平面壁面射流风场作用下建筑物表面风压数值模拟

采用平面壁面射流模拟下击暴流的出流段风场,通过协同流模拟下击暴流水平移动,基于计算流体动力学方法,采用雷诺应力模型(RSM)的Stress-Omega模型模拟了稳态下击暴流的平均风剖面,并在风场中建立高层建筑物模型,研究下击暴流风场中高层建筑物表面风压分布特性.结果表明,采用平面壁面射流模型得到的水平速度竖向风剖面与下击暴流理论风剖面以及试验结果吻合较好,壁面射流模型风场中建筑风压分布特征与冲击射流风洞试验一致;迎风面风压系数随着顺流向距离的增加而不断减小,随着射流入流湍流强度的增大而减小.当下击暴流风剖面半高值大于1.45倍建筑物高度时,壁面射流风场中建筑风压分布与大气边界层风场中类似.协同流对结构中下部风压分布影响较大,而风向角对最大风压的影响不大.     

台风风场与B类风场作用下输电塔风效应对比研究

在边界层风洞中开展了台风风场与B类风场条件下某角钢输电塔气弹模型试验,采用谐波合成法模拟了不同高度的风速时程,在时域内进行了输电塔结构风致响应计算,对比研究了两类风场条件下的风致响应与风振系数.研究结果表明:输电塔风致加速度响应随着来流风速的增大而明显增大,台风风场条件下加速度响应更为剧烈,比B类风场条件大约20%～30%;B类风场条件下风振系数为1.59,台风风场条件下达到1.85,总体增幅达到16%;数值模拟结果与风洞试验结果较为吻合.因此,台风多发地区的输电塔设计应考虑台风高湍流引起的动力风荷载增大效应.     

LNG船舶球形货舱风阻力的数值模拟

为获得LNG船舶更准确的风压分布和更多的风场细节,只对LNG船舶的货舱风阻进行数值分析,忽略船体以及其他上层建筑部分.选用RNG k-ε湍流模型和大涡模拟方法对均匀风场中的LNG船舶球形货舱绕流进行数值模拟.为验证数值方法和网格划分的合理性,对均匀风场中的半球体绕流进行数值模拟,计算结果与风洞试验的数据吻合很好.对LNG船舶球形货舱的绕流场和风压分布分析发现,大涡模拟方法对漩涡流动的模拟有较好的效果.     

高层建筑风致静力干扰效应的试验和数值研究

首先采用测力天平模型风洞试验研究了2栋高层建筑间的静力干扰效应,得到2个相同的方形截面建筑在不同相对位置时的静力干扰因子Fm.然后基于Fluent 6平台采用RNG(renormalization group,重整化群理论)κ-ε湍流模型,计算了D类地貌风场中2栋高宽比均为6的方形高层建筑模型(10 cm×10 cm×60 cm)在串列、并列和偏置状态下的静态三维流场和风荷载;并与风洞试验得到的静力干扰因子进行了比较.结果表明,数值模拟方法是研究建筑物静力干扰效应的一种有效途径,相对于试验方法,数值模拟更具有优势.     

下击暴流下立方体建筑物表面风压数值模拟

为研究不同湍流模型和壁面处理方法的组合对立方体建筑物在下击暴流风场中的风压系数模拟结果的影响,基于冲击射流模型建立下击暴流计算域,通过物理试验结果对模拟结果进行验证与对比分析.采用两种不同的网格划分方案,满足ANSYS-Fluent中对于不同壁面处理方法的壁面Y+值的要求.研究结果表明:在选用增强壁面处理情况下,剪切应力运输(SST)k-ω湍流模型在迎风面和背风面与试验结果符合较好,但是屋盖的模拟结果与试验结果相差较大;当选用标准壁面函数时,雷诺应力模型(RSM)展现出了与试验结果较符合的建筑物中线风压系数曲线.当模拟立方体建筑物在下击暴流风场中的表面风压时,相比其他湍流模型和壁面处理方法的组合,RSM湍流模型和标准壁面函数可以得到更好的数值模拟结果.     

超高层建筑风压的幅值特性

对方形、矩形、三角形及Y型等10个典型的超高层建筑模型进行了细致的风洞试验，获得了模型表面的平均风压和脉动风压系数．详细讨论了风场和风向角对风压系数空间分布（不同高度分布，同一高度不同侧面上不同测点的风压分布等）的影响．结果表明：建筑物迎风面处于正压区；而侧面和背风面是负压区；D类风场的平均风压系数和B类风场中相近，但根方差风压系数要大很多；迎风面的平均风压系数随高度变化基本服从2α分布；三角形和Y形模型的风压系数小于方形和矩形模型．     

CAARC高层建筑标准模型下击暴流风洞试验

为研究CAARC高层建筑标准模型在下击暴流作用下的响应,采用所开发的基于边界层风洞的下击暴流出流风速模拟试验装置模拟下击暴流稳态风场和瞬变风场,设计并制作了几何缩尺比为λ_L=1∶200的CAARC气弹模型,分别在下击暴流稳态风、瞬态风以及大气边界层B类风场条件下进行了风洞试验研究.结果表明：所模拟的稳态下击暴流风速剖面与经验风速剖面较为吻合;所模拟的瞬态下击暴流风速时程特性、湍流度与已有文献推荐值总体较为吻合;CAARC高层建筑标准模型在稳态、瞬态下击暴流风场作用下,顶部x、y方向位移时程波动较大,与大气边界层B类风场作用下位移时程存在明显差异.     

