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膜结构风荷载的数值模拟研究

殷惠君  
【摘要】:基于计算流体动力学(CFD)的风工程数值模拟技术(CWE)与风洞试验研究、理论模型和分析、现场测试一起构成建筑结构抗风的主要研究手段。近二十年来,伴随着计算机软硬件技术的迅速提升,数值模拟技术以其显著的优势和展现出的良好前景在结构风工程领域的研究中引起了越来越多的关注,并承担起越来越重要的角色。与此同时,目前利用数值模拟技术计算处在大气边界层底层呈现高度湍流特征的钝体建筑结构绕流流场,还存在诸多困难。 膜结构由于其自重轻、建筑造型优美而得到广大建筑师的青睐。膜结构是一种柔性结构,对风荷载的作用十分敏感,在结构设计中风荷载往往起到控制作用。由于膜结构的体型复杂,而各国荷载规范所能提供的风载体型系数又十分有限,国内外一般都通过风洞试验的方法来确定体型系数,但目前各种形态的膜结构风洞试验开展得还极为有限,不足以进行规律性的研究。同时考虑到现阶段计算机硬件资源条件的限制,本文的研究工作依托FLUENT软件平台,围绕着基于雷诺平均模拟(RANS)方法的膜结构的风场数值模拟进行。 本文首先选取TTU标准低矮建筑模型为对象,以德州理工大学风工程研究场地试验室(WERFL)所进行的TTU建筑模型场地试验作为参考,建立了以场地实测风场数据作为来流边界条件的实尺度数值模型,通过计算结果与实测数据及风洞试验结果的比较,考察数值模拟中的各种影响因素及其作用。得出结论认为:钝体绕流数值模拟中影响计算结果精度的因素众多,包括湍流模型、对流项差分格式、近壁面网格尺度、网格布置形式,以及流域设置等。在这些影响因素中,湍流模型对计算结果起主要影响。在基于RANS方法的湍流模型中,雷诺应力模型(RSM模型)在高雷诺数钝体绕流数值模拟中预测结果相对较好,在钝体迎风面流动出现分离的尖锐棱边处可以给出合理的湍动能分布形态。 本文第二部分采用从有限元计算中提取膜结构几何模型并将其导入流体域,然后再划分网格的方法建立膜结构绕流的流体计算模型,进而实现了对膜结构绕流流场的数值模拟。数值模拟可以同时提供开敞式膜结构上表面和下表面的风压分布,解决了风洞试验中难以做到的膜结构上、下表面同步测压问题,为风洞试验提供一定的补充。针对四种基本体型的膜结构——鞍形、伞形、脊谷式和拱支式进行了刚性模型绕流风场的数值模拟,分析了不同风向、不同高跨比等因素对膜面风压分布的影响,并给出了相应的膜面风压系数等值线分布图供工程设计参考。 本文第三部分参照有关风洞试验进行了双支帐篷式膜结构风场的数值模拟。


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