高层建筑物风场和风压力的数值计算

针对高层建筑风场和风压力问题,选用了标准Ｋ－ε紊流模型和交错网格的有限体积法,对两项高层建筑物风场和压力场进行了数值模拟,其结果与经验计算结果进行比较,数模结果比较满意。     

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.     

高层建筑空气动力阴影区的数值计算

空气动力阴影区是建筑物周围风场所形成的旋涡区域，该区域的存在会影响室外的空气品质.利用三维k-ε紊流模型对高层建筑物周围风场进行了数值模拟，探讨了该区域的性质，同时将计算数值与实验数据进行对比，其结果符合很好。     

建筑群行人高度风环境的数值模拟

采用控制容积积分法和求解压力耦合方程的半隐算法求解控制方程,选用标准k-ε湍流模型,对风绕某实际工程建筑群布局的流动特性进行数值计算,得到了建筑周围行人高度处在不同风向时的风速分布.结果表明,在上游建筑物的迎风面拐角附近以及前后排建筑之间的通道,风速最大,漩涡分布最强烈,是建筑物周围风环境最不安全的区域.通过分析比较,讨论了风向、建筑间距等因素对建筑风环境的影响.研究结果对于改进建筑设计与局部气候环境之间的关系具有参考意义.     

下击暴流作用下平屋面风荷载CFD数值模拟

下击暴流具有与常规大气边界层近地风完全不同的风场特征.基于CFD(Computational fluid dynamics)数值仿真技术,完成了几何缩尺比为1∶2 000的下击暴流过程的数值模拟,并将其风剖面的模拟结果与理论模型进行了对比.在此基础上,研究在下击暴流作用下,将大跨平屋面置于距下击暴流中心不同径向位置时,屋面平均风压系数和速度场的分布规律,并与大气边界层风场中平屋面的风荷载特性进行了对比.结果表明:数值模拟方法能够较好地再现下击暴流的风场特性;下击暴流风场中平屋面风压分布规律明显区别于大气边界层风场中的风压特性;平屋面风压分布特性与其距下击暴流中心的距离密切相关,随着平屋面逐渐远离下击暴流中心,屋面所承受的压力逐渐由正压转为负压.     

桥梁风场模拟及主塔响应计算

现代大型桥梁的建设,面临的施工环境越来越复杂.其中,山区桥梁的建设,问题显得尤为突出,山区不但地质情况复杂,而且风环境也多样.风荷载常常是桥梁施工中极其重要的荷载,有时还可能成为控制因素.因此,桥梁施工时风场模拟和风荷载计算显得尤为重要.鉴于现在风场实验条件的局限性,也为了节省投资,风场的数值模拟显得十分必要,也是1种更为经济的方式.以马迹塘大桥为例,对其周边的环境进行了风场模拟,得到了其三分力系数.并在假定某一入口风速的情况下,对其施工中主塔的位移进行了计算.     

螺旋离心泵叶轮区域漩涡空化的计算与分析

在一定工况下,螺旋离心泵内部由经过轮缘间隙的二次流所导致的漩涡涡核低压处会发生漩涡空化,由于螺旋离心泵流道宽阔,该漩涡空化可以得到充分发展.为了研究水力机械内部的漩涡空化特征,应用CFD软件对一台螺旋离心泵的空化特性进行数值模拟计算,分析螺旋离心泵内部发生漩涡空化时的流动规律,捕捉到了该泵内部漩涡空化的分布规律,发现漩涡空化的发生及发展受叶顶间隙压差和叶轮内部压力分布两个因素的共同影响.     

常规风和下击暴流作用下定日镜风压特性比较

利用计算流体动力学方法对常规风和下击暴流作用下定日镜的表面风压进行数值模拟和对比分析.研究结果表明:在常规风和下击暴流作用下,定日镜在各工作仰角下的迎风面均以正压为主,在镜面上边缘存在极小范围的负压区域,背风面负压整体呈现上部小、下部大对称分布的特点.随着工作仰角的增大,在常规风和下击暴流作用下,定日镜迎风面压力峰值中心均由底部逐渐上移,峰值压力逐渐增大,当处于大工作仰角时,迎风面高压区在常规风风场中位于上部,而下击暴流风场中位于中部且高压区分布范围比常规风更大.定日镜背风面负压峰值随工作仰角增大在常规风风场中逐渐减小,而在下击暴流风场中背风面压力基本不变,当处于小工作仰角时,在常规风风场中定日镜背风面谷值压力位于上部,分布梯度明显,在下击暴流风场中背风面压力分布较均匀.     

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.     

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.     

超高层连体建筑风荷载干扰效应大涡模拟研究

超高层三塔连体建筑的主楼受到裙房及子楼的干扰作用显著,以某超高层三塔连体建筑为对象,基于LES(大涡模拟)方法对其进行了24个方向角下的数值风洞试验,并将主楼的体型系数与物理风洞试验结果进行了对比验证,再基于大涡模拟结果分别从平均和脉动风压特性、涡量分布以及干扰机理等方面探讨了超高层多塔连体建筑风荷载和干扰效应.结果表明:大涡模拟和风洞试验结果吻合较好;单体工况下主塔表面随机涡旋较密集、风压脉动较大、且尾流分离区域较小,当子塔处于主塔上游位置时对主塔结构抗风设计存在有利的"遮挡效应",此时来流湍流对主塔风场分布起主导作用;当子塔处于主塔下游位置时会对主塔存在不利的风压放大作用,特征湍流作用更明显.     

