大跨度屋盖结构表面风荷载大涡模拟研究

发布时间：2020-06-30 18:41

【摘要】：大跨度屋盖结构外形美观且内部空间宽阔,随着轻质高强新型建筑材料的开发和利用使得大跨度屋盖结构向轻量化、长大化和复杂化等方向发展。由于结构自身柔度大、刚度小、阻尼比小、自振频率较低等特点,导致大跨度屋盖表面在高雷诺数且湍流特征明显的复杂绕流中承受的风压分布及湍流脉动已经成为结构安全性的主要考虑因素。通过传统的风洞试验可以在建筑设计阶段对大跨度屋盖表面所受的风荷载大小以及分布形式进行一个预估,但需要消耗大量的人力物力,而随着计算流体力学的发展,利用数值方法预测建筑物所受的风荷载已经成为发展趋势。本文依托大涡模拟方法(LES)并与计算风工程(CWE)相结合,对平屋盖、球面屋盖、鞍形屋盖及悬挑屋盖的风荷载分布以及绕流形式进行研究,主要完成以下工作。网格剖分方面:利用商业软件ICEM CFD对四种大跨度屋盖结构的模型进行了结构性网格划分,具体有如下几个方面:采用“O”型剖分中的外“O”块边界层划分方法实现对球面屋盖的结构性网格划分;采用“块坍塌”以及“Y”型剖分相结合对鞍形屋盖进行网格划分,并实现三种不同的结构性网格划分方式;采用“Y”型剖分对悬挑屋盖结构进行网格划分,以实现对三角形悬挑部分网格的精细刻画。模拟自然风场方面:为接近自然风场的湍流来流条件,通过商业软件FLUENT的用户自定义命令(UDF)模块对入口边界湍流来流的速度、湍动能和湍流耗散率进行了程序编写。对四种大跨度屋盖结构表面风荷载数值研究方面:(1)分析了大跨度平屋盖周围的速度矢量、屋盖表面的风压分布以及涡核心区的流线形式,并通过与实验结果对比,验证了本文大涡模拟方法在大跨度屋盖结构表面风荷载研究中的可行性。(2)选用杭州国际会议中心作为球面屋盖模型,通过计算结果表明除了背风面,其余各面的风压分布较为均匀,球面屋盖的尾流处的绕流形式比较复杂,特别是两个较大的球形涡核心区会对周围产生较大影响。(3)选用矢跨比相同的鞍形屋盖作为计算模型分别在0度、45度、90度这三种不同风向角下进行数值计算,通过计算结果可知45度风向角的绕流形式要比其他两个风向角的简单,在建设鞍形屋盖时要注意建设地点的常年风向。(4)选用闭口式和开口式两种典型的悬挑屋盖结构作为研究对象,并在最不利风向角(0度)下进行计算,通过计算结果可知屋盖上表面的风压分布以负压为主,迎风面的中部所受压力最大,且压力梯度变化最大,闭口形式的内部所受最大风压区域面积要大于开口形式且尾流处绕流面积稍大。
【学位授予单位】：安徽工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU312.1
【图文】：

大气边界层,指数率

剖面逡逑面是微气象学研宄风速变化的一种主要方法，早期的均匀地形的，由Ｃ．邋Ｈｅｉｌｍａｎ在１９１６年提出，后来根平均风剖面分别采用对数律和指数率这两种方法来表５］［６］：逡逑ｖ（ｚ＇）邋＝邋｜ｖ邋ｌｎ（—）ｋ邋２0逡逑面的指数率表达函数是由Ａ．Ｇ．ＤａＶｅｎｐ0ｒｔ［７］在对多次观的不同场地下的风剖面，其函数表达式如下：逡逑也（三ｒＶ＊邋ｚｂ逡逑表示标准参考高度，ｋ表示标准参考高度处的平均风表示任一高度处的平均风速；ａ是地面粗糙程度指数。逡逑剖面的指数率比对数律的计算更加简便，两者的计算结

绕流,建筑物,矩形,脉动风

分为三部分，第一部分从矩形顶部绕过，第二部分在矩形迎风面的中下部形成回逡逑流区，第三部分从建筑物两侧绕过，并且在两侧形成回流，当来流绕过矩形钝体逡逑时则在背风面形成一片最大的回流区，如图１－３所示。逡逑图１－３矩形建筑物绕流图逡逑平均风压系数是一个无量纲值，如下式所示：逡逑（0ｉ逡逑（卜３）逡逑式中／＾是第〖点的平均风压系数；ｑ是第〖点的净风压力，为远前方与测点逡逑的风压差；ｖ是表示的参考高度处（１０ｍ）的平均风速；ｐ为空气质量密度。逡逑１．３．２作用于结构的脉动风荷载逡逑风的随机性和零均值性引起了风的脉动，描述脉动风速一般从湍流度剖面、逡逑脉动风速谱和脉动风的空间相关性这三个方面入手。湍流度是度量气流速度脉动逡逑程度的一种标准，通常用脉动速度均方和与时均速度之比来表示，湍流度剖面在逡逑我国规范中还缺少这方面的相关参数，全球大部分国家都采用下式来表示ｈ逡逑／（ｚ）邋＝邋ｃ＜ｚ／１０）逦（１－４）逡逑分析脉动风的作用下结构的风致动力，风速谱是一个很重要的部分。由于逡逑Ｄａｖｅｎｐｏｒｔ谱主要用来描述横向风向，其谱密度不随高度而变化，目前常用逡逑Ｄａｖｅｎｐｏｒｔ谱

【参考文献】