强台风下带挑檐双坡低矮房屋风荷载特性大涡模拟方法适用性研究

该文基于相关现场实测和风洞试验结果,对强台风下带挑檐低矮双坡房屋气动荷载特性进行了大涡模拟(Large-eddy simulation, LES)研究。研究了台风脉动风场人工合成方法、近壁区网格划分策略及壁面边界条件等模拟参数对带挑檐双坡低矮房屋风荷载特性影响,定量分析利用大涡模拟预测强台风下低矮房屋屋面风压特性的可靠性,并基于大涡模拟全流场信息分析了低矮房屋周边钝体绕流瞬态特征。研究结果表明:基于CDRFG(Consistent discretizing random flow generation) 人工合成湍流方法可以准确模拟具有高湍流度特性的台风风场,并通过先验的网格划分策略可以实现来流湍流自保持性。大涡模拟能够得到与现场实测及风洞试验较一致的平均和脉动风压系数,且极值风压系数在30%误差范围的可靠度达85%以上。迎风挑檐会导致屋面前缘流动分离提前发生,但对迎风前缘屋面风压分布规律影响较小。挑檐下缘形成的分离泡产生较大脉动吸力,挑檐局部净风压系数未显著增大。该文有助于进一步提升强台风下低矮房屋风荷载模拟的有效性,更加深入的掌握低矮房屋的风致破坏机理,为低矮房屋的抗风设计及抗风性能优化提供重要参考。     

檐口形状及附属构造对低矮建筑双坡屋面风压特性的影响

分析表明,低矮房屋在风灾中首先是围护结构的破坏,因此对于低矮房屋抗风性能的改进,最为有效的方法是减小屋面的极值风压。根据我国东南沿海农村住宅的调研报告,并结合浙江省民用建筑图集,8种适用于我国东南沿海农村居民低矮房屋建筑的檐口形状（包括各种檐沟或挑檐）在TJ-2风洞试验室进行了缩尺模型测压试验。研究发现,对于3种具有不同坡度的双坡屋面低矮房屋,这些形状各异且具有附属构造的檐口的出现,抑制了迎风向来流的分离和再附,从而减小了迎风向屋面前沿区域的负风压值;对于减小的幅度而言,拥有26.6&;#61616;和33.7&;#61616;坡角的坡屋面要比拥有14.0&;#61616;坡角的双坡屋面小得多;对于8种檐口而言,具有檐沟、悬挑盖板和竖直挡板的檐口表现出了优异的抗风性能,对最不利面积极值风压的影响,折减幅度可以达到47%以上。     

基于大涡模拟的大气边界层湍流强度对低矮房屋风荷载特性影响研究

对德州理工大学(Texas tech university,TTU)低矮房屋标准模型,以已有现场实测以及缩尺模型风洞实验数据为验证对比,基于大涡模拟(Large-eddy simulation,LES)方法研究了大气边界层湍流强度对低矮房屋风荷载特征的影响机理。采用CDRFG (Consistent discretizing random flow generation) 人工合成湍流方法生成大气边界层湍流,研究了来流湍流度对低矮建筑表面的平均、脉动以及极小值风压分布以及风压非高斯特性的影响,并利用LES能提供非常场流动全流域信息的优势,结合瞬态湍流场结构对大气边界层湍流对低矮房屋风荷载特征的影响机理进行了阐释。结果表明:LES数值模拟得到的平均、脉动及极小值风压系数与实验以及实测结果一致,平均风压结果包络在实测误差范围以内,极小值风压系数最大误差小于10%,脉动风压系数最大误差小于20%且误差区域较小。在来流湍流度增大的过程中,低矮房屋屋面平均风压系数变化较小,脉动风压系数呈显著的线性增加;极小值风压系数变化规律相对复杂,呈现出非线性减小的趋势,风压系数极小值可达?5.0;屋面涡脱强度逐渐被抑制,锥形涡迹线与屋面迎风前缘的夹角由14.4°下降至8.7°。屋面风压非高斯特性主要与屋面形成的涡旋结构相关,表现出典型的右偏软化非高斯过程,且随着来流湍流度的增加风压非高斯特性逐渐减弱。从流场的角度来看,湍流度的增加抑制屋面迎风前缘柱状涡以及锥形涡的形成,加快流动分离的再附,减少分离泡尺度,同时提高了屋盖周围的湍流高频能量成分,从而使脉动风压增加,极小值风压减小以及风压非高斯特性减弱。该研究阐明了大气边界层湍流对低矮房屋风荷载特性的影响机理,有助于进一步理解低矮房屋风致破坏机理,并且为低矮房屋的抗风设计及抗风性能优化提供重要参考。     

