建筑结构风压三维非定常分析的并行数值模拟研究

摘要

20世纪80年代以来，结构风工程(CWE)领域的研究者开始基于空气动力学原理，采用计算流体动力学(CFD)的风工程数值模拟技术计算处在大气边界层底层呈现高度湍流特征的钝体建筑结构绕流流场。同济大学、浙江大学、东南大学等高校和研究机构进行了大量的高层、大跨建筑结构风场的数值模拟，数值模拟技术以其显著的优势和展现出的良好前景在结构风工程领域的研究中引起了越来越多的重视，并承担起越来越重要的角色。 目前国内外的结构风工程的数值模拟主要集中在风场的定常数值模拟，迄今为止高层建筑高雷诺数的三维非定常风场数值模拟还未见有报道，大跨屋盖结构表面风压的非定常数值模拟方面的研究工作也才处于起步阶段。 从严格意义上讲，几乎所有的漩涡流动都是非定常的，或者说至少具有某种弱的非定常特性。非定常流与漩涡是自然界最普遍存在的流体运动形式，非定常流所主要研究的是流动特性随时间变化的物理过程，在非定常情况下，由于每一时刻流场的状态既与该时刻的流场边界条件有关，又依赖于流场初始条件和流动的整个历史过程，因此，从本质上它比定常流动要复杂的多。 结构风工程领域中的许多问题，比如高层建筑尾流中的漩涡脱落以及横风向振动现象，建筑物在风灾天气下，门、窗、幕墙等围护结构破坏后，风从开孔处涌入导致内压突然增大的过程，这些现象的研究是定常数值模拟根本无法完成的。 本文基于PC机群并行技术，采用非定常数值模拟技术对上面两个实际工程问题进行了研究。 结构风工程所涉及的一般都是高雷诺数问题，雷诺数一般都在千万数量级。高雷诺数计算对网格数量要求较大，特别是三维非定常计算，需要大空间模拟、短时间步捕捉，所需的网格单元、节点数量均在百万以上，在目前的计算机硬件发展水平下，只有通过大型服务器或并行计算功能才能满足计算资源的要求。为了解决三维非定常数值模拟对计算资源的较高要求，本文采用了普通微机和局域网为基础，在一定的网络并行环境下搭建了PC机群系统作为并行计算平台，很好的满足了三维非定常数值模拟对计算资源的需求。并针对异构计算结点组成的PC机群并行计算平台，提出了负载平衡技术的数学模型，优化了并行计算平台，提高了计算效率。 针对风洞试验中观测到的高层建筑模型尾部的有规律的漩涡脱落现象，基于所搭建的PC机群并行计算平台，实现了单台微机无法实现的高层建筑三维非定常风场数值计算。采用SST湍流模型进行数值计算，捕获到了高层建筑尾流的漩涡脱落现象，并与风洞试验数据做了比较。三维非定常计算获得了高层建筑表面风压，特别是横风向风压的变化规律。并且与三维定常和二维非定常数值计算所得的风场进行了比较，发现三维非定常计算能更真实地反映风场流动情况。 运用动网格技术对一大跨屋盖结构在迎风面围护结构突然开孔破坏，伴随局部围护结构逐渐缺失的过程中风从开孔处涌入，以及局部围护结构完全缺失破坏后建筑物内外风压逐渐稳定的过程进行了三维非定常风场数值计算。记录了大跨屋盖结构屋盖内外表面风压变化的时程曲线，并与围护结构破坏前的封闭的屋盖结构的风压进行了比较，获得了突然开孔时大跨屋盖结构内外表面风压响应的规律，为大跨屋盖结构的可靠设计提供了参考。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1自然界风的非定常特性及其对结构的作用

1.2计算风工程中非定常数值模拟的研究现状

1.3建筑结构风压分布非定常分析研究的意义

1.3.1建筑结构的横风向振动研究

1.3.2大跨度屋盖结构突然开孔风致内压研究

1.4计算流体动力学中并行计算技术的发展现状

1.4.1并行计算流体力学的推动力

1.4.2国内外研究现状

1.4.3国外超级计算中心在CFD方面的主要研究和应用领域

1.5本文的主要研究工作

参考文献

第二章结构风压非定常分析的理论和基本方法

2.1非定常流的数值模拟

2.2结构风压数值模拟的控制方程

2.2.1流体动力学控制方程

2.2.2非定常数值模拟的控制方程

2.2.3大气风流动的基本控制方程

2.3非定常数值模拟的研究方法

2.3.1 DNS数值模拟方法

2.3.2 LES数值模拟方法

2.3.3 RANS数值模拟方法

2.4风湍流时均流动的基本方程

2.4.1湍流方程的雷诺平均法

2.4.2动网格守恒方程

2.4.3 RANS中湍流模型的分类

2.5 RANS中适合结构风工程的湍流模型

2.5.1重整化群k-ε模型

2.5.2可实现k-ε模型

2.5.3剪应力输运模型

2.5.4雷诺应力模型

2.6绕建筑物流动和非定常尾迹

2.6.1绕建筑物流动和横风向响应

2.6.2圆柱绕流和漩涡脱落现象

2.6.3涡量

2.7本章小结

参考文献

第三章建筑结构风压非定常分析基于机群并行计算平台的实现

3.1建筑结构风压非定常分析中采用并行计算的必要性

3.2并行计算的概念

3.2.1基本概念

3.2.2 Amdahl定律与Gustafson修正

3.3 CFD并行计算的基本原理

3.3.1 CFD并行计算的基本原理

3.3.2基于区域分割的Parallel CFD的基本思想

3.4并行计算机的分类

3.4.1按指令和数据分类

3.4.2按存储方式分类

3.4.3并行计算机机群

3.5并行计算硬件环境和软件环境

3.5.1硬件并行环境

3.5.2软件并行环境

3.6并行计算平台搭建

3.6.1并行硬件环境

3.6.2并行软件环境

3.7负载平衡技术研究与并行计算平台性能测试

3.7.1负载平衡技术概述

3.7.2负载平衡的数学模型

3.7.3并行计算平台负载平衡与性能测试

3.8本章小结

参考文献

第四章高层建筑及其围护结构风压的非定常数值模拟

4.1工程背景

4.2二维方形建筑物的非定常绕流的数值模拟

4.2.1几何模型和计算网格

4.2.2湍流模拟

4.2.3边界条件

4.2.4计算结果

4.3三维高层建筑非定常数值模拟

4.3.1几何模型和计算网格

4.3.2湍流模拟

4.3.3边界条件

4.3.4并行计算

4.3.5模拟结果及分析

4.4本章小结

参考文献

第五章大跨度屋盖建筑突然开孔风致内压的非定常数值模拟

5.1工程背景

5.2大跨屋盖建筑的物理模型

5.3计算模型描述

5.3.1几何模型和计算网格

5.3.2湍流模拟

5.3.3边界条件

5.4模拟结果与分析

5.4.1定常计算结果

5.4.2非定常计算结果

5.5本章小结

参考文献

第六章总结与展望

6.1全文总结

6.2研究展望

作者简介

致谢