平板型高层建筑风能集聚效应研究

为研究平板型高层建筑的风特性影响,本文采用CFD数值模拟方法,以表面风压、风速增大系数作为评价指标,选取风机安装高度、风向角等作为控制变量,通过建立多组工况研究建筑物周围风能集聚效应。结果表明:对于不同的开洞高度,通道内的风压是比较均匀的,随着开洞高度的增加,洞口表面风压会逐渐增大;而风场的风压系数随着建筑物的高度方向是比较均匀的,大约在建筑全高2/3处到达最大;随着风向角的增大,建筑背风面的驻涡会逐步往洞口通道侧移动,当风向角约为15°-30°和60°-75°时,建筑尾流区有"卡门涡街"现象发生。     

低矮房屋屋面局部平均风压数值模拟与分析

为获得低矮房屋屋面局部平均风压的分布规律,将体型比为1.5∶1∶1的低矮房屋屋面划分成若干典型区域并进行数值模拟研究。数值模拟结果与风洞试验结果对比表明,采用两种研究手段分析的结果吻合较好,从而验证了数值模拟技术在分析低矮房屋表面风压的可靠性。基于数值模拟,分析了七类不同屋面坡角低矮房屋在典型风向角下屋面局部区域平均风压的分布规律。结果表明:屋面局部平均风压随风向角改变而变化明显,且表现出一定的规律性;0°风向角下,靠山墙B,E区域形成局部高吸力区;60°风向角下,迎风屋檐A区及屋角J区测点平均风压系数随坡角的增大有明显递减趋势,屋脊C,D区测点平均风压系数随坡角的增大呈现出先增大后递减的趋势;90°风向角下,迎风屋檐A区及屋角J区各测点平均风压在45°坡角时均为正压。研究结果可为我国沿海多发台风地区低矮房屋的抗台风设计提供依据。     

架空钢结构连廊风荷载体型系数数值模拟研究

使用数值模拟方法对某市民服务中心工程架空钢结构连廊的风荷载体型系数在0°、30°、45°和60°风向角下连廊迎风墙面、背风墙面、上表面和下表面的体型系数进行了研究。结果表明:(1)在0°、30°、45°、60°风向角下,对于连廊的迎风墙面,风压以正压为主,而在背风墙面、上表面和下表面,风压均全部表现为负压。(2)连廊迎风墙面、背风墙面、上表面和下表面风压均随着风向角的增大而减小,最不利工况均出现在0°风向角时。根据数值模拟结果对连廊的背风墙面、上表面和下表面分区域给出了体型系数建议值,工程设计中可参考采用。     

开洞低矮房屋屋面平均内外风压数值模拟

为研究开洞低矮房屋在台风环境下的破坏机理,基于ANSYS软件采用SST k-ω湍流模型对低矮房屋封闭、单一洞口的屋面风压分布及变化规律进行数值模拟研究,与全尺模型实测及风洞试验结果对比表明:数值模拟结果与实测及风洞试验结果基本吻合,验证了采用SSTk-ω湍流模型研究低矮房屋表面风压的可靠性;湍流度对平均内风压系数的影响随开洞位置不同而不同,屋顶开洞时,随着湍流度的增大,平均内风压系数的绝对值变小,屋面平均净风压系数增大;屋沿开洞时,随着湍流度的增大,平均内风压系数的绝对值增大,但平均净风压系数的变化不大;风向角对整体屋面平均内风压系数的影响显著,尤其是在开洞边缘区和迎风角部区域。     

主塔干扰下的塔楼屋盖表面平均风压数值模拟

为考察有塔柱干扰时,下塔楼屋盖结构的风压系数,以某工程为背景基于Fluent6.3软件分析了不同风向角下结构表面的平均风压,并讨论了屋盖不同区格的风致干扰效应系数及其随风向角的变化规律。结果表明,当来流位于塔柱之间时,由于狭管效应会使得来流加速,从而导致结构表面风压增大,相比无干扰模型最不利风工况下竖向整体风压系数增大约52%。同时受主塔结构干扰,屋盖不同区格风致干扰效应系数分布不均,在屋面板设计时应引起重视。     

不同端部封闭条件下双跨柱面煤棚风致内压特性北大核心CSCD

采用刚性模型风洞试验方法,分析了两端开敞、两端半封闭和一端开敞、一端半封闭状态下煤棚的主体结构和围护结构的风致内压特性.结果表明:对于主体结构,相比两端开敞状态煤棚,在0°风向角下,一端半封闭、一端开敞状态下的煤棚在开敞端的风压系数增强;在90°风向角下,迎风开敞、背风有墙状态下,内压表现为正,反之则表现为负;迎风端有墙降低低频对风压脉动量的贡献,背风端有墙增强附近测点的功率谱的低频能量.对于围护结构,相比两端开敞状态,一端半封闭、一端开敞状态下煤棚的有墙端正压减小,整体内表面承受的极值风压更大,对结构更为不利.     