具有凹面外形的大跨屋盖结构风荷载分布及风洞试验研究

采用刚性模型测压风洞试验获得某二次凹面结构风荷载分布,对比不同风速、不同风场类型下平均风压系数与脉动风压系数变化。结果表明,结构迎风向边缘由于流体分离形成强负压区,流体再附后在屋面大部分区域形成稳定的低正压区;来流风速对结构表面风荷载分布规律及风压系数值影响不大,紊流度对结构表面风荷载尤其是迎风端流体分离区的风压系数有较大影响,在类似结构的风荷载测试中,需根据实际状况尽可能合理模拟来流紊流。     

低层坡屋面群体建筑表面风压的数值模拟

结合低层民房风荷载及抗风性能的研究,基于Reynolds时均N-S方程,采用由标准k-e湍流模型扩展的RNG k-e模型,对一幢低层双坡屋面单体房屋和由六幢该类房屋组成的群体建筑的周围风场及表面风压进行了数值模拟。数值模拟采用具有良好适应性的四面体单元进行计算区域的网格划分,顶点中心格式的有限容积法进行控制微分方程的离散,SIMPLE压力校正迭代算法实现对非线性离散化方程的求解。在单体计算结果和风洞试验结果有较好吻合的前提下,重点获得了群体效应下低层双坡屋面房屋表面风压的分布规律和特征。     

复杂体型高层建筑表面风压及周围风环境的数值模拟

采用离散化的数值模拟方法对一幢复杂体型高层建筑及其裙房的表面风压与周围风环境进行了模拟计算,并在边界层风洞中进行了模型试验测定。数值模拟基于Reynolds时均方程,分别采用了两种湍流封闭模型:标准k?ε模型和重整化群k?ε模型。通过将两种模型的风压计算结果与风洞试验结果进行比较,获得了该类建筑物表面风压的分布特性,并对建筑周围的风环境作了分析和评价,为结构设计和建筑覆面设计提供了依据。     

野营折叠网壳结构表面定常风场的数值模拟研究

基于流体动力学基本原理和大气边界层基本理论,运用计算流体动力学软件Fluent6.3对野营折叠网壳结构表面风压分布进行数值模拟技术的基础性研究,对比与风洞试验数据,确定复杂体型结构数值模拟时的计算域尺寸、网格划分方式、网格数量、湍流模型等基本参数设定,得到野营折叠网壳在不同风向角下的表面风压分布及其结构体形系数,同风洞试验结果对比,吻和较好。分析表明风速对结构风荷载体形系数影响较小,而风向角对风荷载体形系数的影响较大;所得结构的体形系数,为类似体型结构的抗风设计提供依据。     

圆柱体建筑物风压系数的数值模拟

利用CFD方法对圆柱体建筑物表面风压进行数值模拟,计算圆柱体建筑物的风压系数和风荷载体型系数,分析湍流模型对体型系数的影响。结果显示,在自适应网格条件下的RNG k-ε湍流模型的模拟结果与《建筑结构荷载规范》中给出的圆柱体建筑物风荷载体型系数能够很好的吻合。     

典型形体超高层建筑的风压风场与抗风优化研究

现代建筑的结构高度日益增加,高层建筑截面形式更加多样。近年来,我国出现了许多新型截面形式的超高层建筑,其风荷载的控制是结构风工程领域的研究重点。针对类矩形截面和圆形截面的超高层建筑,基于计算流体动力学方法和ANSYS/FLUENT软件,数值模拟分析不同截面超高层建筑的表面风压分布规律,不同风向角下典型测点的平均风压系数,开展行人高度处风速的比较分析,研究超高层建筑抗风形体优化。结果表明:在超高层建筑转角处,因气流分离的不连续性而出现负风压最大值;风向角对切角矩形截面超高层建筑的风压分布影响显著,当截面切角正对来风方向时,其风压分布最不利;圆形截面超高层建筑负风压量值较小,且利于满足行人风安全性和风舒适性的要求,具有良好的抗风性能。     

单体1:1:6方形截面建筑绕流的大涡模拟

基于Fluent 6软件平台,采用大涡模拟(LES)方法对一宽高比为1:1:6的高层建筑缩尺模型表面的平均和脉动风压进行了数值模拟,并与相应风洞试验结果进行了比较和分析,然后,研究了不同来流湍流度对结构表面风压分布的影响.结果表明:(1)对于类似研究的00风向角下的方形截面建筑来说,结构迎风面风压直接受来流湍流的影响;侧面由于存在流动分离,其风压主要受分离产生的特征湍流的影响,受来流湍流度的影响较小;而背风面处于复杂的尾流区,其表面风压受到的影响因素比较复杂.(2)在风压系数的统计特性和自谱上,LES结果与风洞试验结果均能够基本保持一致,LES方法能够较准确预测结构表面的平均和脉动风压分布.     

