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基于CFD理论建筑膜结构风荷载数值模拟研究

吴奎  
【摘要】:建筑结构抗风的主要研究方法包括风洞试验、理论分析、现场实测和数值模拟。近三十年来,随着计算机软硬件技术的快速发展,基于计算流体动力学(CFD)的风工程数值模拟技术(CWE)以其显著的优势在结构抗风领域扮演越来越重要的角色。 膜结构以其造型美观、自重轻、经济和易于建造等优点而倍受建筑师的青睐,在国内外均有广泛应用。然而与传统结构相比,膜结构作为柔性结构对风荷载十分敏感,风荷载在膜结构的设计中往往起到控制作用。而在现行规范中,仅提供了简单建筑体型的风荷载体型系数,膜结构形式多样、造型复杂,各国规范所能提供的风荷载体型系数均非常有限,国内外的一般做法均是通过风洞试验来确定复杂造型建筑的风荷载体型系数,然而目前针对膜结构的风洞试验研究开展得还极不充分,无法总结出膜结构在风荷载作用下的一般规律,且风洞试验难以做到膜结构上下表面同步测压。 本文第一部分运用Fluent软件采用SST(Shear Stress Transport) k-ω湍流模型对鞍形、伞形、伞形组合膜结构刚性模型进行风荷载数值模拟,以总结膜结构在风荷载作用下的一般规律。运用Ansys软件进行膜结构的找形并提取几何模型;运用Icem CFD软件完成流体域和结构域的网格划分,建立起膜结构绕流分析的计算模型;最后基于Fluent软件平台完成膜结构的风荷载数值模拟。具体分析了风向角、跨高比等因素对膜面风压分布的影响,并给出了相应膜结构上下表面平均风压系数等值线图、膜面净风压系数等值线图,以供工程设计参考使用。主要结论有:①鞍形膜结构在0°风向角和90°风向角下的极值正负压出现在迎风边缘角点和膜面中心靠近背风面,在45°风向角下的极值正负压分别出现在迎风边缘较低角点和较高角点区域。伞形膜结构和伞形组合膜结构的极值正负压出现在迎风边缘和伞孔附近,同时,伞形组合膜结构的连接部位风压大于周围风压。工程设计时,对这些部位应给予足够重视。②鞍形膜结构在45°风向角下整体受力约为0,在0°和90°风向角下整体受力分别表现为压力和升力,且受力大小大致相等。伞形膜结构和伞形组合膜结构整体均表现为升力。③除鞍形膜结构在45°风向角下的整体受力不随矢跨比的变化而变化外,伞形、伞形组合膜结构以及0°和90°风向角下鞍形膜结构的整体受力均随矢跨比的减小而减小。④正六边形伞膜在90°风向角下整体受力最小,正方形伞膜和伞形组合膜结构均在0°风向角下整体受力最小。 本文第二部分运用Fluent软件采用三种比较常用的湍流模型:RNG k-ε模型、SST k-ω模型和RSM雷诺应力模型,对某大跨度膜结构罩棚进行定常绕流数值模拟,并将三种湍流模型下的净风压系数与风洞试验结果进行对比。对比发现,除对结构迎风边缘流动开始分离区域的风压值有所高估外,数值模拟结果与风洞试验结果均较为吻合,验证了数值风洞方法的可靠性。


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