华东地区单栋塑料温室群风荷载数值模拟研究

【摘要】：近年来华东地区温室连受台风影响,大批倒塌。相对于连栋塑料温室,单栋温室使用量大,台风过后倒塌数量更多。在建筑结构风荷载的研究中,主要采用的方法是风洞模型试验。但风洞模型试验存在着诸多困难,如试验必须采用缩尺模型、费用昂贵、耗费时间长等,并且由于不能进行多方案对比,得到的结果不一定是抗风性能最优的结构。计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)是通过计算机数值计算和图像显示,对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。采用CFD方法模拟风场及风荷载则可避免以上缺点,具有成本低、速度快、灵活方便的优点,且便于设计前多方案、多工况分析比较和优化。但是利用CFD模拟温室受力情况在一些问题上也呈现处它的局限性,因许多结构多呈钝体形状,其绕流不可避免地伴随着分离、再附、旋涡脱落等复杂的流动现象,问题十分复杂,在技术解决上还未很成熟。且它还涉及到对象尺寸、周围环境、大气边界层等模拟因素的合理确定,有时还会受到计算理论与计算机软硬件的双重限制,这需要我们更多的关注和耗费更长的时间来进一步发展这种研究方法。 本文利用CFD采用标准k-ε模型,利用CFD软件Fluent构造全尺寸的塑料温室并对其进不同工况的仿真模拟分析,在已有的塑料温室结构研究基础上,对一些涉及较少而又比较常见的内容作进一步的探讨与完善。主要为针对华东地区东南沿海塑料单栋单体温室、单栋温室群在多工况下的风压分布规律的研究。提出合适的CFD的湍流模型以及模拟条件,将模拟结果与现有的规范标准作评判分析,并提出现有规范中未提及的相关体型的体型系数取值建议。另外对不同拱顶形式的温室荷载的确定,这部分内容在现有温室标准上提供的数据不全,不确定性大,在设计应用中不易把握,拟对其规律以及具体数值的进行确定,探讨其表面风压分布规律。 分析研究发现,在完全封闭工况下,单体单栋温室表面风压分布特征数值与规范具有一定的相关性,尤其在边缘部分具有很好的参考性；在密集的温室群中,其相邻的温室受影响较大,对非边缘栋温室可适当降低风荷载结构设计,为温室设计减少用钢量、降低成本、促进推广使用提供参考。在45。风向角的工况下,因风向的回流会导致相邻温室背风面产生正压。 数值模拟的结果表明CFD方法能定性和定量地预测出温室表面的风压分布,可为风压在规范建议值范围内进行明确取值提供依据。CFD方法可降低试验成本,缩短研究周期,克服风洞试验所各类限制。虽然现在CFD方法还不能完全取代风洞试验,但是作为辅助手段,其可以广泛应用于试验方案的确定、流动规律的探讨及结构的初步设计等一系列工作。本文的研究为以后各种拱形的温室进行更多复杂工况、多角度分析以及设计优化等深入的研究,提供工作基础。