不同风场下高层建筑风效应的风洞试验研究

在大气边界层风洞中模拟了C,D两类地貌的风场,对某市区办公楼进行了风洞试验,分析了不同风场下高层建筑风压分布特性、风荷载及风致响应特性.结果表明:C类风场下平均风压系数、总体弯矩系数、最大基底剪力和最大基底弯矩均大于D类风场的对应值;C类风场下办公楼风荷载大于D类风场下办公楼风荷载;C类风场下各测点风压谱峰值对应频率均小于D类风场下各测点风压谱峰值对应频率;C类风场下结构顶部峰值加速度大于D类风场下结构顶部峰值加速度.     

低矮房屋标准模型的风洞试验研究

以国际通用的低矮建筑标准模型TIU（德州理工大学）模型为研究对象进行风洞试验,寻求适合于低矮房屋风洞试验的风场以及与风洞试验段相匹配的模型缩尺比.首先进行了1:15、1:30和1:45三种缩尺模型的风洞试验,分析了模型尺寸变化对平均、脉动风压系数和堵塞特征的影响,进而在3种不同湍流度分布的B类风场中对1:30缩尺比的模...     

建筑结构非定常绕流风场的数值模拟方法

给出了一种适用于计算建筑结构非定常绕流风场的大涡数值模拟算法.该算法基于有限差分法,采用曲线坐标结构网格,能精确描述形状复杂的物面边界,为下一步准确模拟含有因结构受风变形所致运动边界的绕流场奠定了基础.该算法采用投影法解耦纳维-斯托克斯方程中的压力和速度,对非定常流场的时间步进采用二阶Adams-Bashforth方法.采用同位网格以减少计算所需内存,为了平抑同位网格下中心差分格式导致的固有压力波动现象,计算对流速度时采用Rhie-Chow动量插值方法,利用编制的曲线坐标系下大涡模拟数值计算程序,对德州理工大学(TTU)建筑足尺模型绕流风场进行了模拟,所得结果与现场实测和风洞试验结果进行了比较.结果表明,本文算法是建筑结构非定常绕流风场数值模拟的有效方法.     

300m级超高层建筑表面风压的数值模拟

以位于广州珠江新城CBD核心区的303m高利通广场超高层建筑为对象,基于Fluent平台模拟结构表面的风压分布,对比了不同湍流模型下的计算结果,并与刚性模型测压风洞试验结果进行了比对．研究结果表明,采用本研究的参数设置和求解方法可以得到与经典文献相同的风压分布规律;观察到了流场中气流分离、再附和尾涡等现象;模拟结果与风洞试验结果具有一致的趋势,最大模拟误差小于25％,位于尾流区的背风面和侧面;Realizable k-ε模型在气流分离区可以得到与风洞试验更加接近的结果．     

群体高层建筑风效应的数值模拟

基于计算流体力学软件平台FLUENT6．3,分别采用标准k-ε模型和RNGk-ε湍流模型,模拟了典型风向角下广州珠江新城利通广场作为单体建筑和处于高层建筑群中的表面风压分布和周围风环境,并与风洞试验结果进行了对比分析．研究表明：数值模拟得到的风压系数结果与风洞试验具有一致的趋势,但标准k-ε模型的结果与风洞试验相差较大,而RNGk-ε模型的结果与风洞试验较为吻合．利通前方的大尺寸低矮建筑可能减小利通各面上的风压．另一方面,利通前方的高层建筑群产生的遮挡效应使其迎风面上的风压系数减小,而利通侧风面和背风面的其他高楼引起的狭缝效应使利通上的风压增加．此外,通过流场数值模拟可对高层建筑群的风环境进行评价．     

低矮建筑非定常绕流大涡模拟影响因素研究

掌握结构周围风场及其特性,是开展建筑结构抗风设计的基础。借助采用大涡模拟（LES）的方法,对低矮建筑非定常绕流进行了大涡数值模拟研究,分别分析了不同运算时间、建筑物不同高度处及不同风速因素,对低矮建筑非定常绕流特性的影响。结果表明：（1）随着时间的增加,建筑物迎风侧的速度和压力均增大,背风侧的压力出现了负值,速度最小值出现在背风侧的涡中心位置;（2）随着建筑物高度逐渐增加,涡的位置逐渐向上偏移,由于风速比较均匀,当遇到建筑物时,在建筑物迎风侧,速度流线会形成一种上升的趋势,背风侧的压力逐渐增加;（3）随着风速的增加,建筑物的背风侧出现了大涡且速度逐渐增大,背风侧的压力最小值逐渐减小。     

