大跨度平屋面风压分布的数值模拟和研究.pdfVIP

第十一届全国结构风工程学术会议论文集 大跨度平屋面风压分布的数值模拟与研究 孙晓颖沈世钊 (哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨150090) 摘要大跨屋盖结构多为复杂的三维空间曲面，沿水平向的跨度通常远大于其结构高度．屋盖表面的风压分布 不但与来流的脉动特性有关，还会更多的受到结构自身特征湍流的影响，因此对大跨屋盖结构表面绕流特性的研究 十分必要．本文针对大跨度平屋面，利用计算流体动力学软件FLUENT，对近地面风作用下的屋盖表面平均风压进 行了数值模拟，就风向角。跨高比，屋面坡度、来流条件、地面粗糙度等方面对大跨度平屋面表面的风压分布及绕 流特性进行了研究．文中采用了雷诺应力湍流模型(RSM)和SIMPLE压力校正算法，并将计算结果与风洞试验结 果进行了对比分析，结果吻合较好，验证了本文计算结果的准确性，及计算方法的可靠性． 关键词特征湍流、大跨度平屋面、FLUENT，雷诺应力湍流模型RSM)、SIMPLE 1． 引言 大跨度屋盖结构被广泛应用于大型体育场馆、会展中心、飞机库等许多领域，质量轻、阻尼小、 刚度弱，风荷载已成为其结构设计的主要控制荷载¨。这类结构往往比较低矮，处于湍流度高的地 区，其绕流和空气动力作用十分复杂，对风流动大多表现为钝体形状。大跨屋盖结构多为复杂的三 维空间曲面，沿水平向的跨度通常远大于其结构高度，因此屋盖表面的风压分布不但与来流的脉动 特性有关，还会更多的受到结构自身特征湍流的影响61，屋盖表面绕流特性的确定要比一般结构复 杂得多。在此，本文利用计算流体动力学软件FLUENT，以最简单且颇具代表性的大跨度平屋面为 例，就风向角、跨高比、屋面坡度、来流条件、地面粗糙度等方面对屋盖表面的风压分布及绕流特 性进行研究。 2． 计算方法及计算模型 2．1计算方法 结构风工程主要研究“大气边界层中的近地面风绕建筑物的流动情况”，属钝体空气动力学范畴。 近地面风是一种低速的近似不可压缩的湍流流动，在流动过程中遇到地面建筑物，与之发生相互作 用，在建筑物表面产生风压。建筑物在大气边界层中作为风流动的障碍物，其周围的流场十分复杂， 由撞击、分离、再附着、环绕和漩涡等物理现象决定。对这些流动状态的计算机模拟，是以流动风 的质量、动量等守恒方程为基本控制方程，采用离散化的数值模拟方法确定建筑物表面的风压分布刁 3)舢。此时，近地面风可假设为低速、不可压缩、粘性的牛顿流体。其基本控制方程(纳维一斯托克 斯方程)为： (1)基于质量守恒原理的连续方程： V·U=0 其中U=(”l，”2，”3) (1) (2)基于牛顿第二运动定律的动量方程 专+v．c删卜考鲁+阢∽驴啦渤， ㈤ 在纳维一斯托克斯方程的求解中，用直接数值解精确地描述流体中所有尺度的湍流和流场特性 430 第十一届全国结构风工程学术会议论文集 的变化，在三维空间上特别是在雷诺数较高时，其计算机求解速度和耗时是难以忍受的。目前，工 程上用来计算不可压缩流体湍流运动方程的方法是将湍流看作时平均运动和脉动运动两部分，将湍 流运动的任何参变量都分解为时间平均值和脉动值。将N．S方程逐项平均得： 掣：0 (3) d％ 掣+o，)掣=一古·警+-，裂一专(粥) ④ (4)是雷诺方程，在形式上和N-S方程极其相似，只是雷诺方程多出了一项一÷(咖：)，这一项 是由于动量方程中对流项“，当的非线性引起的，它代表了脉动速度对平均流的影响，事实上，正是 。呜 由于这一项的存在，脉动流与平均流之间会发生动量交换，致使湍流的平均速度分布与相同外界条 件下的层流速度分布大不相同。雷诺方程出现了一组新的未知变量一雷诺应力(咖；)，连同速度和压 力，方程组共有十个未