①當(dāng)計算流域

4、高度、長度取值相對較大而截面堵塞比相對較小時．它們的影響在一定范圍內(nèi)是不明顯的；但當(dāng)計算流域高度、長度取值相對較小而截面堵塞比相對較大時，將導(dǎo)致建筑數(shù)值風(fēng)洞中流體流動不能充分發(fā)展，洞壁干擾效應(yīng)明顯，直接影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，使計算結(jié)果嚴(yán)重偏離試驗值。 ②湍流模型對計算結(jié)果有非常明顯的影響，不同的湍流模型的計算結(jié)果之間也存在較大的差距。對于每一個湍流模型，計算結(jié)果與試驗值的吻合程度從好到差，大體順序依次為LES、RSM、RNG k

5、-e模型、Realizable k-e模型、標(biāo)準(zhǔn)k-e模型。對于湍流模型的選擇，建議在一般的工程應(yīng)用的初步設(shè)計階段選用RNGk-e模型，在工程應(yīng)用的最終設(shè)計階段則建議使用雷諾應(yīng)力模型。 ③網(wǎng)格的精度對計算結(jié)果有著重要的影響，網(wǎng)格精度越高，數(shù)值模擬結(jié)果越好，只有滿足一定精度條件的網(wǎng)格，才能夠在適宜的條件下得到合理的計算結(jié)果。建議在網(wǎng)格劃分時，對于幾何外形簡單的單個建筑的計算流域，使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，這樣可以用更少的網(wǎng)格單元得到

6、更好的模擬結(jié)果；而對于幾何外形復(fù)雜的單個建筑或建筑群風(fēng)場的計算流域，則建議使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，它相對于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法更為簡單、方便，在一定精度下同樣有較好的模擬結(jié)果。 ④進(jìn)口邊界條件中速度分布對計算結(jié)果的影響大于湍流強(qiáng)度分布對計算結(jié)果的影響，是進(jìn)口邊界條件中的關(guān)鍵部分。 ⑤不同的對流項的差分格式對計算結(jié)果的影響也比較明顯，同時在不同的差分格式之間，QUICK差分格式的精確度相對更好，所以，在工程應(yīng)用中，特別是涉

7、及到流動形式比較復(fù)雜的情況，建議選用QUICK差分格式。 (2)應(yīng)用基于FLUENT軟件的數(shù)值風(fēng)洞方法研究群體建筑的靜力風(fēng)環(huán)境等，根據(jù)一些高層建筑群的數(shù)值模擬結(jié)果，得出以下總結(jié)：首先在平均風(fēng)的作用下，在平均風(fēng)速及平均風(fēng)壓上，風(fēng)上游的高層建筑對下游的建筑有一定的遮掩效應(yīng)：在建筑物之間間距較小時，很容易產(chǎn)生狹縫效應(yīng)，增大流動風(fēng)的平均風(fēng)速，大大增大建筑物表面的平均風(fēng)壓力；在建筑群的外圍迎風(fēng)面平均風(fēng)壓力較大。 (3)應(yīng)用上述基于

8、ANSYS軟件考慮風(fēng)-結(jié)構(gòu)耦合分析的數(shù)值風(fēng)洞方法計算了一個懸臂梁算例和一個框架-簡體高層建筑結(jié)構(gòu)實例。懸臂梁算例的數(shù)值風(fēng)洞計算結(jié)果和相關(guān)參考文獻(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行了比較，表明本文的計算結(jié)果有較好的計算精度，說明了本文考慮風(fēng)-結(jié)構(gòu)耦合分析的數(shù)值風(fēng)洞方法的準(zhǔn)確性。另外，在框架-筒體高層建筑結(jié)構(gòu)實例中，比較了考慮風(fēng)-結(jié)構(gòu)耦合分析和不考慮風(fēng)一結(jié)構(gòu)耦合分析兩種情況下的結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓和結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)，兩種計算結(jié)果有一定程度的差別，說明在具體的高層建筑的抗風(fēng)設(shè)

9、計中應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)目紤]風(fēng)-結(jié)構(gòu)耦合作用的影響。 還應(yīng)用上述方法研究了超隨機(jī)特性在建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)工程中的影響，應(yīng)用框架-筒體高層建筑實例進(jìn)行了相應(yīng)的計算比較。比較結(jié)果表明，相對于一般規(guī)范中的方法，在風(fēng)作用下的結(jié)構(gòu)的動態(tài)位移、加速度等在考慮風(fēng)的超隨機(jī)特性后有一定程度的增大。 (4)分別應(yīng)用基于FLUENT軟件和ANSYS軟件的數(shù)值風(fēng)洞方法分析了兩個建筑物所組成的建筑群間的干擾效應(yīng)，研究結(jié)果表明： ①高層建筑間的靜力干擾效應(yīng)主

10、要表現(xiàn)為遮擋效應(yīng)，但是當(dāng)兩個建筑物間產(chǎn)生狹縫效應(yīng)時，受擾建筑的平均風(fēng)荷載也會有所增大；另外兩個建筑物間的相對距離越近，靜力干擾效應(yīng)就越明顯；不同的風(fēng)速條件下，靜力干擾效應(yīng)分布圖的輪廓形狀基本相似。 ②高層建筑間的順風(fēng)向動力干擾效應(yīng)在兩個建筑物相對距離較近時，主要表現(xiàn)為增大效應(yīng)；隨著建筑物之間的相對距離逐漸增大，順風(fēng)向動力干擾效應(yīng)逐漸減??；當(dāng)動力干擾效應(yīng)表現(xiàn)為增大效應(yīng)時，B類地貌條件下比D類地貌條件下動力干擾效應(yīng)更為嚴(yán)重；另外，在