建筑數值風洞的基礎研究及其應用.pdf

1、建筑數值風洞方法是隨著計算機技術和計算流體力學的發(fā)展而興起的并應用于求解建筑結構在風作用下的風壓、風振響應的一種方法，本文主要研究建筑數值風洞的基礎及其在建筑群風場數值模擬中的應用。 本文首先應用基于FLUENT軟件的數值風洞方法，通過對單個建筑表面平均風壓的研究模擬，分析了建立建筑數值風洞所需要的基本原則，并應用上述建立建筑數值風洞的基本原則，來研究群體建筑的靜力風環(huán)境等，并總結靜力風壓風荷載在群體建筑中的分布規(guī)律等。

2、 然后，為了進一步分析建筑結構在風速時程下的風振響應，建立了基于 ANSYS軟件的考慮風一結構耦合分析的數值風洞方法。在建立考慮風一結構耦合分析的數值風洞方法中，很好的解決了多點風速時程的模擬問題，同時應用此種方法計算了隨時間變化下的非定常三維結構風壓。在此基礎上，考察了考慮風一結構耦合分析與不考慮風一結構耦合分析對結構風壓、動力響應等數值模擬結果的影響；同時應用這種方法分析了考慮風的超隨機特性情況下，結構風壓和結構動力響應的變化情況。

3、 最后，綜合應用上文所建立的兩種建筑數值風洞的應用方式，分別研究了高層建筑群的靜力及動力干擾效應問題，并綜合分析，總結規(guī)律。 通過以上研究工作，主要得出以下結論： (1)建筑數值風洞總體上屬于一種常規(guī)低速風洞，風的壓縮性可以忽略，同時，也不考慮溫度的影響。在應用CFD軟件建立建筑數值風洞的過程中，首先需要做的工作是要知道相關的各個設置參數的影響及其設置原則，本文通過算例分析主要得出以下結論： ①當計算流域

4、高度、長度取值相對較大而截面堵塞比相對較小時．它們的影響在一定范圍內是不明顯的；但當計算流域高度、長度取值相對較小而截面堵塞比相對較大時，將導致建筑數值風洞中流體流動不能充分發(fā)展，洞壁干擾效應明顯，直接影響計算結果的準確性，使計算結果嚴重偏離試驗值。 ②湍流模型對計算結果有非常明顯的影響，不同的湍流模型的計算結果之間也存在較大的差距。對于每一個湍流模型，計算結果與試驗值的吻合程度從好到差，大體順序依次為LES、RSM、RNG k

5、-e模型、Realizable k-e模型、標準k-e模型。對于湍流模型的選擇，建議在一般的工程應用的初步設計階段選用RNGk-e模型，在工程應用的最終設計階段則建議使用雷諾應力模型。 ③網格的精度對計算結果有著重要的影響，網格精度越高，數值模擬結果越好，只有滿足一定精度條件的網格，才能夠在適宜的條件下得到合理的計算結果。建議在網格劃分時，對于幾何外形簡單的單個建筑的計算流域，使用結構化網格劃分方法，這樣可以用更少的網格單元得到

6、更好的模擬結果；而對于幾何外形復雜的單個建筑或建筑群風場的計算流域，則建議使用非結構化網格劃分方法，它相對于結構化網格劃分方法更為簡單、方便，在一定精度下同樣有較好的模擬結果。 ④進口邊界條件中速度分布對計算結果的影響大于湍流強度分布對計算結果的影響，是進口邊界條件中的關鍵部分。 ⑤不同的對流項的差分格式對計算結果的影響也比較明顯，同時在不同的差分格式之間，QUICK差分格式的精確度相對更好，所以，在工程應用中，特別是涉

7、及到流動形式比較復雜的情況，建議選用QUICK差分格式。 (2)應用基于FLUENT軟件的數值風洞方法研究群體建筑的靜力風環(huán)境等，根據一些高層建筑群的數值模擬結果，得出以下總結：首先在平均風的作用下，在平均風速及平均風壓上，風上游的高層建筑對下游的建筑有一定的遮掩效應：在建筑物之間間距較小時，很容易產生狹縫效應，增大流動風的平均風速，大大增大建筑物表面的平均風壓力；在建筑群的外圍迎風面平均風壓力較大。 (3)應用上述基于

8、ANSYS軟件考慮風-結構耦合分析的數值風洞方法計算了一個懸臂梁算例和一個框架-簡體高層建筑結構實例。懸臂梁算例的數值風洞計算結果和相關參考文獻的結果進行了比較，表明本文的計算結果有較好的計算精度，說明了本文考慮風-結構耦合分析的數值風洞方法的準確性。另外，在框架-筒體高層建筑結構實例中，比較了考慮風-結構耦合分析和不考慮風一結構耦合分析兩種情況下的結構表面風壓和結構的動力反應，兩種計算結果有一定程度的差別，說明在具體的高層建筑的抗風設

9、計中應當適當的考慮風-結構耦合作用的影響。 還應用上述方法研究了超隨機特性在建筑結構風工程中的影響，應用框架-筒體高層建筑實例進行了相應的計算比較。比較結果表明，相對于一般規(guī)范中的方法，在風作用下的結構的動態(tài)位移、加速度等在考慮風的超隨機特性后有一定程度的增大。 (4)分別應用基于FLUENT軟件和ANSYS軟件的數值風洞方法分析了兩個建筑物所組成的建筑群間的干擾效應，研究結果表明： ①高層建筑間的靜力干擾效應主

10、要表現為遮擋效應，但是當兩個建筑物間產生狹縫效應時，受擾建筑的平均風荷載也會有所增大；另外兩個建筑物間的相對距離越近，靜力干擾效應就越明顯；不同的風速條件下，靜力干擾效應分布圖的輪廓形狀基本相似。 ②高層建筑間的順風向動力干擾效應在兩個建筑物相對距離較近時，主要表現為增大效應；隨著建筑物之間的相對距離逐漸增大，順風向動力干擾效應逐漸減?。划攧恿Ω蓴_效應表現為增大效應時，B類地貌條件下比D類地貌條件下動力干擾效應更為嚴重；另外，在