典型空间结构气动形态与风压分布研究

摘要

目前，复杂形体的大跨空间结构体系的抗风设计仍主要以风洞试验为依据，该方法在缩尺试验中一些相似参数的模拟和一些物理量的精确观测可能具有一定的局限性，并且随着结构跨度及结构柔性的增大而显得越来越困难。随着计算机硬件水平的飞速发展和计算流体动力学CFD(Computational FluidDynamics)技术的不断完善，出现了与风洞试验相对应的数值模拟方法——计算数值模拟技术。与传统风洞试验相比，该方法是利用CFD技术在计算机上模拟结构周围风场的变化并求解结构表面的风压分布，已成为结构风工程研究的重要方向之一。 本课题对典型的空间结构气动形态与风压分布进行研究，以期对典型外形下空间结构风压分布规律有所认识。大跨空间结构屋面形式及屋面结构的几何参数对屋面风压分布有着重大影响，不同形式的屋面，表面风压分布规律和数值有很大区别。因此，本文系统收集了国内外具有典型空间结构外形的风洞试验数据，并比较分析各种空间结构典型外形在不同几何外形参数下表面风压分布的变化规律；在既有风洞试验数据的基础上，通过CFD技术对屋面风压分布进行了数值模拟，并与风洞试验数据进行对比分析，验证了所选取的湍流模型在大跨空间结构数值模拟中的合理性，并系统研究了场地类型对结构屋面风压分布的影响规律。 在此基础上，针对现有风洞试验对外形参数研究的有限性，利用CFD技术系统地进行数值模拟和分析比较，分别研究了矢跨比、高跨比、长跨比等形状比例参数对典型形体空间结构的屋面风压分布的影响规律，可为大跨空间结构风压分布规律确定及气动优化设计提供参考。最后，对下一步工作的研究方向进行了简单的讨论。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究课题的提出

1.2大跨空间结构的发展历史与应用现状

1.3大跨度空间结构风荷载作用的特点

1.4 大跨度空间结构风荷载研究方法

1.5 计算风工程的特点及发展现状

1.5.1计算风工程的特点

1.5.2国内外研究现状及发展动态

1.6 研究背景和内容

1.6.1研究背景

1.6.2研究内容

第二章 CFD数值模拟技术的基本原理

2.1 CFD数值模拟技术概述

2.1.1常用的数值离散化方法

2.1.2常用的CFD计算软件

2.2数值模拟中的数学模型

2.2.1质量守恒方程

2.2.2动量守恒方程

2.2.3湍流的控制方程

2.3三维湍流的数值模拟方法

2.3.1涡粘模型

2.3.2标准K-ε两方程模型

2.3.3 RNG K-ε模型

2.3.4 Realizable K-ε模型

2.3.5 LES模型

2.3.6不同湍流模型分析比较

2.4湍流模型的近壁面处理方法

2.4.1壁面函数法

2.4.2低Re数k-ε模型

2.4.3两种方法的比较

2.5本章小结

第三章典型大跨空间结构屋面风压分布风洞试验研究总结

3.1前言

3.2球面屋盖风洞实验

3.2.1基本结论

3.3柱面屋盖风洞实验

3.3.1基本结论

3.4鞍形屋盖风洞实验

3.4.1基本结论

3.5悬挑屋盖风洞实验

3.5.1基本结论

3.6本章小结

第四章典型大跨空间结构屋面三维风场数值模拟合理性研究

4.1前言

4.2 FLUENT关键参数设定

4.2.1计算域

4.2.2求解器

4.2.3边界条件

4.2.4网格划分

4.3球面屋盖的三维数值模拟

4.3.1几何模型及网格划分

4.3.2边界条件

4.3.3计算结果及分析

4.4柱面屋盖的三维数值模拟

4.4.1几何模型及网格划分

4.4.2边界条件

4.4.3计算结果及分析

4.5鞍形屋盖的三维数值模拟

4.5.1几何模型及网格划分

4.5.2边界条件

4.5.3计算结果及分析

4.6悬挑屋盖的三维数值模拟

4.6.1几何模型及网格划分

4.6.2边界条件

4.6.3计算结果及分析

4.7本章小结

第五章典型大跨空间几何外形参数对屋面风压分布的影响研究

5.1前言

5.2球面屋盖的参数分析

5.2.1高跨比的影响

5.2.2矢跨比的影响

5.3柱面屋盖的参数分析

5.3.1高跨比的影响

5.3.2长跨比的影响

5.3.3矢跨比的影响

5.4鞍形屋盖的参数分析

5.4.1高跨比的影响

5.4.2矢跨比的影响

5.5悬挑屋盖的参数分析

5.5.1长宽比的影响

5.5.2屋面倾角的影响

5.5.3看台高度的影响

5.5本章小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文