屋脊和出山对低矮房屋屋面风荷载的影响

为了研究屋脊和出山对低矮房屋屋面风荷载的影响,在同济大学TJ-2 风洞试验室对无屋脊硬山屋面、有屋脊硬山屋面、无屋脊出山屋面及有屋脊出山屋面这4 种屋面的典型村镇住宅进行了刚性模型测压试验。试验结果表明:屋脊的存在会增大迎风屋面的平均风压和脉动风压,从而一定程度上减小了屋面的整体向上升力;而且随着屋脊的增高,对于硬山屋面这种效果会愈发明显;但屋脊会减小屋角区域的脉动风压,故而对减小屋面的最不利负压有一定的作用。出山的存在对于减小屋面山墙端及屋角区域的平均负压和脉动风压作用显著,因而可以大幅度减小屋面的最不利负压,但出山高度的变化不会引起屋面风压的较大变化。屋脊和出山的共同作用对减小屋面的局部峰值负压最为有效,同时也会减小屋面的升力。从而得出结论:有屋脊出山屋面是对低矮房屋抗风最有利的屋面形式。     

标准低矮建筑TTU三维定常风场数值模拟研究

基于专业计算流体动力学软件平台FLUENT6提供的标准k?ε等多种湍流模型对大气边界层中的TTU(Texas Tech University Building Model)标准低矮建筑的定常风场进行了数值模拟,并将计算结果与场地实测数据及同济大学TJ-2风洞试验结果进行了比较。结果表明,多种湍流模型均能为工程应用提供有效参考,且对于此种体形简单的建筑复杂的雷诺应力模型的预测结果并不优于简单的涡粘模型,这为钝体绕流现象的数值模拟研究提供了有利依据。     

檐沟对低矮房屋屋面风荷载的影响

为了研究细部构造(檐沟)对低矮房屋屋面风荷载的影响,在同济大学TJ-2风洞试验室对无屋脊硬山屋面、有屋脊硬山屋面、无屋脊出山屋面及有屋脊出山屋面这4种屋面分别做了有檐沟、无檐沟的刚性模型测压试验。试验结果表明:檐沟的存在对于减小屋面各区域的用于主体结构设计的平均风压和用于围护结构设计的极值风压大都有较好的作用,尤其是最不利的极值负风压,其减小的幅度最大达到30%。屋脊、出山和檐沟的共同存在会使屋面各区域的平均风压和极值风压都有不同程度的减小,特别是屋面负压敏感区域的极值负压得到了很大的缓和,减小幅度最大高达60%,从而使屋面各区域的极值负压趋于均匀,且随着它们高度的增加,这种效果更加明显,这对于房屋的抗风设计非常有利。     

TTU标准模型表面风压大涡模拟及风洞试验的对比研究

以低矮建筑标准模型TTU(德州理工大学)模型为考察对象,基于专业计算流体动力学软件FLUENT,对1:50缩尺模型进行了大涡模拟研究,并在边界层风洞中对该比例模型进行了风洞试验研究,将大涡模拟结果与风洞试验、场地实测数据进行了比较。结果表明,大涡模拟得到的建筑模型表面平均及脉动风压与风洞试验、现场实测结果吻合较好,没有雷诺数效应的足尺低矮建筑表面的动态风压可通过缩尺模型的大涡模拟进行预测。     

行业标准《屋盖结构风荷载标准》的主要内容

全面介绍了新编行业规范《屋盖结构风荷载标准》的主要内容。针对多种屋盖主体结构的风振响应计算分析和抗风设计,采用平均风压与脉动风振等效静力风压之和表达主体结构的风压标准值,提出了脉动风荷载作用下结构风振响应极值的单目标、多目标等效静力荷载表达方式;采用多目标等效静力风荷载分析方法,给出了平面桁架、张弦梁、网架、球壳、柱壳、鞍形屋盖和悬挑屋盖的风振等效风压系数图表及体型系数图表。采用围护结构风压系数极值表达围护结构的风压标准值,规定了长/短时距的风压极值估计方法,给出了低矮房屋单坡/双坡类屋盖、四坡屋盖、中高层房屋屋盖、开敞屋盖、悬挑罩蓬的风压系数极值图表。《屋盖结构风荷载标准》引入屋盖主体结构风振等效风压系数和围护结构风压系数极值的概念,完善和发展了我国屋盖结构抗风设计的相关规定。     

真空气淬过程数值模拟湍流模型适用性研究

分别采用标准κ-ε模型、重整化群(RNG)κ-ε模型和可实现的(Realizable)κ-ε模型对某喷嘴型真空高压气淬淬火过程进行了数值模拟.结果表明:通过合理选择湍流模型,可以通过数值模拟的方式实现对淬火过程的预测和分析.由于三种湍流模型对湍流耗散率处理方式的不同,使其适用领域有所不同,对于真空气淬过程,可实现的( Realizable)κ-ε模型适用性最好,重整化群(RNG)κ-ε模型次之,标准κ-ε模型与实验吻合度最差.