建筑物表面风荷载的数值模拟研究

摘要

目前研究建筑物风荷载的分布情况主要有现场实测,风洞试验和数值模拟计算三种方法,其中风洞试验是现阶段的主要手段.利用大气边界层风洞试验方法研究风对土木工程中结构的作用开始于50年代,已经有50多年的历史,研究方法较为成熟.风洞试验方法在风工程的研究和工程领域中发挥了重要作用.计算风工程是随着计算机技术和计算流体力学的发展而出现的,开始于80年代,有了20多年的历史,它自出现起就成为了风工程领域研究和发展的热点,相比较传统方法它具有独特的优势.本文采用风洞模型试验和计算机数值计算相结合的方法,研究内容包括对复杂体型的高层和大跨度结构的表面平均风压分布,简单体型的大跨度平屋面结构的平均和脉动风荷载的计算分析.本文的重点放在了建筑物表面风荷载数值模拟的实现方法,以及使用它进行实际工程问题的风荷载计算的可行性与可靠性讨论上,最后指出了它的不足和需要进一步解决的问题.在本文的研究工作中,平均风荷载的计算对象选取了一个典型的高层和一个大跨度屋面结构,对其建立了实际尺度的刚性模型,选择了合适的网格划分形式,并准确的模拟大气中来流的风剖面.计算用的湍流模型选取了可实现的k-ε模型(Realizable k-ε)并配合非平衡的壁面函数法(non-equilibrium Wall Functions)处理近壁面的湍流状态,计算了这些建筑物表面的平均风压分布,与试验结果进行了比较和分析,取得了比较满意的结果.对于大跨度的屋面结构,还使用了面积分的方法计算了屋盖上的分块风压系数,并将这一实际工程中使用的系数和风洞试验方法得到的相应结果进行了比较析.此外,本文采用了大涡模拟的方法对简单体型的大跨度平屋面结构进行了非定常流场的计算,使用了自回归模型产生了脉动风速的时间序列,并经过无散度化运算和流量修正后将其带入到了实际计算的边界条件当中,该脉动风速的时间序列很好地满足了预先设定的脉动风速谱、空间相关性和连续性方程的要求.计算得到了整个屋面上的风压系数的时程,经过时间统计取得了屋面上的平均风压系数和脉动风压系数,与试验结果的比较证明了从来流模拟到对风荷载计算及数据后处理的方法的正确性,为采用更加精确的来流条件以及对复杂结构的平均和脉动风荷载进行非定常的计算进行了有益的尝试.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1引言

1.2计算风工程的特点

1.3计算风工程的范围

1.4计算风工程的优势

1.5本文的研究背景、方法和主要工作

第二章风荷载数值模拟的基本方法和理论

2.1描述空气绕钝体流动的基本方程

2.1.1运动方程和连续性方程

2.1.2纳维尔－斯托克斯(Navier-stokes)方程

2.2纳维尔－斯托克斯方程的求解方法

2.2.1直接数值模拟(Direct Numerical Simulation,DNS)

2.2.2 N-S方程的时均化及模式理论方法

2.2.3大涡模拟

2.3近壁面的处理

2.4模型的评述

2.5计算区域与偏微分方程组的离散

2.5.1计算区域的离散－有限容积法简介

2.2.2偏微分方程组的离散

2.2.3代数方程组求解中的困难与解决方法

2.2.4代数方程组的求解方法

第三章大复杂高层建筑结构表面风荷载的数值模拟

3.1近地面风的特性

3.1.1大气边界层与平均风剖面

3.1.2脉动风的描述

3.2某对称双塔楼高层建筑表面风荷载的数值模拟

3.2.1风洞试验简介

3.2.2数值模拟计算的方法

3.2.3计算区域的离散－网格划分

3.2.4边界条件的设定

3.2.5计算和求解

3.3计算结果及分析

3.3.1原始风压等值线图

3.3.2风压系数的比较

3.3.4建筑周围流场分布及分析

3.4本章小结

第四章杭州大剧院屋盖结构风荷载数值模拟研究

4.1计算实例简介

4.2风洞试验简介

4.3风荷载的数值模拟计算

4.3.1几何模型的建立

4.3.2网格的划分

4.3.3计算模型的选取

4.3.4边界条件的设定

4.3.5计算和求解

4.4.1风压的计算结果

4.4.2屋面风压分布的分析

4.4.3风压系数的计算

4.4.4分块风压系数的计算

4.4.5误差分析

4.5本章小结

第五章大跨度平屋面结构平均和脉动风荷载的数值模拟

5.1大气边界层中湍流来流的模拟

5.1.1脉动风的性质

5.1.2风洞试验中湍流来流的模拟方法

5.1.3数值模拟方法中使用的湍流来流的模拟方法

5.2利用功率谱和空间相关性来模拟湍流来流的方法

5.2.1谐波合成法

5.2.2自回归法

5.2.3脉动风速的无散度化运算和流量修正

5.3脉动风速模拟的方法的实现

5.3.1边界条件上风速的产生和施加

5.3.2模拟脉动风速的结果和分析

5.4数值计算模型的建立

5.4.1几何模型的建立

5.4.2计算区域的离散

5.4.3湍流模型的选取

5.5计算结果及分析

5.5.2风压系数对时间的统计

5.6本章小节

第六章结论和展望

6.1本文主要结论

6.2进一步工作的设想

致谢

参考文献