基于大涡模拟与风洞试验的超高层双塔建筑风荷载特性研究

摘要

近些年来,随着轻质高强材料和新技术的涌现,在各个大城市中心出现了越来越多的超高层建筑,其中有不少双塔形式的建筑。对于超高层建筑的抗风设计,难点在于风荷载的确定。在进行结构的风荷载计算时,我国的荷载规范只给出了单体建筑风荷载的计算方法,对于周边建筑群、复杂的山地地形以及相邻建筑物对结构风荷载的影响则是进行了简化考虑,对于柔度大、对风的响应十分敏感的超高层而言,这往往不足以保证结构的安全性以及舒适性。因此,通常需要通过风洞试验以及数值风洞模拟对风荷载进行估计并指导工程设计。
　　根据对湍流的求解方法的不同,CFD的数值模拟方法通常可以分为:直接求解法(DNS)、大涡模拟法(LES)、雷诺平均法(RANS)。大涡模拟法是三者中兼顾精度以及计算效率的计算方法。本文从大涡模拟以及风洞试验这两个方面入手,对超高层双塔建筑风荷载特性展开研究。
　　本文的主要研究内容如下:
　　①数值风洞入口来流脉动风是否能够真实还原目标风场特性,关系到大涡模拟的成败,因此入口边界条件的模拟是大涡模拟的一个关键问题。本文基于谐波合成法对大涡模拟数值风洞的来流脉动风进行模拟,并运用流体动力学软件——FLUENT进行大涡模拟计算。将数值风洞中不同位置处的风场特征与规范中相应地貌的风场特征进行比较,验证了这种来流脉动风模拟方法的可行性以及与真实流场的近似性。
　　②以重庆东方国际广场为工程背景,进行四种工况、每种工况32个风向角的风洞试验。对不同工况下的体型系数、脉动风压系数、层无量纲气动力系数以及层风荷载功率谱的特性进行对比,研究了周边建筑群、山地地形对建筑表面风压特性的影响,其结果可以作为工程设计的参考。
　　③基于大涡模拟方法并结合谐波合成法模拟数值风洞来流脉动风,并应用FLUENT软件对重庆东方国际广场进行大涡模拟计算。分析了建筑周围的绕流特性、建筑表面平均风压系数的分布特征、层无量纲气动力系数以及层风荷载功率谱特性。并将数值模拟得到的建筑风荷载结果与风洞试验结果进行比较分析。