不同风向下某多层建筑表面风压数值模拟

针对单体多层无开洞建筑房屋开展了CFD数值模拟表面风压研究,采用ICEM软件建立风场数值计算模型,采用雷诺应力湍流模型、UDF自定义风速入口函数以及一阶迎风函数来定义离散控制方程的对流项,对建筑房屋模型在7个不同风向角的风速作用下的表面风压系数进行了分析。得出建筑房屋迎风面和背风面在不同风向角作用下风压系数分布规律的区别,同时验证了数值模拟结果与相关风洞试验结果趋势一致,数值基本接近。针对串列布置两栋房屋的表面风压相互干扰效应开展CFD数值模拟,定量与定性地分析不同风向下的风致干扰效应对目标房屋与施扰房屋不同位置表面风压的影响。其结果对建筑房屋表面风压的分布规律研究具有参考意义。     

半球形干煤棚表面风荷载与干扰效应数值风洞研究

利用流体动力学软件对单体与成对出现的半球形干煤棚结构表面的风压分布进行模拟,与刚性模型测压风洞试验结果对比发现,数值风洞模拟结果能够较好地模拟结构表面的风压分布。根据数值风洞获得的表面风压值得到了无干扰与有干扰工况下的分区体型系数以及结构整体的阻力、升力系数,同时,讨论分区体型系数、整体阻力、升力系数随风场条件、风向角以及干扰条件的变化规律。     

台风作用下悬挂网壳风荷载特性的数值模拟研究

为研究悬挂网壳结构在台风作用下风载荷的分布特性,应用Fluent软件和计算流体力学(CFD)技术,基于SST k-ω湍流物理模型和田浦湍流强度对其在不同台风工况作用下的风荷载分布规律进行数值模拟。通过分析不同风向角、不同仰角时网壳上、下表面风压分布的规律,对比数值模拟结果与GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》中风载体型系数,得到在台风作用时数值模拟的平均风压系数大于规范中风载体型系数值。该结果对此类大跨度空间结构抗台风设计有一定参考价值。     

交错布局折叠网壳帐篷群的风致干扰效应研究

为研究交错布局折叠网壳帐篷群的风致干扰效应,基于流体动力学和大气边界层基本理论,运用FLUENT软件并借助单体帐篷的风洞试验,探讨与分析湍流模型、离散格式和求解算法等关键技术及参数,建立交错布局帐篷群的数值风洞.以两列交错和三列交错布局下的5个风向角、3种横向疏密系数和4种纵向疏密系数为参数,对96种工况帐篷群中目标帐篷进行表面风压分布特性数值模拟研究,得到不计干扰效应的帐篷群间临界间距,以及目标帐篷各分区的干扰因子.在此基础上,对比分析3种规则布局和交错布局中各帐篷表面的风压分布特性,得到干扰因子变号的区域及适用于群体帐篷的风荷载体型系数.在所选5个风向角下,交错布局折叠网壳帐篷群的风致干扰效应不可忽略,90°风向为最不利风向角.所得结果可为折叠网壳帐篷群体的设计、规划布局及使用提供理论依据.     

考虑区间分布的幂律流体脉动渗透注浆扩散机制研究

脉动注浆技术虽已得到了一定应用,但脉动压力下浆液的扩散机制研究则远滞后于工程实践。为了进一步推广和完善脉动注浆技术,基于注浆过程中脉动压力持续段流量恒定、压力间隔段流量为零的特点,考虑地层参数的不确定性,建立了脉动压力下幂律流体的渗透扩散模型,得到了脉动压力下幂律流体扩散半径的区间分布方程;设计了一套脉动渗透注浆模拟试验装置,得到了不同施工参数下幂律流体在地层内的分布形态;通过在数值模拟中构造脉动压力周期变化模型与孔隙率随机分布模型,实现了脉动压力下幂律流体渗透注浆浆液扩散过程的模拟。研究结果表明:脉动压力作用下幂律流体在地层内扩散范围并非是一个确定的量值,但基本集中在一定范围内,存在明显的扩散半径上下限;浆液扩散半径上下限受脉动注浆压力、脉动频率等影响明显,且上限差值随脉动注浆压力的增大而增大,浆液离散程度表现的更显著;理论计算、数值模拟与模型试验所得的浆液扩散半径随注浆压力的变化趋势一致,理论与数值计算得到的浆液扩散半径上下限数值误差均在可接受范围内,推导的理论公式和建立的数值模型均能较好的描述幂律流体在脉动压力下的扩散过程及区间分布。研究成果可为脉动渗透注浆理论、数值模拟以及实践工程提供一定的指导意义。     

