大跨屋盖结构开孔风致效应数值模拟研究

摘要

大跨度建筑的屋面结构往往集合自重轻、柔度大、阻尼小、自振频率较低等特点,因而风荷载已成为该类结构设计中的主要控制荷载。特别是屋盖、门、窗等部分围护结构被强风吹开或受损后,由于建筑物上形成开孔,风从开孔涌入,导致建筑物内部风压增大使结构受内、外压共同作用而使建筑的某些部分更容易遭受风致破坏。因此,研究开孔结构的风效应是一个重要课题,对进行大跨空间结构抗风设计具有十分重要的意义。
　　 目前,结构风工程的研究方法主要包括:理论分析,现场实测,风洞试验,数值模拟。风洞模型试验是当前研究建筑风荷载的主要方法和手段。随着计算机的迅速发展,除了继续采用风洞试验这一传统研究手段外,另一种新的研究方法——计算风工程,即所谓“数值风洞”已逐步受到重视,并成为研究热点。
　　 本文首先回顾了国内外关于开孔结构风效应的研究发展情况,并详细阐述了计算流体动力学在结构风工程中运用的有关理论——介绍钝体绕流的基本方程、各种湍流模型以及计算区域与偏微分方程组的离散。本文的核心工作包括:
　　 采用CFX软件平台,基于RANS对一典型大跨度柱面屋盖空间结构模型在稳态流场下进行平均风压数值模拟,研究各墙面及屋盖等围护结构存在开孔时内外压联合作用的情况。模拟结果与依据我国现行的《建筑结构荷载规范》中关于内部压力修正的规定得出的结果进行对比,说明规范中存在的不足之处。最后归纳出大跨度建筑物围护结构风致连续破坏所具有的一些规律。
　　 建筑物围护结构的破坏在很多情况下由脉动风压峰值导致。因此,研究大跨度结构的脉动风荷载特性是研究大跨度结构风致效应的重要问题。本文将在运用RANS模拟建筑平均风荷载的基础之上,采用LES方法对此大跨度柱面屋盖结构的脉动风荷载进行模拟,并进一步探讨此大跨结构存在开孔时的风致内压脉动特性及内外表面风压相关性。
　　 最后针对一个实际工程——国家网球中心新馆,进行数值模拟计算。通过与风洞试验的结果进行相应的比较,讨论风荷载数值模拟方法在大跨度屋面结构的风压计算方面的可行性和优越性。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 引言

1.2 开孔结构风致效应研究状况

1.3 结构风工程中的研究方法

1.4 课题背景及研究内容

1.4.1 课题背景

1.4.2 课题研究的主要内容

2 计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics)理论

2.1 引言

2.2 CFD求解过程

2.3 空气绕钝体流动的基本方程

2.3.1 连续性方程

2.3.2 运动方程

2.3.3 纳维尔—斯托克斯(Navier-stokes)方程

2.4 三维湍流数值模拟方法的分类及简介

2.4.1 三维湍流数值模拟方法分类

2.4.2 直接数值模(Direct Numerical simulation,DNS)简介

2.4.3 Reynolds平均法(RANS)简介

2.4.4 大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)简介

2.5 计算域与偏微分方程的离散

2.5.1 计算区域的离散

2.5.2 偏微分方程组的离散

3 基于RANS的大跨结构的围护结构风致连续破坏数值模拟

3.1 引言

3.2 数值模型的建立

3.2.1 几何建模及模拟工况

3.2.2 边界条件及湍流模型

3.3 模拟结果及分析

3.3.1 模拟结果数据处理

3.3.2 工况一模拟结果与风洞试验结果对比

3.3.3 结构开孔对外压的影响分析

3.3.4 工况一、工况二、工况三模拟结果比较

3.3.5 工况一、工况四模拟结果比较

3.4 本章小结

4 基于LES的大跨结构风荷载数值模拟

4.1 引言

4.2 模拟工况及求解设置

4.3 边界条件设置及流场条件验证

4.3.1 边界条件设置

4.3.2 流场条件验证

4.4 全封闭结构模拟结果分析

4.4.1 模拟结果数据处理

4.4.2 脉动风压系数

4.4.3 脉动风压功率谱

4.5 开孔结构模拟结果分析

4.5.1 开孔结构风致内压分布特性

4.5.2 开孔结构风致内压脉动特性

4.5.3 屋盖结构内外表面风压相关性分析

4.6 本章小结

5 国家网球中心新馆风洞试验及数值模拟分析

5.1 引言

5.2 工程实例简介

5.3 风洞试验简介

5.3.1 风洞设备

5.3.2 试验模型

5.3.3 大气边界层风场的风洞模拟

5.4 数值模型建立

5.4.1 几何模型及网格的划分

5.4.2 边界条件设置

5.4.3 湍流模型

5.5 计算结果与分析

5.6 开合滑动屋盖不同程度开缝状态数值模拟

5.7 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

作者简历

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