结构在下击暴流作用下风荷载模拟及其动力响应分析

摘要

下击暴流又称雷暴冲击风，是一种不是很常见的突发型气候现象，常常不会引起人们的注意，但是往往会导致很严重的破坏结果。所以在建筑设计时有必要考虑下击暴流的作用。
　　 本文就以国家重大建设项目--三门核电站主厂房为例通过数值风洞模拟得到其在下击暴流风场中的荷载时程，再通过有限元时程分析计算得到其在下击暴流作用下的动力响应。
　　 本文首先介绍了下击暴流的形成机理、主要特征及其对结构的作用、下击暴流的研究现状及研究意义。介绍了下击暴流的流场特征、理论研究现状、两种物理模型环形涡流模型及碰撞壁流模型，并着重介绍了以碰撞壁流模型为基础得到的径向水平风速的水平和竖直风速剖面的经验公式。这些研究成果为在关于下击暴流气流理论研究方面奠定了基础。也给风工程领域的研究提供了更好的平台。
　　 基于计算流体动力学，文章给出了流体动力学的基本控制方程包括连续方程、动量方程、能量方程。由于近地层大气可以近似地看作是牛顿粘性的不可压缩流体，从而得到大气风流动的基本控制方程。根据风的湍流特性，提供了现有的三种数值模拟方法：DNS、LES、PANS。在介绍完以上基础理论之后，应用LES数值模拟方法模拟了下击暴流的风场并将模拟结果与现存的下击暴流的风速模型进行比对，证实了LES数值模拟方法应用于下击暴流问题的可靠性。
　　 通过数值风洞方法模拟方法得到了主厂房在下击暴流中心位置和偏离下击暴流中心位置两种工况时的下击暴流荷载时程，同时介绍了厂房的数值模型，详细说明了厂房的几何模型、网格划分情况、数值风洞设置的边界条件及计算结果的数值处理方法等。
　　 最后运用结构分析软件ANSYS建立了三门核电站主厂房的三维立体模型，对厂房进行了模态分析。根据计算得到的主厂房在下击暴流作用下的两种工况荷载时程，分别计算了主厂房在这两种工况下下击暴流载荷作用下的动力响应。从计算结果可知三门核电主厂房在下击暴流这两种工况作用下变形均满足规范要求。