斜风作用下季冻区隧道冻胀力分布规律及结构安全性评价

为分析不均匀冻胀荷载对季冻区隧道结构受力及安全性的影响,本文依托某新建铁路隧道工程,在凝练工程区气象特征的基础上,利用数值模拟手段分析了斜风作用下隧道温度场的分布特征,解析得到了支护结构的冻胀力荷载,在此基础上分析了支护结构的受力特征并开展了安全性评价。研究结果表明：斜风作用下隧道较小进深范围内迎风侧与背风侧温度场存在差异,进深10m处差异最为显著;未铺设保温层条件下迎风侧围岩冻结深度约为背风侧的1.8倍,铺设保温层后迎风侧围岩冻结深度减小了约80%,背风侧围岩冻结区基本消失;围岩冻结深度不一致导致冻胀力荷载不均匀分布,冻胀力荷载作用下支护结构迎风侧的应力、轴力、弯矩均明显高于背风侧;未铺设保温层条件下仅仰拱区域符合安全性要求,铺设保温层后各区域均满足要求,但迎风侧安全性明显低于背风侧。     

风帆体型建筑表面风压的分布特征研究

针对典型风帆体型建筑的风荷载采用风洞试验方法进行研究,给出典型风向下风帆建筑的平均风压和脉动风压的分布特征,探讨该体型建筑产生此类分布的原因,并分析围护结构设计时风帆体型建筑的最不利受风区域.研究表明:风帆容易形成"前压后吸"的风压分布,对于迎风面积大、厚度却相对较小的风帆建筑整体抗风较为不利;脉动风压系数与平均风压系数分布规律较为相似,背风区的风压脉动小于侧风区;当风帆建筑锋利边缘处于侧迎风时,来流风会在锋利边缘发生显著的气动分离,使得该区域出现极大的负压.     

下击暴流作用下高层建筑物表面风压分布特性

以CAARC（英联邦航空咨询理事会）高层建筑物标准模型为研究对象,基于计算流体动力学方法研究了下击暴流作用下高层建筑物的表面风压分布特性,并将结果同大气边界层近地风作用下的风压分布特性进行了比较分析.结果表明：下击暴流作用下建筑物模型迎风面风压力最大值位于建筑物的中下部约1/3高度处,不同于近地风作用下的最大值位于建筑物中上部靠近顶部附近;在背风面,下击暴流作用下负压力分布呈下小上大、中间小两侧大的特征,不同于近地风作用下的负压力分布较为均匀、上下端和两侧较大、中间小的分布特性.     

建筑数值风洞的基础研究

数值风洞模拟要想获得理想的计算精度,依赖计算人员的理论基础及其在具体操作中对各种重要因素的选择.针对这个问题,本文采用一个CUBE建筑模型的风洞试验的试验结果作为比较标准,比较了各种不同条件下的建筑数值风洞模拟结果和试验结果,着重分析了网格划分、计算区域、湍流模型和对流项的差分格式等因素对建筑数值风洞数值模拟结果的影响.模拟结果表明:在各种影响因素中,计算区域的影响相对较小,而网格划分、湍流模型的影响相对较大.最后给出如何对上述各种因素作出合理选择的建议.     

等高双方柱平均风压的阻塞效应

基于同步测压技术,在均匀流场中研究了等高双方柱在3种不同布置情况下平均风压的阻塞效应.群体建筑投影面阻塞度的变化范围为2.7%~10.0%.风洞试验结果表明,在均匀来流中,群体建筑平均风压系数的阻塞效应和单体建筑的较为相似,阻塞效应对模型迎风面平均风压的影响可以忽略;但侧面和背风面平均负压随阻塞度增加显著增大.此外,基于风洞试验结果拟合了平均风压修正公式中的阻塞效应调整因子.对比单体建筑,群体建筑的阻塞效应调整因子更小,阻塞效应更加复杂.     

株洲体育场馆的计算流体动力学数值模拟

以株洲体育场馆为研究对象,进行了粘性流场的数值模拟,比较了屋盖升力系数和流场细节,将数值模拟结果和试验结果进行了分析,结果令人满意,特别是基于整个雨篷屋面的体形系数吻合的更好.本文还针对株洲体育中心复杂外形几何特点,构造了特定网格拓扑结构,使用分块结构化网格对该建筑进行数值模拟.模拟结果和试验数据以及涡方法的数值方法结果进行比较,结果表明可以解决具有复杂外形三维建筑物气动力学设计问题,具有较好的计算精度.     

基于非定常风荷载的大跨体育场挑篷结构风致响应

基于刚性模型风洞试验,对一个实际体育场弧形挑篷结构进行风致响应研究,采用平稳激励下随机振动的模态叠加法(CQC法)进行计算.分析了结构的风致响应,比较了挑篷前缘迎风和处于自身尾流区域时风致响应的不同特点.计算结果表明,挑篷前缘处于迎风侧时出现最大响应峰值,而当前缘处于自身尾流区域时结构的响应相对较小;挑篷前缘迎风时背景响应贡献相对尾流区域时的情况大,并且此时阵风响应因子相对较小.