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大跨度悬挑屋盖风场的大涡模拟

李重阳  
【摘要】:大跨度悬挑屋盖具有质量轻、刚度小的特点,是典型的风敏感结构,其周围风场是复杂的高雷诺数钝体绕流,湍流特征明显,由此引起的屋面风压分布及其脉动常常成为控制结构安全性的主要因素。大涡模拟(LES)理论是发展中的计算流体动力学(CFD)研究方法,能够准确地捕捉大尺度的流动结构。本文结合计算风工程(CWE)和大涡模拟理论对绕悬挑屋盖的流动机理进行研究,完成的主要工作有: 1.结合风工程的特点,发展了一套多块并行的大涡模拟程序。主要特性包括:具有完整的网格生成、核心求解器和大涡模拟模块;可灵活处理几何较复杂的区域;通过多核并行实现了高性能运算;提供多种边界条件,对真实物理风场具有较强的模拟能力。对湍流槽道流、高雷诺数圆柱和方柱绕流进行的广泛而细致的校验模拟表明,程序精度较高,能够处理复杂的流动问题,适合悬挑屋盖绕流的机理研究。 2.将CFD中亚格子模型的前沿研究进展引入计算风工程,主要开发了动态全局系数模型、Vreman涡粘模型及动力模型的计算模块。算例验证计算表明,较传统亚格子模型更精确地预测了关键指标。 3.提出了三维子块间非匹配拼接信息收集算法。本文采取分区策略将计算域划分为多个子块,本算法能够处理相邻子块间网格非一一匹配的拼接情形,实现区域内网格密度不均匀分布,大大减少所需网格数量,同时离散压力泊松方程组的系数矩阵具有多块的特点,便于并行计算。 4.推导了粗糙地面上的“提取-再循环”入流生成算法,提出高雷诺数时在地面采用璧面模型以降低计算资源消耗。进行大气边界层的大涡模拟表明,生成的风场入流的风速剖面、功率谱密度、湍流积分尺度等统计特征与风洞实验吻合,表明包含完整湍流结构的风场入流。 5.对典型的悬挑屋盖进行了大涡模拟,与风洞实验比较了时均统计量和脉动统计特性,并进一步分析了屋面倾角对风压分布、屋面总风力和上下屋面相关性的影响。结果与风洞实验和参考文献一致,表明大涡模拟方法是研究复杂风场流动的有效路径。 6.首次揭示了悬挑屋盖风场中的流动结构,包括流体粒子运动轨迹、速度和压力场分布,以及湍流的产生和耗散等流动特征,直观地展现了屋面倾角等参数的影响。研究结果表明风场中较大尺度的流动结构包括看台趾部的回流、上屋面的分离重附涡、沿看台的爬升流及看台后的回流区;流体在屋盖前沿分离,在后沿重附,在上屋面形成大尺度涡引起负压;由于看台的存在,流体沿看台爬升引起下屋面的正压,但对升力的贡献小于上屋面;对四种倾角的屋盖分析表明,屋面倾角是风场的重要参数。


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