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子域法研究密集桁架对大跨屋面平均风压的影响

史益军  
【摘要】: 大跨屋盖是一种屋盖跨度大、结构柔的风敏感结构,平均风荷载是控制结构安全性能的主要因素之一。现今大跨屋盖多以密集桁架作为支撑结构,密集桁架结构复杂,尺寸相对细小,却紧邻屋盖,裸露在外时对屋盖周围风流场存在较大影响。一般风洞实验的缩尺模型对桁架要做较大近似,而由于建模的难度和计算资源的限制,数值风洞模拟方法往往忽略桁架的影响,因此有必要寻求一种计算资源允许、又能考虑桁架对屋盖表面平均风压影响、提高计算精度的方法和手段。 本文参考树冠流中的思想,采用多孔体子域方法并用能量等效的思想考虑密集桁架对悬挑屋盖平均风压的影响,通过严密的流体动力学公式导出对应于SSTκ-ω湍流物理模型的添加项,对通用计算流体动力学软件CFX进行二次开发,自编FORTRAN语言与CFX5接口,以提高CFD数值模拟的计算精度。 本文工作主要有以下几个方面: 1、作为多孔子域法考虑桁架对大跨屋盖平均风压影响的理论依据,推导出数值模拟时采用SSTκ-ω湍流物理模型的添加项(源项)。即从流体力学中最基本的雷诺方程出发,参考树冠流的阻力定义,添加桁架阻力项,推导了标准κ-ε模型的改进表达式,进一步变换推导得到本文采用改进的SSTκ-ω模型表达式。 2、立方体模型可在一定程度上反映低矮封闭的方形大跨体育馆建筑,本文通过对标准立方体与简化桁架组合结构的基础性研究,证明了子域法的可行性,并给出子域法运用的具体建议。首先采用RNGκ-ε模型、SSTκ-ω模型对其进行数值模拟,计算结果与风洞实验和实测结果的比较表明SSTκ-ω模型对土木工程钝体绕流效果更好。然后将单榀简化桁架与立方体组合计算,分析了桁架对顶面平均压力的影响,然后采用子域法考查了网格数量、子域截面类型和桁架单位体积迎风面积经验系数λ_e变化时对屋面风压的影响,给出子域网格控制、子域的截面类型和桁架单位体积迎风面积经验系数λ_e等相关建议。最后通过计算得出了改进的求解方程中阻力项、湍流方程中的源项、耗散率方程中的源项单独变化时引起的风压变化规律。 3、在提出子域法计算相关建议的前提下,进一步以典型的单侧矩形体育承艨刺ㄎP?验证建议值在考虑密集桁架对大跨悬挑屋盖平均风压影响时的可行性。前缘单侧、前后缘双侧、横纵向实际桁架的简化和实际结构模型与单侧悬挑看台模型相组合,并考虑0度、45度、90度三个代表性的风向,归纳出密集桁架对悬挑屋盖平均风压的影响规律,并通过子域法与实体模型、子域法与无桁架模型的比较分析,验证了子域法对悬挑屋盖平均风压数值模拟精度的提高。 4、子域法在实际复杂实际工程上的初步应用。以上海虹口体育场为对象,将子域法数值模拟的结果与不考虑桁架数值模拟和风洞实验的结果相比较,初步检验子域法在实际工程中的应用情况,相对以前不考虑桁架影响的作法,子域法数值模拟结果精度得以提高。表明子域法应用于实际复杂体育场屋盖是可行的,并具有很好的研究与应用前景。


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