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高层双塔复杂体型建筑风环境特性数值模拟研究

何文凯  
【摘要】:随着现代都市的不断发展,大规模的高层、超高层建筑拔地而起。然而随着建筑高度的增加,建筑的高宽比不断增大,风荷载对建筑的影响也随之加大,因此需要在对高层建筑进行结构设计的同时,还需重点考虑建筑结构的抗风性能。同时,风能作为一种丰富的可再生能源,在提倡节能环保建设绿色建筑的今天,通过在建筑物中安装风能发电机以便充分利用风能显得越来越重要。本文首先阐述了风工程的基础理论,描述了大气边界层平均风特性以及基本风速、基本风压、风压系数、风荷载体型系数及风的湍动能特性等相关概念,并简要地说明建筑环境中的风资源,包括风资源的评价指标、建筑风场中的风能特性和风能利用的基本建筑形式。然后介绍了计算流体动力学的基础理论知识,论述了计算流体动力学中的三大基本方程(包括流体连续方程、动量守恒方程以及能量守恒方程),湍流模型以及有限元数值计算的方法及流程,为后文进行数值模拟研究工作打下基础。本文研究的主要工作是利用Auto CAD、Gambit以及Fluent流体计算软件,首先对两栋简单体型的相邻高层建筑进行风荷载特性的数值模拟,在对模型建筑划分网格之后,采用Realizable k-?模型进行三维定常分析,计算建筑物表面的风压系数以及建筑周围风场的特性,通过和一些研究者所做过的风场数值模拟研究结果对比,以验证数值模拟方法的正确性和精确程度。在此基础之上,对位于杭州的某一高层双塔复杂体型建筑的风场进行有限元数值模拟研究。首先利用Auto CAD软件建立高层建筑的三维建筑模型,然后将建筑物的模型导入Gambit软件中划分网格,最后将划分好网格的建筑模型导入到Fluent计算流体软件中进行三维定常数值模拟计算。数值模拟采用Realizable k-?模型,模拟建筑物在15个(每隔15度一个工况)风向角下的风压系数值,并将数值模拟结果与风洞试验值作对比。由计算得到的风压系数,反算出建筑的局部体型系数及平均体型系数值。在此基础上,还结合目前十分提倡的绿色建筑概念,针对扩散体型的风力集中器建筑型式,模拟研究在不同双塔间距的情况下,双塔之间的“狭缝效应”。本次对该高层建筑的三维数值模拟结果可为实际建筑结构抗风及节能设计提供参考依据。


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