基于环向失稳的浅埋盾构隧道极限支护压力分析

基于数值模拟和理论分析,从环向角度对浅埋盾构隧道开挖面稳定性及极限支护压力进行了研究。通过弹塑性有限元数值模拟,获得了开挖面支护力与变形的关系和最终破坏模式,发现破坏模式主要受内摩擦角和埋深比影响较大,而受黏聚力影响较小。根据得到的破坏模式,建立了一种基于单参数变量的极限平衡模型,通过优化分析得到最危险破坏面和极限支护力。将极限支护力表示为黏聚力、上覆荷载、土体重度与其影响系数乘积的叠加形式进行了分析,其呈现为随内摩擦角、埋深比、侧向支护压力比增大非线性减小、随黏聚力增大近似呈线性减小的规律。通过与数值模拟和离心试验结果对比,验证了所建模型计算极限支护力的合理性。     

用于均质地层隧道渗流场的两种轴对称解

在均质地层中,分别以推广轴对称解与周长等效公式两种方法,研究非圆形断面隧道衬砌水压力,并结合水压力折减系数提出修正施工水荷载的方法。以墙脚处为分析点,将适用于圆形断面的轴对称解推广至非圆形断面,同时提出等效轴对称解,分析两者在不同衬砌与注浆圈渗透系数、衬砌与注浆圈厚度的分析点水压力与渗流量,对比两者与数值解的误差。研究表明:两种理论解得到的衬砌水压力值较为接近,但渗流量差异较大;数值解与等效轴对称解的误差小于与推广轴对称解的误差,数值解大于两种理论解,三种计算结果趋势一致;通过工况与水压力折减系数和渗流量的拟合曲线及水压力折减系数公式,插值计算水压力并实时调整水荷载。推荐在非圆形隧道断面水荷载设计时优先采用等效轴对称解析解的方法。     

风致内外压下圆弧形落地大跨屋盖结构风荷载特性

对某墙面开洞的圆弧形落地大跨钢屋盖机场航站楼风荷载特性进行了风洞试验研究;基于计算流体力学软件FIUENT 6.3,采用RNG ?κ-ε?湍流模型对墙面开洞屋盖结构的内外表面平均风压系数分布、分区净体型系数、风速矢量以及风场流迹线等风荷载特性进行了系统研究,并将数值模拟结果与风洞试验结果进行比较分析。结果表明:数值模拟的净体型系数和平均风压系数分布规律与试验结果吻合良好;墙面洞口全开的情况下,由于迎风洞口与背风洞口处压力差的作用,屋盖内表面风压均表现为风吸力,风压分布亦受到洞口的影响;墙面洞口对屋盖上表面平均风压系数分布影响较小;屋盖迎风挑檐区域受到风荷载下顶上吸的叠加作用,最大净体型系数达-2.83。     

可液化场地地震振动孔隙水压力增长研究的大型振动台试验及其数值模拟

基于数值模拟基本假设,运用有效应力原理以及振动孔隙水压力增长经验模式,采用应力循环孔压增量计算方法,直接针对非自由可液化场地基地震反应的大型振动台试验建立数值计算模型,并据此进行可液化场地基孔压动力增长数值模拟。数值模拟结果表明:分别在0.15g和0.50g El Centro波输入下,孔压在13 s之前无明显变化,至13 s瞬时增长,20 s左右达到最大值,并且自下而上峰期孔压比逐步增大;其中0.5g El Centro波输入下整个土层达到全部液化的孔压比,而0.15g El Centro波输入下仅上部土层具有局部液化的孔压比。同时由数值模拟结果可发现:由于桩-土动力相互作用,致使近桩区孔压较远桩区孔压高且在桩周附近形成一定孔压梯度,但对孔压增长趋势无太大影响;数值模拟获得的地基振动孔隙水压力增长规律与试验记录基本保持一致。总的来讲,这种孔压动力增长的数值模拟方法,在强震输入下基本能够刻画土层中孔压的动力增长过程,而弱震输入下的计算误差较明显。     

