下击暴流作用下大跨马鞍形屋盖风荷载特性研究

摘要

近年来，下击暴流此类极端天气现象由于全球变暖越来越频发，我国幅员辽阔，气候复杂，在我国西南、华南、以及西藏的东部，更是频繁发生。下击暴流风场平均风速在近地面会达到极值，具有很强的破坏力，会对建筑结构造成巨大破坏。针对下击暴流此类风荷载，开展建筑结构表面风荷载特性研究就显得十分必要。　　由于大跨屋盖结构体量庞大、钝体形态突出，风场遇到其阻碍时，会形成明显的撞击、分离、再附着以及漩涡脱落等特征湍流，而且大跨屋盖结构高度较低，往往处于下击暴流风速强劲的区域，这使得下击暴流对其风荷载作用更为明显。结构表面的风荷载特性与来流特性也不再一致，风荷载作用机理将会更加复杂，给明确结构表面的风荷载特性带来很大困难，且目前下击暴流作用下大跨空间结构表面风载的研究相对较少。为此，文章结合风洞试验装置与CFD数值模拟技术，对下击暴流作用下马鞍面的风载特性进行相关研究，主要工作与结论如下：　　（1）以菱形、椭圆形、圆形马鞍面为研究对象，分别制作刚性测压模型，利用下击暴流风洞装置进行刚性模型风压测试。研究了三种造型马鞍面模型与出流口间各径向距离、各风向角工况下的风压分布规律。　　（2）通过CFD数值模拟技术，利用ICEM划分六面体结构化网格，采用雷诺平均法，选用RNGk-ε模型对下击暴流风场进行数值模拟；对其作用下试验相同研究对象、相同工况进行模拟研究，并结合模型周围风场流动情况，分析研究不同造型马鞍面模型表面风压分布规律。　　（3）将数值模拟结果与试验结果进行对比发现，两者结果在总体趋势上吻合较好，而在迎风面与背风面屋檐等气流分离较为强烈的区域风压系数值误差稍大。　　研究结果表明风向角是影响风压分布规律的最主要因素，各风向角下屋盖均主要受风吸力作用，三种造型模型负压极值均出现在0°到15°风向角下。相同工况下，椭圆形模型屋盖表面负压系数最小，菱形次之，圆形最大。　　径向距离主要影响了风压系数极值，越靠近风暴中心，屋面所受正压越大，而负压值则在1.00Djet到1.25Djet达到最大。

目录

声明

1 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2下击暴流风场特征

1.3下击暴流研究现状

1.3.1现场实测

1.3.2理论模型研究

1.3.3试验研究

1.3.4数值模拟

2 下击暴流风场数值模拟

2.1 CFD基本控制方程

2.2湍流求解基本方法

2.3湍流模型介绍

2.4计算方程的离散方法介绍

2.4.1离散方法

2.4.2近壁面网格处理

2.5下击暴流风场数值模拟

2.6小结

3 下击暴流对建筑作用的试验研究

3.1引言

3.2下击暴流风载试验

3.2.1试验装置

3.2.2下击暴流模型参数及模型测点布置

3.2.3试验工况设计

3.3下击暴流作用下圆形马鞍面风荷载分布规律

3.3.1风向角对圆形马鞍面风荷载影响的试验研究

3.3.2径向距离对圆形马鞍面风荷载影响的试验研究

3.4下击暴流作用下椭圆形马鞍面风荷载分布规律

3.4.1风向角对椭圆形马鞍面风荷载影响的试验研究

3.4.2径向距离对椭圆形马鞍面风荷载影响的试验研究

3.5下击暴流作用下菱形马鞍面风荷载分布规律

3.5.1风向角对菱形马鞍面风荷载影响的试验研究

3.5.2径向距离对菱形马鞍面风荷载影响的试验研究

3.6小结

4 风向角对建筑表面风荷载影响的数值模拟

4.1引言

4.2 数值模拟工况设计

4.3圆形马鞍面屋盖风荷载分布特性

4.3.1计算模型网格划分及边界条件设置

4.3.2建筑周围风场特性

4.3.3 CFD计算结果分析

4.3.4 CFD与试验结果对比

4.4椭圆形马鞍面屋盖风荷载分布特性

4.4.1计算模型网格划分及边界条件设置

4.4.2建筑周围风场特性

4.4.3 CFD计算结果分析

4.4.4 CFD与试验结果对比

4.5菱形马鞍面屋盖风荷载分布特性

4.5.1计算模型网格划分及边界条件设置

4.5.2建筑周围风场特性

4.5.3 CFD计算结果分析

4.5.4 与试验结果对比

4.6小结

5 径向距离对建筑表面风荷载影响的数值模拟

5.1引言

5.2 数值模拟工况设计

5.3圆形马鞍面屋盖风荷载分布特性

5.3.1建筑周围风场特性

5.3.2 CFD计算结果分析

5.3.3 与试验结果对比

5.4椭圆形马鞍面屋盖风荷载分布特性

5.4.1建筑周围风场特性

5.4.2 CFD计算结果分析

5.4.3 与试验结果对比

5.5菱形马鞍面屋盖风荷载分布特性

5.5.1建筑周围风场特性

5.5.2 CFD计算结果分析

5.5.3 与试验结果对比

5.6小结

6 结论与展望

6.1研究结论

6.2研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果