復雜超高層及大跨度屋蓋建筑結構風效應的數(shù)值風洞研究.pdf

1、對超高層及大跨度建筑結構風效應的研究方法主要為現(xiàn)場實測、風洞試驗和數(shù)值模擬。與現(xiàn)場實測和風洞實驗手段相比,CFD數(shù)值風洞模擬,尤其是大渦模擬,具有以下優(yōu)點:1、能提供豐富的數(shù)據(jù)和結果,包括整個流場的完整數(shù)據(jù),所有模擬的建筑表面上的風壓分布情況,包括很小區(qū)域上的風壓變化。這是現(xiàn)場實測和風洞試驗不能做到的。2、可以進行建筑結構全尺寸、高雷諾數(shù)的模擬?？梢员苊饫字Z數(shù)效應的影響,這是風洞試驗難以解決的問題。3、可以產生更符合實際大氣邊界層風場特

2、性的流場?？梢苑奖愕姆治霾煌牧髁鲌鰧Y構風效應的影響。4、便于進行參數(shù)分析?？蓪σ恍┝鲃蝇F(xiàn)象和風效應做機理性的分析研究。5、成本較低。不需要制作試驗模型,布置傳感器等。以往對結構風效應的數(shù)值模擬多采用定?；蚍嵌ǔＳ嬎愕睦字Z平均方法,對脈動風荷載的預測不準。近幾年來,通過大渦模擬計算建筑表面的風壓、風荷載以及風致響應的方法雖然已經獲得了一定的進展,但所分析的建筑結構的外形大都比較簡單,多為長方形和圓形。且多數(shù)大渦模擬亞格子模型的算法是針

3、對高精度數(shù)值格式和計算結果質量容易保證的結構網格。本文采用新提出的結構風效應大渦模擬數(shù)值風洞的關鍵技術針對復雜超高層、大跨度屋蓋結構的風流場、風荷載和風致振動響應進行了大渦模擬研究。并采用數(shù)值模擬方法對大跨度屋蓋結構風致雪漂造成的雪壓不均勻分布以及超高層建筑中運用風力發(fā)電可能導致的氣動噪聲問題進行了研究及評估。本文的主要研究工作為:
　　(1)介紹了結構風效應數(shù)值風洞研究的基本理論知識。本文將大渦模擬作為結構風效應數(shù)值風洞模擬的一

4、種非常重要的方法。針對現(xiàn)有亞格子模型在結構風工程實際運用中存在的問題以及入口湍流風場生成方法的缺點,本文建議采用結構風效應大渦模擬數(shù)值風洞的關鍵技術:主要針對工程應用提出的一種新的亞格子模型及一種新的入口湍流生成的DSRFG方法。并對這兩種方法及優(yōu)點進行了詳細的介紹。采用結構風效應數(shù)值風洞的關鍵技術是本文的模擬結果能夠成功運用于實際工程抗風設計的關鍵因素,是本文主要研究工作的基礎。
　　(2)運用大渦模擬數(shù)值風洞關鍵技術,基于Li

5、nux系統(tǒng)下軟件Fluent6.3的并行計算技術,對深圳新火車站進行了全尺寸的大渦模擬。數(shù)值模擬得出的屋蓋上平均風壓、脈動風壓分布及數(shù)值與風洞試驗數(shù)據(jù)有較好的吻合。驗證了大渦模擬數(shù)值風洞關鍵技術對大跨度屋蓋結構抗風設計的有效性和正確性。此外,數(shù)值風洞結果可以反映出采用縮尺模型的風洞實驗很難捕捉到的狹小區(qū)域上風壓梯度的劇烈變化以及站臺雨棚底面與站臺立柱相接處,風洞試驗無法測到的該區(qū)域受立柱的影響而發(fā)生的局部風壓變化。對深圳新火車站周圍的風

6、流場進行了全面細致的分析,克服了受到試驗設備以及天氣條件限制下,物理風洞試驗和現(xiàn)場觀測很難全面觀測到建筑物周圍流場的弊端。對屋蓋風壓分布通過流場分析了進行機理性研究,揭示建筑物周圍的風速場和建筑表面風壓的關聯(lián)。
　　(3)全面考慮了以深圳大運會體育場館為中心10公里范圍內的山體和主要建筑物,采用大渦模擬數(shù)值風洞的關鍵技術對其進行了全尺寸的數(shù)值模擬。對深圳大運會體育中心片區(qū)的風場特性進行了分析;采用超越閾值概率方法對體育場館周圍行人

7、風環(huán)境進行了評估;對體育場館的平均、脈動風壓分布特點進行了研究,探討了體育場館周邊山體及建筑物對其風壓分布規(guī)律及數(shù)值大小的影響;根據(jù)大渦模擬得到的體育場屋蓋表面的風力時程數(shù)據(jù)對其風荷載特性進行了探討,并計算了體育場屋蓋的靜力等效風荷載。數(shù)值風洞的模擬結果成功運用于大運會體育場館的設計復核中。
　　(4)以臺北101大樓(高508m)以及深圳平安國際金融大廈(高660m)兩棟著名的超高層建筑為背景,采用大渦模擬數(shù)值風洞的關鍵技術對其

8、進行了全尺寸的數(shù)值模擬。得到了臺北101大樓以及深圳平安大廈周圍的風流場及作用于其上的風荷載時程數(shù)據(jù)。計算了風荷載作用下兩棟大樓的風致響應以及等效靜力風荷載。并將計算結果與現(xiàn)場實測以及風洞試驗的相應數(shù)據(jù)進行了對比,驗證了本文采用的數(shù)值風洞技術對超高層建筑抗風設計的正確性與可靠性。探討了不同的湍流流場對超高層建筑風場、風壓分布、風荷載以及風致響應的影響。
　　(5)以吉林新火車站為研究對象,采用Euler-Euler體系的兩相流理論

9、,在流體計算軟件FLUENT。6.3基礎上編寫了相應的UDF計算程序,對吉林火車站周圍的風雪運動進行了數(shù)值模擬,得到了不同風向下屋蓋表面風致雪壓的不均勻分布情況,總結了風雪共同作用下雪壓的分布規(guī)律;給出了吉林火車站屋蓋表面上的平均雪壓分布,探討了火車站屋蓋及雨棚各分塊積雪分布系數(shù)隨風向的變化情況。為寒冷氣候下大跨度屋蓋結構的抗風設計提供了依據(jù);
　　(6)對采用風機發(fā)電的“高性能”可持續(xù)性建筑:“珠江城”商務寫字樓由于風洞口和風機

10、的存在可能產生的氣動噪聲問題進行了數(shù)值模擬研究。采用基于SST湍流模型的寬頻帶噪聲源模型得到了“珠江城”商務寫字樓風洞口周圍的噪聲分布。探討了有無風機對風洞口周圍的噪聲分布及大小的影響。對“珠江城”商務寫字樓風洞口周圍產生的室外噪聲及室內噪聲進行了評估。
　　(7)本文在高雷諾數(shù)(108)情況下,對大規(guī)模復雜建筑結構風荷載和風致振動運用大渦模擬取得的結果及與原型實測和風洞試驗結果進行了對比分析,在國內外風工程及結構工程界尚屬首次。