双并列高层建筑平均风压系数干扰效应分析

基于风洞测压试验，通过改变双并列高层建筑间的间距和风向角，分析双并列且高度不一的高层建筑表面风压分布特性。结果表明，在单栋高层建筑周围加入施扰建筑形成双并列布局后，两建筑相对立面上的风压分布和风压值会发生较大变化。建筑表面的风压极值随着间距的增大而减小，且随着风向角从0°增大至90°，其由自上而下逐级分布逐渐转变为从左到右的规律分布，正负风压极值分别出现在建筑立面左右边缘的拐角处；当风向角为90°时，两建筑立面间形成加速气流，在建筑表面形成较大的负压，影响建筑结构的抗风性能。     

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。     

某低矮模型房屋实测风场和风压的相关性研究

基于台风"菲特"影响下温州某低矮房屋的环境风场实测数据及该建筑物屋盖上的风压实测数据,对于风场特性和屋盖风压特性参数进行了计算分析.分析结果表明:随着平均时距的减小,平均风速最大值增大;湍流度随着平均风速的增大呈逐渐减小的趋势;建筑物屋面及屋面屋脊边缘处的平均风压均为较大的负压且脉动较大;根据风速和风压的变化趋势可以看出,风场风速与建筑物屋盖上风压呈现明显的相关性,进而在不同的时距条件下对风场风速与屋盖风压的相关性进行了分析,发现取5min为基本时距时风速与风压的相关性系数值较高,说明在确定结构的风荷载时取基本时距为5min更为合理.     

并列建筑物周围风场的数值模拟

研究单体建筑物高度及并列建筑物高差及并列建筑物间距等因素对并列建筑物周围风场的影响．建立了10组不同的并列建筑群布局,计算采用标准k-ε湍流模型．数值计算得到各种布局下建筑群周围风场,并对它们进行了对比分析．结果表明,单体建筑物高度与并列建筑物高差、并列建筑物间距与单体建筑物高度差共同对并列建筑物周围风场产生影响．     

建筑群不均匀性对拖曳力影响的风洞测压实验

针对建筑群不均匀性缺乏系统的研究方法以及多数处于定性研究的现状,从建筑几何结构的形态学角度出发,采用迎风面积指数、平面面积指数、形状指数和综合非直线系数表达建筑群的不均匀性.风洞实验中采用刚性模型测压的方法进行建筑表面压力的测量,并设计了悬浮实验平台直接测量整个区域所受的拖曳力.实验结果表明,分布在较大平面区域内各建筑的单体拖曳力系数沿风向的变化趋势近似为一条热容模式的衰减曲线;利用有代表性的建筑表面压力测量结果求取的整个区域拖曳力系数和基于拖曳力直接测量的拖曳力系数具有相同的趋势,但普遍大10%~20%;对比可知,地面粗糙度改变对模型表面风压差系数的分布影响不显著,综合非直线系数为1.332 5的工况较1.177 5的工况拖曳力系数减小约17.7%,H型建筑表面风压差系数分布与矩形建筑不同,其对气流的强烈作用造成拖曳力系数约34.6%的增加.     

高层建筑简化振型及在结构风振计算中的应用

基于弯剪型悬臂梁模型分析高层建筑的动力特性,给出控制高层建筑振型形状的特征参数;通过对具有不同特征参数的基阶振型曲线进行拟合分析,得到既形式简洁又能准确反映实际结构基阶振型的简化模型;同时,给出控制简化振型形状的振型指数的确定方案.将简化振型应用于实际高层建筑的结构风振计算,结果表明,采用该简化振型能更准确地体现风荷载沿建筑高度的分布情况,提高风荷载和风振响应计算的精度.     

高层建筑干扰气动阻尼的试验研究

在风洞中采用气动弹性模型技术和高频动态天平技术研究了两个高层建筑间的风致动力干扰效应 .根据气弹模型试验数据 ,采用随机减量法 (RDT)及特征系统实现算法 (ERA) ,首次研究了在受扰情况下高层建筑气动阻尼的变化 .在某些工况下 ,受扰建筑的气动阻尼为负值 (且绝对值较大 ) ,使结构总阻尼很低 ,导致了受扰建筑高的动力响应及高的动力干扰因子值 .根据受扰建筑的新的阻尼值 ,重新对高频动态天平试验的数据进行了计算 ,所得动力干扰因子与气弹模型试验结果趋于一致     

任意六面体网格系统的建筑风致干扰数值模拟

采用任意六面体同位网格系统对控制方程进行离散,显式修正了网格非正交性和两相邻网格的错位,构建了与网格系统相适应的SIMPLE算法,并编制通用的建筑间风致干扰的数值模拟程序WSB.应用WSB和任意六面体同位网格系统,对中国沿海地区典型的低层双坡建筑物与上风不同体型建筑物之间的风致干扰进行数值模拟和分析.结果表明:任意六面体同位网格系统的生成、控制方程的离散、SIMPLE算法的实现以及程序WSB正确且有效;上风建筑对抗风起着积极的作用;上风建筑及其体型的不同对低层双坡屋面建筑坡面风压大小和分布形态影响显著.     

风场和周边干扰对高层建筑峰值风压的影响

通过风洞测压实验,研究了风场类型及周边干扰对高层建筑峰值风压的影响.研究结果表明:风场类型对高层建筑峰值风压有着较大影响,当高层建筑周边环境不变(有或者无周边干扰)时,绝大多数情况下,不同场地类别的峰值风压系数由大到小依次是B类,C类,D类.周边干扰对高层建筑峰值风压的影响不仅与周边建筑的相对位置有关,还与高层建筑当时所处的风场类型有关,如当南立面为迎风面时,干扰建筑E,F位于南立面斜前方,表现为遮挡效应,绝大多数测点的峰值风压系数均减小,B类场地时其最大减小幅度可达43%,C类场地时可达37%,D类场地时可达46%.