Venlo型温室不同顶窗风荷载数值模拟研究

摘要

温室是通过人工设施对作物周围环境因素进行控制，以获得最佳生长条件和延长生产期，从而达到提高作物产量和质量的目的。我国是世界上最大的设施栽培国家，2013年中央一号文件连续第十年聚焦“三农”，强调加大新一轮“菜篮子”工程实施力度，强化农业物质技术装备，这将进一步有力促进温室、设施农业的快速发展。
　　温室属于低层建筑，其结构形式独特，在满足安全性、稳定性和耐久性的同时，还要求满足总体完整性和经济性。良好的结构形式可直接改善温室性能，提高其生产率和能源利用率，保障安全稳定生产。目前国内外学者主要集中对温室内部环境进行研究，在温室结构安全可靠性方面研究较少，并且我国地域广阔且地形地貌情况复杂，专门针对我国国情的温室结构设计标准规范出台较少，使得我国温室大部分存在安全隐患，严重影响温室生产效益和发展。风荷载是对温室结构影响最大、存在最普遍的可变荷载，温室处于大气边界层中，其周围存在较为复杂的风场，全面掌握温室表面风压力分布规律是温室抗风设计与优化的依据。
　　本文首先介绍了国内外温室现状，总结了温室结构特别是风荷载特性方面的研究进展，对CFD理论及数值计算方法进行了简单阐述;为了研究Venlo型连栋温室不同开窗形式对风压系数的影响，选择ANSYS有限元分析软件，构造全尺寸Venlo型连栋玻璃温室，选取Realizable(k)-ε湍流模型，进行数值模拟计算;详细分析温室不同顶窗形式（屋脊通长开窗、屋面交错开窗、屋面全开启式）其表面风荷载分布情况，了解开启情况（闭合、半开和全开）和风向角(0°、45°和90°)等因素对风压分布的影响，并对计算结果进行分析归纳，为温室结构设计时风荷载体型系数选择提供参考。研究结果表明:
　　(1)风作用到温室后，温室周围存在着分离、回流、漩涡、再附等一系列气体流动现象，数值模拟能较好的反映温室表面风压分布和周围流场状况。随着计算机硬件提升和计算流体动力学(CFD)理论完善，将会更加凸显CFD低成本、效率高、模拟真实条件能力强的优点，使其越来越广泛地运用到建筑表面风荷载研究中。
　　(2)对Venlo型连栋温室三类不同顶窗形式如屋脊通长开窗、屋面交错开窗及屋面全开式的风荷载特性进行研究，数值模拟计算结果表明:温室顶窗形式不同，其风压系数值大小不一;高风压系数和高风压梯度一般出现在温室的屋脊、外墙顶边和转角等拐角边缘区域。
　　(3) Venlo型连栋温室不同顶窗形式具有不同特点，不同布置方向其通风效果也不相同，在进行顶窗选型和确定布置方向时，应综合考虑其风荷载体型系数、通风效果、经济性，以实现温室其安全性、经济性最佳。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 绪论

1．2 温室发展概况

1．2．1 国外温室发展现状

1．2．2 我国温室发展现状

1．3 温室结构研究现状

1．4 课题研究意义与选题依据

1．5 论文研究内容及技术路线

1．5．1 课题主要研究内容

1．5．2 课题研究技术路线

第二章 风工程及CFD的基础理论、方法

2．1 风工程研究方法

2．2 CFD简介

2．3 CFD基本控制方程

2．3．1．质量守恒方程

2．3．2 动量守恒方程

2．3．3 能量守恒方程

2．3．4 组分质量守恒方程

2．4 湍流控制方程

2．4．1 三维瞬态Navier-Stokes方程

2．4．2 雷诺平均N-S(RANS)方程

2．4．3 常用湍流模型简介

2．5 湍流近壁面边界层的处理方法

2．5．1 壁面边界层特点及处理方法

2．5．2 标准壁面函数

2．5．3 非平衡壁面函数

2．6 网格生成技术

2．6．1 结构化网格和非结构化网格

2．6．2 非结构化网格

2．6．3 混合网格

2．6．4 自适应网格技术

2．7 控制方程离散化

2．7．1 有限差分法

2．7．2 有限单元法

2．7．3 有限体积法

2．8 流场数值解法

2．8．1 SIMPLE算法

2．8．2 SIMPLEC算法

2．8．3 PISO算法

2．8．4 欠松弛技术

第三章 Venlo型连栋温室风荷载数值模拟与分析

3．1 Venlo型温室简介

3．2 温室开窗系统

3．3 CFD计算软件

3．4 模型方案选择

3．4．1 顶窗形式选择

3．4．2 风向角选择

3．4．3 开启角度选择

3．5 数值模拟计算

3．5．1 几何建模

3．5．2 计算域设置

3．5．3 网格划分

3．5．4 湍流模型选择

3．5．5 确定边界条件及求解方法

3．6 求解参数设置

第四章 数值模拟结果分析与比较

4．1 顶窗闭合Venlo型温室数值模拟结果

4．1．1 0°风向角

4．1．1 45°风向角

4．1．3 90°风向角

4．2 屋面双侧通长开窗Venlo型温室数值模拟结果

4．2．1 0°风向角

4．2．2 45°风向角

4．2．3 90°风向角

4．3 屋面交错开窗Venlo型温室数值模拟结果

4．3．1 0°风向角

4．3．2 45°风向角

4．3．3 90°风向角

4．4 屋面全开启式Venlo型温室数值模拟结果

4．4．1 0°风向角

4．4．2 45°风向角

4．4．3 90°风向角

4．5 本章小结

第五章 结论及建议

5．1 本文工作及总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文