基于异形复杂高层项目的数值风洞研究

摘要

广东省沿海地区经济较为发达，频现高度超限、体型怪异的建筑，加之该地区风灾频发，大部分建筑以风控为主，但目前抗风研究远落后于抗震，规范对抗风的要求也远松于对抗震的要求。因而开展对高层建筑的抗风研究有着重大的意义。
　　随着计算机技术的飞速发展，计算机的处理能力有了长足的进展，从而使得在工程上应用数值风洞模拟技术（CFD模拟技术）成为了可能。数值风洞试验具备廉价、可视化、足尺模拟、场地不受限制等特点，若能广泛推广必然可令抗风设计进入新的阶段。但目前数值风洞技术仍存在着较多的问题，湍流模型的缺陷、试验方法及参数设置的不统一往往令工程人员质疑其试验结果的可靠性。
　　为保证新建高层建筑的抗风性能，深化对建筑风荷载分布的理解，加速数值风洞技术的成熟，本文以实际工程项目为背景，进行数值风洞技术及结构抗风方面的研究。主要工作内容如下:
　　1.对比中国、美国、欧洲、日本四国的风荷载相关规范，研究其特点及差异，深化对我国规范算法的理解，同时提出改进建议。
　　2.设计18组CAARC标准高层建筑的风洞试验，验证数值风洞技术的可靠性。同时对不同湍流模型的模拟精度进行分析，并针对具体工程情况，给出湍流模型的优选建议。
　　3.从大量的试验对比中总结出较具一般性的网格尺寸要求，包括流域的体网格要求、建筑表面网格要求、壁面边界层网格要求等。
　　4.对惠州金山湖项目进行数值风洞试验研究，分析其荷载分布情况及结构响应，给结构抗风优化提出针对性的建议。同时，拟合出该体型的风压体型系数，供类似建筑参考使用。
　　5.对巽寮湾云顶山间项目进行数值风洞试验研究，分析其荷载分布情况及结构响应，提出结构抗风优化建议。
　　6.将风洞试验结果与规范近似方法计算结果进行对比，分析其差异存在的原因，表明数值风洞的重要意义。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 背景

1．1．1 环境背景

1．1．2 技术背景

1．1．3 工程背景

1．2 数值风洞发展进程及现状

1．2．1 定常风

1．2．2 非定常风

1．2．3 小结

1．3 本文主要内容

第二章 中、美、欧、日平均风速／风压的对比

2．1 风荷载标准值表达式的对比

2．1．1 中国规范

2．1．2 美国规范

2．1．3 欧洲规范

2．1．4 日本规范

2．1．5 汇总对比

2．2 基本风速和风压

2．2．1 风速的平均时距对比

2．2．2 信号采集的环境标准对比

2．2．3 重现期及保证率的分析与对比

2．2．4 四国基本风速和基本风压的转换

2．3 风剖面及相关系数的对比

2．3．1 风剖面函数的对比

2．3．2 环境类别的对比

2．3．3 基本风速剖面形状的对比

2．4 风压系数的对比

2．4．1 矩形平面

2．4．2 扇形平面

2．5 本章总结

第三章 CFD数值模拟技术及可靠性分析

3．1 流体计算域的设计

3．2 湍流模型对比

3．2．1 直接数值模拟法(DNS)

3．2．2 大涡模拟法(LES)

3．2．3 雷诺平均法(RANS)

3．3 近壁面处理方法及其网格要求

3．4 数值风洞可靠性验证及相关研究

3．4．1 CAARC标模简介

3．4．2 传统物理风洞经验的利用

3．4．3 以往CAARC数值模拟的总结

3．4．4 CAARC标模试验设计

3．4．5 风速及湍流强度校核

3．4．6 试验方案的模拟精度校核及分析

3．4．7 不同对流项格式的影响

3．4．8 建筑周边网格密度的影响性研究

3．4．9 建筑表面网格尺寸的相关性研究

3．4．10 SST和RSM湍流模型的精度对比

3．4．11 风速、雷诺数及y+值的影响研究

3．4．12 建筑表面风压系数分布

3．4．13 数值风洞模拟建议

3．5 本章总结

第四章 基于惠州金山湖项目的数值风洞研究

4．1 工程概况及风向定义

4．2 中规近似算法

4．3 日规近似算法

4．4 数值模拟边界条件

4．5 流域设计及网格划分

4．6 风速及湍流强度校核

4．7 模拟精度分析

4．8 平均风压模拟结果分析

4．8．1 风压转换说明

4．8．2 风压系数与体型系数

4．8．3 0°风向角平均风压分析

4．8．4 45°风向角平均风压分析

4．8．5 90°风向角平均风压分析

4．9 不同算法下平均风力对比

4．9．1 层风力范围定义

4．9．2 0°风向角

4．9．3 90°风向角

4．10 结构响应分析及对比

4．10．1 风振系数的对比

4．10．2 0°风向下结构响应对比

4．10．3 90°风向下结构响应对比

4．10．4 45°风向下的结构响应分析

4．11 本章结论

第五章 巽寮湾云顶山间项目的风载研究

5．1 工程概况

5．1．1 建筑外形

5．1．2 风速及风压换算

5．2 数值模拟边界条件

5．3 流域设计及网格划分

5．3．1 流域设计

5．3．2 风向说明

5．3．3 网格方案

5．4 风速及湍流强度校核

5．5 模拟精度分析

5．6 各风向角平均风载分析

5．6．1 风压及风力转换说明

5．6．2 建筑区域编号

5．6．3 0度风向角

5．6．4 45度风向角

5．6．5 90度风向角

5．6．6 135度风向角

5．6．7 180度风向角

5．6．8 225度风向角

5．6．9 270度风向角

5．6．10 315度风向角

5．7 数值模拟与规范间的对比

5．8 悬挑板风载统计及分析

5．9 各风向下结构位移响应分析

5．9．1 风振系数的求解与对比

5．9．2 结构求解软件及荷载说明

5．9．3 结构位移分析

5．9．4 层间位移角分析

5．9．5 位移比分析

5．10 本章结论

结论与展望

全文结论

展望

参考文献

在学期间发表的与学位论文内容相关的学术论文

声明

致谢