不同横截面高层建筑全风向气动性能CFD数值模拟研究

摘要

高层建筑结构与一般建筑、构件物不同，随着高度的不断增加，其抗风问题变得越来越突出。多年来高层建筑抗风评价主要是通过风洞试验开展，但随着计算机技术和计算风工程方法的快速发展，通过数值风洞来研究高层建筑气动特征已成为风洞试验之外的另一重要研究手段。高层建筑抗风的研究方法已从二维和定常模拟向三维和非定常研究发展。高层建筑的气动外形对结构的抗风性能有很大影响，国内外对高层建筑的修正外形如开孔、削角、凹角进行过一系列研究，但对其全风向气动性能研究较少。基于此，本文对六种不同截面（方形、矩形及10％修正率的削角、凹角截面），进行了全风向二维数值模拟计算，并对比分析了零度风向角下三维大涡模拟计算结果与二维模拟结果的差异。研究不同截面的绕流特性和气动性能参数，分析了静力三分力系数、表面压力系数及斯托罗哈数等气动参数，并比较了不同截面在气动性能方面的优劣。本文主要研究内容和结论如下:
　　首先，利用雷诺平均法(RANS)的k-ωSST模型计算了不同截面的二维绕流特性，与已有文献结果相对比验证计算方法的可行性，并研究了零度风向角下各截面的静力三分力系数、表面压力系数及分布和斯托罗哈数等;计算了不同截面的雷诺数效应，发现在亚临界区间内静力三分力系数随雷诺数变化波动较小，斯托罗哈数也变化不大。
　　其次，通过二维数值模拟得到了不同截面全风向绕流特性，研究了三分力系数、斯托罗哈数随风向角变化的规律曲线。方形截面和其削角、凹角截面相比较，削角、凹角截面可以有效减少气动阻力，其中削角截面阻力性能更为优越，在低风速下可以减小阻力达30％。矩形削角、凹角截面斯托罗哈数随风向角增加一路减少，并且在低风向角下平均阻力系数比矩形截面小，说明了修正的矩形截面也可以有效减小气动阻力。
　　最后，通过大涡模拟方法模拟了不同截面柱体结构的三维绕流问题，也对缩尺比为1∶600的方形和矩形截面高层模型进行了数值模拟，研究了三分力系数、压力分布系数和斯托罗哈数的相关规律，与二维计算结果相对比，本文计算结果与相关实验结果比较吻合，更好捕捉了钝体结构的真实绕流特性，说明了进行三维数值模拟的必要性。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外高层建筑抗风研究现状

1．2．1 建筑抗风的研究方法

1．2．2 高层建筑计算风工程的研究背景

1．3 高层建筑气动外形研究现状

1．3．1 高层建筑气动外形的研究背景

1．3．2 矩形柱体不同风向角下绕流研究

1．4 本文主要研究内容

第2章 湍流模型及求解方法

2．1 引言

2．2 流体动力学控制方程

2．2．1 质量守恒方程

2．2．2 动量守恒方程

2．3 湍流模拟方法以及湍流模型

2．3．1 湍流模拟方法

2．3．2 湍流模型

2．4 控制方程的求解

2．5 边界条件的处理

第3章 零度风向角下不同截面二维绕流数值模拟

3．1 引言

3．2 方形截面计算模型及计算结果分析

3．2．1 方形截面计算模型及其优化

3．2．2 方形截面压力系数分布

3．3 不同截面模型二维绕流数值结果分析

3．3．1 平均风压系数和脉动风压系数

3．3．2 静力三分力系数和斯托罗哈数

3．3．3 不同截面的绕流特性

3．4 不同截面绕流雷诺数效应

3．5 本章小结

第4章 全风向下不同截面二维绕流数值模拟

4．1 引言

4．2 方形截面在全风向数值模拟结果分析

4．2．1 方形截面计算模型及计算域划分

4．2．2 方形截面计算结果分析

4．3 不同截面全风向数值计算结果分析

4．3．1 不同截面计算模型定义及计算域划分

4．3．2 气动力参数与斯托罗哈数数值模拟结果

4．3．3 不同截面的绕流特性

4．4 本章小结

第5章 零度风向角下不同截面柱体三维数值模拟

5．1 引言

5．2 大涡模拟的亚格子应力模型

5．3 方柱三维数值模拟

5．3．1 方柱二维计算流体域及网格划分

5．3．2 三维计算域网格划分

5．3．3 三维数值模拟计算结果分析

5．4 不同截面柱体的三维数值模拟结果分析

5．4．1 平均风压系数和脉动风压系数

5．4．2 静力三分力系数和斯托罗哈数

5．4．3 不同三维柱体的绕流特性

5．5 典型方形和矩形截面高层数值模拟

5．6 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