基于不同入口风模拟算法的高层建筑气动弹性分析

发布时间：2020-08-18 09:57

【摘要】：随着科学技术的不断发展,高层建筑的高度不断增加,建筑结构特性向着更柔、更轻、阻尼更小的方向发展,受风荷载的影响更加明显,如何准确地控制建筑表面风荷载对结构安全性和舒适性的影响,为建筑结构抗风设计提供准确数据,CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟成为了最主要的研究方法之一,其中大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)是计算风工程中研究湍流运动的一种重要手段。本文针对大涡模拟的湍流入口风进行研究,采用一种线性过滤法生成各向异性的脉动风速时程,并研究CAARC标模的风荷载;同时提出流固耦合技术方案,采用较成熟的DSRFG脉动风作为入口边界进行标模的刚性和柔性工况下的风压系数、层风力功率谱的分析对比,完善数值模拟研究的方式。本文主要研究内容如下:(1)介绍了风工程、大气边界层和CFD数值模拟的基本理论和方法。本文首先对流体风的控制方程作了阐述,然后研究大气边界层风场的特性,对风场中需要考虑的平均风速、湍流强度、积分尺度和雷诺应力等参数作了详细解释;介绍大涡模拟入口风的几种重要方法和满足的运动方程,介绍了Fluent软件的操作流程。(2)提出一种线性滤波法生成入口边界湍流风速时程,详细描述了整个模拟算法的形成过程,明确了如何满足风场特性参数、时间和空间相关性的方式,提供了一种较好的随机数生成方式满足脉动风速的随机性,并通过对CAARC标准高层建筑模型进行大涡模拟分析,得到的平均风压系数与实验数据相近,得到的顺风向、横风向、扭矩层风力谱均具有较好的模拟结果,建筑周围的涡旋情况符合实际湍流风场,说明本方法得到的湍流风场较符合实际。(3)通过进行k-ε模型的非定常表面风荷载模拟,并与采用LES模型进行非定常表面风荷载的模拟结果进行对比分析,发现LES在计算结果上比k-ε模型更精确,风压系数在转角处变化效果更准确;层风力谱中,顺风向曲线差异较大,横风向曲线和扭矩曲线基本相似。(4)设计了一套流固耦合计算方案,通过自定义函数加载到Fluent14中,在建筑模型周围设置ALE动网格区域,同时采用混合网格的划分方式,不仅减小了动网格更新数量,而且利用六面体网格收敛快、精度高的特性从整体上缩短了计算时间。结合DSRFG脉动入口风,采用LES模拟了CAARC模型的风荷载,通过刚性模型与柔性模型的计算结果对比,可知刚性模型与柔性模型表面平均风压分布规律相似,并且层风力谱中顺风向和横风向荷载功率也基本一致,仅柔性模型工况中扭矩功率谱在一段频率段中保持稳定值,且柔性模型中扭矩受顺风向风荷载影响更大一些。总体来看,采用本文流固耦合方案进行高层建筑气动弹性分析的总体效果良好。
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU973.32
【图文】：

超高层建筑

建筑结构受风的影响

ABL分层（1）ABL下面靠近地10%-20%的区域称为近地层（SurfaceLayer），由惯性子层

【参考文献】

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本文编号：2796075