混凝土试件内压作用下破裂过程试验

内压作用下混凝土的破坏时有发生，对其破坏过程的研究就显得特别重要。提出了应用东北大学CRISR自主研发的材料破裂过程分析系统(MFPA)对在三个孔压共同作用下的破裂过程进行数值试验方法，并在此基础上进行了物理试验。与数值试验的破裂结果进行比较。结果表明：数值模拟结果与物理试验结果有较好的一致性．通过数值试验再现了模型破坏的全过程，可以观察到物理试验无法准确观测的裂纹的萌生、扩展直至破坏的过程以及破坏过程中的声发射现象，为混凝土破坏过程研究提供了一种新方法，同时为防止混凝土内压作用引起的裂缝控制有参考作用。     

基于UDEC岩体抗压强度尺寸效应的数值研究

利用分形理论,结合Monte Carlo方法生成用于数值实验的节理岩体网络图,选取用于数值实验的节理岩体试件,通过离散元软件UDEC模拟不同围压、不同尺寸数值实验试件的抗压强度,对2组正交节理岩体抗压强度随围压和尺度的变化规律进行了研究。研究表明:随着围压的增大,节理岩体试件的抗压强度也随之增大,抗压强度随围压的变化规律呈线性变化趋势,可拟合为线性变化关系;围压作用下,节理岩体抗压强度仍然具有明显的尺寸效应,但随着围压的增大,尺寸效应有一定的削弱,但不明显;随着试件尺寸的增大,节理岩体试件的抗压强度随之减小,抗压强度随尺寸的变化规律呈非线性变化趋势,可拟合为负指数变化关系。并从理论上讨论了提出的数学关系的合理性。     

低温冻结岩体单裂隙冻胀力与数值计算研究

寒区岩体工程中含水裂隙随温度降低会发生水冰相变产生冻胀力,内部冻胀力会驱动裂隙发生Ⅰ型扩展,从单裂隙入手,基于弹性力学、渗流力学和相变理论,建立了考虑水分迁移下的冻胀力求解模型,冻胀力不仅随着水分迁移通量的增加而迅速降低,还与岩石基质以及冰体的力学强度参数有关。采用等效热膨胀系数法对低温裂隙中水冰相变下热力耦合应力场进行了模拟分析,并与理论模型计算结果进行对比,结果表明冻胀力解析解与数值解吻合较好;结合断裂力学,利用应力外推法得出了裂隙尖端应力强度因子的数值解,与理论解析解及半解析解也具有较好的一致性,最后通过实例验证了等效热膨胀系数法的可靠性,可为研究低温裂隙岩体冻融损伤与裂隙扩展研究提供参考。     

裂隙岩体应力渗流耦合模型在压力隧洞工程中的应用

首先，通过三维有限元方法数值模拟山西万家寨引黄工程高压出水岔管在通水期间围岩和衬砌中的渗流场特征；然后，结合工程通水期间渗压计和多点位移计的监测结果，分析岔管衬砌和围岩内的渗透压力的分布规律及岔管围岩的位移场变化规律。工程实践表明：在围岩弹性模量小于钢筋混凝土弹性模量的情况以及满足围岩的水力劈裂压力大于岔管内压的条件下，岔管钢筋混凝土衬砌方案是切实可行的。研究成果对其他类似工程的设计和施工具有一定的指导作用。     

Quantifying the accuracy of numerical collapse predictions for the design of submarine pressure hulls

An overview of current design practices for submarine pressure hulls is presented, along with the results of a survey of the literature that was conducted to determine standard nonlinear numerical modelling practices for those structures. The accuracies of the conventional submarine design formulae (SDF) and nonlinear numerical analyses for predicting pressure hull collapse are estimated by comparing predicted and experimental collapse loads from the literature. The conventional SDF are found to be accurate within approximately 20%, with 95% confidence, for intact pressure hulls. The accuracy of a wide range of nonlinear numerical methods, including axisymmetric finite difference and general shell finite element (FE) models, is found to be within approximately 16% with 95% confidence. The accuracy is found to be within 9% when only higher fidelity general shell FE models are considered. It is shown how the observations taken from the survey could serve as a starting point for establishing modelling guidelines, quantifying the accuracy of nonlinear FE analysis in pressure hull collapse calculations, and introducing this method into a design procedure by way of a partial safety factor.