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高层建筑绕流场气动力效应的数值模拟

周颖  
【摘要】:对高层建筑抗风的研究主要依靠风洞试验技术,近年来随着计算机技术和计算风工程理论的发展,高层建筑在风荷载作用下的数值模拟逐渐取得了一定的进展。计算流体动力学已经发展成为风工程应用中传统方法(风洞实验和现场测量)的补充工具。为了研究高层建筑三维绕流场的风荷载,本文采用雷诺平均和大涡模拟的方法对刚性结构表面的风荷载进行模拟,主要工作如下:(1)对CFD的基本问题——控制方程进行研究。基于有限体积法采用FORTRAN编制SIMPLE算法程序求解不可压缩流体的N-S方程;引入半交错网格,改进算法,采用两种不同的算法来计算N-S方程,对经典案例——二维稳态方腔流进行计算,验证了两种算法的可行性和程序的正确性;采用保正格式的有限体积法,针对四种高度扭曲的网格计算扩散方程,经过与基于有限体积法的SIMPLE算法,以及FLUENT进行对比发现,此方法计算结果稳定且能够保正;基于以上对控制方程的研究,分别确定使用雷诺平均方法(RANS)和大涡模拟方法(LES)时,两种方法的离散方程的方法,扩散项、对流项、时间项的离散格式,计算参数(时间步长、各变量松弛因子等),并为FLUENT自带UDF文件的编制提供基础。(2)数值模拟得到可靠结果需要稳定的入流边界条件(即满足特定条件的大气边界层风速场)和合理的网格。本文对目标边界层风洞的B、D类地貌的平均风剖面,湍流强度,湍流积分尺度的数据进行拟合,确定生成风场的基本参数;MATLAB自编程序实现CDRFG方法,对B类和D类地貌,有效生成满足Von-Karman谱的风速场;对CDRFG方法进行改进,显著提高计算效率,节约计算资源。网格的合理性对数值计算结果影响非常大,本文采用ANSYS ICEM划分网格,研究网格的第一层网格尺寸y+,网格延伸率等对计算结果的影响,经过反复调试,试算,最后生成了符合计算要求的网格,通过监测出流面的速度场验证网格的自保持性。(3)采用雷诺平均k-ε模型对高宽比为9的超高层建筑的表面平均风压进行模拟,内容包括几何建模,网格生成,设置边界条件,计算参数设定,通过FLUENT自带UDF程序将生成的风速文件加载到入流的速度边界,完成初始条件设定、边界条件设定、逐步控制计算过程并保存计算结果,将雷诺平均数值模拟的计算结果与风洞试验结果进行对比;为进一步验证雷诺平均方法的有效性,对置于高层建筑顶部的光伏板组件表面平均风压系数进行数值模拟,研究建筑顶层女儿墙和光伏板距对光伏板表面风荷载的影响。(4)采用大涡模拟Samagorinsky湍流模型针对高宽比为9的超高层建筑模型,分别在B类地貌和D类地貌下的风压进行数值模拟,并与雷诺平均和风洞试验的结果进行对比,得到B、D类地貌下超高层建筑表面风荷载的特性;分析计算结果得到结论,虽然需要更加精细的网格和更多的计算资源,采用大涡模拟技术研究超高层建筑的风荷载特性具有很好的稳定性和优越性,相比较风洞试验,数值模拟能够更加详细地了解结构表面的流动情况;将本文中高宽比为9的高层建筑与原有文献资料中相同截面尺寸,高宽比分别为4、5、6的高层建筑背风面风压系数进行对比,最终结果显示高宽比为9的高层建筑三维绕流效应是最弱的。


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