龙卷风作用方位对结构的荷载影响研究

发布时间：2017-07-20 10:25

  本文关键词：龙卷风作用方位对结构的荷载影响研究

  更多相关文章： 龙卷风 CFD数值模拟 作用方位 风压系数 风载体形系数 屋面分区

【摘要】：不同于常规风,龙卷风是一种高速旋转的小尺度系统,其破坏力极强。由于龙卷风发生的概率较低,目前在我国,一般的建筑结构设计规范和标准尚未包含抗龙卷风的设计要求。但对损坏后果特别严重的设施(如核电站)进行设计时,则必须考虑龙卷风的影响,以保证其有足够的抵抗力。龙卷风风场中风速与风压分布极不均匀,存在着很大的速度梯度与压力梯度,因此结构相对风场的方位对其所受的龙卷风荷载有很大的影响。本文采用CFD数值模拟技术,研究结构表面风压与其所处风场位置以及受龙卷风不同作用方位角的关系。考虑龙卷风荷载的这两种影响因素,对研究结构所承受的最不利工况是十分必要的,也为重大工程结构的抗龙卷风设计提供一定的参考价值。利用CFD数值模拟技术建立龙卷风的数值模型,并尝试建立起一种开放式龙卷风试验装置。结果显示,数值模拟风场的切向速度与兰金涡流模型吻合地很好,而测得的试验风场的风速分布在涡核内与数值模拟结果及实际龙卷风观测值有一定差别,涡核外结果则接近一致,说明了龙卷风的试验工作有一定的可行性。最后,探讨了数值龙卷风控制参数的影响。结果表明,随着涡流比的增加,风场最大切向速度逐渐减小,对应的核心半径则逐渐增大。同一个涡流比下,核心半径随高度的增加而增大,符合龙卷风漏斗型的分布,反映了数值模拟的可靠性。此外,较低的雷诺数则难以形成很好的涡旋结构。基于龙卷风数值模型,探讨了龙卷风风场作用方位变化对两种屋面坡度(0°、300)结构表面风荷载的影响。首先,将结构以不同的方位角置于风场不同的径向位置处,给出了不同工况下结构表面风压的分布特征以及表面最不利风压和平均风压随方位变化的规律,得到了结构的最不利工况。其次,阐述了坡度变化对结构表面风荷载的影响,表明坡度的存在使得屋面的风压分布变得更不均匀,而四周立面的风压分布趋势变化不大。最后,对比了两种屋面的最不利风压和平均风压的差值。基于各工况的数值模拟结果,探究了考虑方位效应的两种结构的屋面龙卷风风载体型系数的分区方法。在屋面的纵横中心线上布置监测点,总体上把握风压分布的趋势。依据相关分区原则以及屋面风压的较大波动点确定分区划分的尺寸,通过计算得到了四种方位角下各分区的风载体型系数表。并根据对称性,给出各方位角下屋面的分区体型系数。结果显示同尺度的双坡屋面的分区体型系数在数值上要比平屋面大。最后,根据龙卷风移动路径的不确定性,综合各方位角的取值情况,给出了两种屋面的分区体型系数的建议值,可为工程设计的简化应用提供参考。
【关键词】：龙卷风 CFD数值模拟 作用方位 风压系数 风载体形系数 屋面分区
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU312.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 课题研究背景及意义10-12
• 1.2 龙卷风荷载研究现状12-18
• 1.2.1 现场实测研究12-13
• 1.2.2 理论分析研究13-14
• 1.2.3 试验模拟研究14-16
• 1.2.4 数值模拟研究16-18
• 1.3 课题研究现状18
• 1.4 本课题主要研究内容18-19
• 参考文献19-22
• 第二章 龙卷风风场模型22-46
• 2.1 引言22
• 2.2 计算流体动力学基本理论22-26
• 2.2.1 控制方程22-24
• 2.2.2 湍流模型24-26
• 2.2.3 控制方程的离散与求解26
• 2.3 数值模型建立26-29
• 2.3.1 结构建模26-27
• 2.3.2 网格划分27-29
• 2.3.3 边界条件设置29
• 2.4 龙卷风数值风场分析29-31
• 2.4.1 龙卷风Rankine涡模型29-30
• 2.4.2 数值风场的风速分布特性30-31
• 2.4.3 数值风场的风压分布特性31
• 2.5 龙卷风数值风场的试验验证31-35
• 2.5.1 龙卷风装置设计32-33
• 2.5.2 送风管小孔送风风速影响33
• 2.5.3 送风管小孔送风角度影响33-34
• 2.5.4 试验风场与数值模拟结果对比34-35
• 2.6 数值龙卷风控制参数影响35-40
• 2.6.1 涡流比36-38
• 2.6.2 雷诺数38-40
• 2.7 等效移动速度对龙卷风风场的影响40-42
• 2.8 本章小结42
• 参考文献42-46
• 第三章 龙卷风作用方位变化对结构风荷载影响的数值研究46-68
• 3.1 引言46
• 3.2 结构计算模型选择与布局46-47
• 3.3 龙卷风作用方位变化对双坡屋面结构风荷载的影响47-58
• 3.3.1 径向位置变化对结构风荷载的影响48-53
• 3.3.2 方位角变化对结构风荷载的影响53-58
• 3.4 龙卷风作用方位变化对平屋面结构风荷载的影响58-63
• 3.4.1 径向位置变化对结构风荷载的影响58-61
• 3.4.2 方位角变化对结构风荷载的影响61-63
• 3.5 两种结构风荷载分布特性的比较63-65
• 3.5.1 坡度的存在对风荷载分布的影响63-64
• 3.5.2 屋面最不利风压与平均风压的差值64-65
• 3.6 本章小结65-66
• 参考文献66-68
• 第四章 考虑方位效应的结构屋面龙卷风风载体型系数研究68-80
• 4.1 引言68
• 4.2 风压系数和风载体型系数68
• 4.3 屋面风载体型系数分区68-77
• 4.3.1 分区方法探讨68-73
• 4.3.2 分区计算73-76
• 4.3.3 分区建议值及龙卷风风压荷载计算方法76-77
• 4.4 本章小结77
• 参考文献77-80
• 第五章 结论与展望80-82
• 5.1 本文结论80-81
• 5.2 研究展望81-82
• 致谢82-84
• 作者简介84

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