基于CFD的雕塑类建筑风荷载体型系数研究

发布时间：2017-09-04 11:47

  本文关键词：基于CFD的雕塑类建筑风荷载体型系数研究

  更多相关文章： 大型雕像结构 风载体型系数 数值风洞模拟 典型平面分段叠加法

【摘要】：风荷载是大型雕像结构的主要控制荷载。雕像建筑的平面和立面异常不规则,外轮廓凹凸不平,其风载体型系数无法从现行规范中查取。目前较普遍的做法是通过风洞试验获取,但该方法耗时且成本较高。本文基于CFD基本理论,运用Fluent15.0流体动力学软件,对常见的大型雕像结构的外形做出统计,着重研究在相同长宽比条件下不同凹凸程度对雕像风荷载体型系数的影响,首次提出了典型平面分段叠加法(TPPS法)求雕塑类建筑的体型系数。其次,结合作者近年参与的雕塑类工程实例,对徐州刘邦像、黄石药师像、厦门郑成功像进行了数值风洞模拟。再次,对TPPS法的计算结果与雕像整体数值模拟结果、风洞试验结果进行了对比,对TPPS法的可靠性进行评估。最后,提出了一套计算图表,供设计人员对雕像建筑进行风荷载计算时使用。通过以上分析,得到了以下几点重要结论：1、对于高大细长的柱体模型来讲,其平面形状对其表面的风压分布状态具有重要影响,直接决定风力系数的大小。另外,柱体的长宽比也会影响表面分压分布。2、对柱体的数值风洞计算结果表明,RNGk-ε和SSTk-这两种不同的湍流模型的计算结果相差不大。而对于复杂雕像结构来说,由于雕塑表面的复杂性,雕塑附近风场极为复杂,基于不同的模型会得出不一样的控制方程,所以两种模型的计算结果存在一定差异。3、雕像建筑在风荷载作用下,由于其形状的特别不规则和表面凹凸不平等原因,其表面风压分布非常复杂,但仍然遵循了钝体绕流问题的一些普遍规律。风作用在像体表面之后,会在雕像正面某个位置产生驻点,其体型系数在1.0左右,然后向四周辐射减小。在像体两侧,其表面会因为流体分离而产生极大负压区,体型系数可以达到-3.5-5.5。在像体背面,风的湍流状态变得更加复杂。对于立像,其体型系数值一般都会稳定在-0.2--0.5之间。4、通过将TPPS法与整体数值风洞模拟、郑成功风洞试验结果相对比,认为用TPPS法估算雕像结构的体型系数是可行的。建议在雕像结构初步设计阶段确定体型系数时,采用TPPS法进行取值。在与郑成功风洞试验的结果对比中可以看到,TPPS法求得的体型系数略大于风洞试验结果,因此用该方法也是偏于安全的。
【关键词】：大型雕像结构 风载体型系数 数值风洞模拟 典型平面分段叠加法
【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
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-21
• 1.1 引言9-10
• 1.2 风工程研究现状10-15
• 1.2.1 常用方法简介10-12
• 1.2.2 数值风洞研究进程与现状12-14
• 1.2.3 数值风洞研究现状综评14-15
• 1.3 雕像类建筑及其结构设计特点15-17
• 1.4 本论文主要研究内容17-19
• 1.4.1 研究背景17
• 1.4.2 研究目的17
• 1.4.3 主要研究内容17-19
• 参考文献19-21
• 第二章 结构风工程数值模拟基本理论21-37
• 2.1 大气边界层风特性与建筑风荷载21-23
• 2.1.1 大气边界层风特性21-22
• 2.1.2 建筑风荷载22-23
• 2.2 风工程数值模拟控制方程23-25
• 2.2.1 概述23
• 2.2.2 基本假设和问题的简化23
• 2.2.3 控制方程23-25
• 2.3 雷诺平均N-S方程和湍流模型25-31
• 2.3.1 湍流的流动特点25-26
• 2.3.2 雷诺平均N-S方程26-27
• 2.3.3 湍流模型27-31
• 2.4 大涡模拟简介31-33
• 2.5 方程的求解33-34
• 2.5.1 CFD的求解过程33
• 2.5.2 控制方程的离散化方法33
• 2.5.3 代数方程的数值解法33-34
• 2.6 计算软件的选择34-35
• 参考文献35-37
• 第三章 典型平面形状的数值模拟37-69
• 3.1 研究思路37-39
• 3.2 典型平面形状的确定39-41
• 3.2.1 影响雕像表面体型系数的主要因素39-40
• 3.2.2 典型平面形状40-41
• 3.3 数值风洞模型介绍41-46
• 3.3.1 湍流模型的选择41
• 3.3.2 计算域的确定41-42
• 3.3.3 网格划分42-44
• 3.3.4 边界条件44-46
• 3.3.5 参考压力位置46
• 3.3.6 求解参数及收敛标准46
• 3.3.7 数值模拟过程46
• 3.4 数值计算结果与分析46-67
• 3.4.1 引言46-47
• 3.4.2 典型平面模型数值风洞计算结果47-59
• 3.4.3 结果分析59-67
• 3.5 本章小结67-68
• 参考文献68-69
• 第四章 雕像建筑(整体)数值风洞模拟69-93
• 4.1 引言69
• 4.2 徐州刘邦像数值风洞模拟69-77
• 4.2.1 工程简介69-70
• 4.2.2 数值风洞模型70-71
• 4.2.3 计算结果71-75
• 4.2.4 计算结果分析75-77
• 4.3 厦门郑成功像数值风洞模拟77-84
• 4.3.1 工程简介77
• 4.3.2 数值风洞模型77-78
• 4.3.3 计算结果78-82
• 4.3.4 计算结果分析82-84
• 4.4 湖北黄石药师佛像数值风洞模拟84-91
• 4.4.1 工程简介84
• 4.4.2 数值风洞模型84-85
• 4.4.3 计算结果85-89
• 4.4.4 计算结果分析89-91
• 4.5 本章小结91-92
• 参考文献92-93
• 第五章 TPPS法求雕像建筑体型系数93-115
• 5.1 引言93
• 5.2 用TPPS法估算雕像综合体型系数93-111
• 5.2.1 对TPPS法得到的体型系数进行修正93-95
• 5.2.2 计算结果对比95-111
• 5.3 雕像建筑体型系数计算表111-113
• 5.4 本章小结113-114
• 参考文献114-115
• 第六章 结论与展望115-117
• 6.1 结论115
• 6.2 展望115-117
• 作者读研期间发表的论文117-119
• 致谢119

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本文编号：791386