复杂高层建筑表面风压的数值模拟研究

摘要

现代高层建筑大量涌现，而且外形独特，截面形式变化各异，正朝着更高，更柔的方向发展。由于高层建筑的特殊性，结构对风荷载的作用敏感，风荷载成为其建筑设计的主要荷载之一，某种情况下甚至成为控制荷载。因此确定建筑物表面风压的情况，进而研究风对结构的作用是十分必要的。
　　 本文基于CFD技术软件Fluent6.2.16对对称双塔建筑、立面不规则等三个复杂高层建筑的表面风压进行了数值模拟。主要进行了以下几个方面的工作：
　　 首先阐述了国内外计算风工程的研究现状和本文的主要研究内容，综述了风对结构的作用和结构静力等效风荷载的基本知识。
　　 然后对CFD数值模拟的基本理论和思路进行了简要介绍：包括结构风压分布模拟的控制方程的建立和离散、流场的数值解法、湍流模拟方法的分类和湍流数值模拟时近壁区的处理方式、以及模拟时的网格生成技术。
　　 最后对三个复杂高层建筑进行了数值模拟，研究双塔建筑的干扰特性和立面不规则结构的的表面风压分布。建立几何模型时，设置合理的计算流域大小，划分非结构网格；计算时，采用指数律风速剖面模拟来流情况，选取RNGk-ε湍流模型配合标准壁面函数，压力速度耦合采用SIMPLEC算法，对流项的离散采用二阶迎风格式。本文模拟了不同风向角作用下建筑表面风压，共24个工况。分析了建筑表面风压系数Cp随风向角的变化以及随高度的变化规律，并与风洞试验结果进行比较，二者吻合良好。并得出结论：双塔建筑左塔楼位于来流风前端时，右塔楼对左塔楼各表面风压的影响不大。但在较小风向角时，连廊会对相邻位置的表面风压产生较大影响；右塔楼位于来流风后端时，左塔楼对右塔楼表面风压的干扰在各个风向角下大小不一。风向角是影响双塔建筑表面风压分布的一个重要因素。而立面不规则变化建筑上缩进层的存在，使迎风面缩进层高度处测点的平均风压系数产生突变，也会使侧面和背面风压特性发生变化。
　　 本文的数值模拟的研究结果可以为实际工程的分析和设计提供很有益的参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2风工程的研究方法

1.3数值模拟研究风工程的现状

1.3.1国外方面

1.3.2国内方面

1.3.3发展趋势

1.4本文主要工作

第二章结构风荷载和风效应

2.1基本风速和风压

2.2大气边界层内风的特性

2.2.1平均风剖面

2.2.2脉动风特性

2.3风对结构作用

2.4结构顺风向静力等效风荷载和平均风压系数

2.5本章小结

第三章结构风压分布模拟的控制方程

3.1湍流的流动特性和基本方程

3.1.1风的流动特性

3.1.2大气风流动的基本控制方程

3.2风湍流的数值模拟方法

3.2.1直接数值模拟

3.2.2大涡模拟(LES)

3.2.3 Reynolds平均法

3.3湍流模型

3.3.1涡粘模型

3.3.2 Reynolds应力模型

3.4湍流近壁面处理方法

3.4.1近壁区流动

3.4.2壁面函数法

3.5本章小结

第四章数值计算方法

4.1网格生成技术

4.1.1网格生成技术的发展

4.1.2结构网格和非结构网格

4.1.3自适应网格技术

4.2控制方程的离散

4.2.1有限体积法

4.2.2离散格式

4.3流场数值解法

4.3.1 SIMPLE算法

4.3.2 SIMPLEC算法

4.4欠松弛技术

4.5本章小结

第五章复杂高层建筑表面风压特性

5.1风洞试验

5.1.1试验情况简介

5.2对称双塔建筑数值模拟

5.2.1计算模型

5.2.2网格系统

5.2.3边界条件

5.2.4数值模拟

5.2.5计算结果及分析

5.2.6数值模拟与试验结果比较

5.3沿高度阶梯变化建筑数值模拟

5.3.1计算模型及网格划分

5.3.2计算结果分析

5.3.3数值模拟与试验结果比较

5.4沿高度收缩变化建筑数值模拟

5.4.1计算模型及网格划分

5.4.2计算结果及分析

5.4.3数值模拟与试验结果对比

5.5本章小结

第六章结论与展望

6.1本文工作总结

6.2进一步的工作

6.3总结与展望

参考文献

后记

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况