珠海歌剧院风环境与结构风压的CFD数值模拟研究

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随着社会高速发展,建筑物的高度和复杂度不断提高,风已经成为影响建筑设计以及安全运营的重要影响因素。珠海歌剧院位于珠海香洲东部的野狸岛上,是珠海以及整个珠三角地区的地标建筑之一。主体建筑分为歌剧院和小剧场,外壳为空间网架结构。歌剧院体型较大,水平投影跨度为130m,是横向跨度较大的风敏感结构。因此,研究风对建筑结构的影响以及实时监测建筑结构表面风压是必要的。由于经济原因,传感器数目往往是有限的。利用有限数目风压传感器预测未布置传感器测点处的风压值,继而预测整个研究区域分压分布具有较大的实际应用意义。本文采用CFD数值模拟方法研究了风对珠海歌剧院建筑结构表面及周围环境的影响,并探讨了利用有限风压传感器与数学模型联合预测结构表面风压的方法。本文主要有以下三部分内容:利用CATIA以及RHINO软件建立珠海歌剧院CFD数值模型。设定计算域并划分区域网格,基于FLUENT14.5软件平台进行了12个风方向角下的模拟。通过对比CFD数值模拟与风洞实验得到的区域体型系数,讨论并分析了12个风方向角下建筑结构表面风压分布规律。根据数据对比,可得结论:两种方法得到的建筑结构表面风压分布规律基本一致,但是个别方向角下的风压值有偏差。根据建筑结构表面风压分布规律以及场地常年风速风向规律,确定了风压传感器布置方案。采用BP人工神经网络构建数学模型,结合32个风压传感器预测了未布置传感器测点风压值以及珠海歌剧院片1外表面风压分布。经过预测可得:12个方向角下,未布置传感器的预测样本测点相对误差最大值为9.60%,最大平均值为2.43%,最大标准差为2.78%。预测片1外表面整个区域表面风压的相对误差最大值为5.822%,平均值为0.886%,标准差为1.063%。实现了利用有限数目风压传感器与数学模型联合应用预测目标区域整体风压分布的目的。采用CFD数值模拟方法获得了建筑物周围区域8个方向角下不同高度处风速。根据数值模拟结果以及场地信息得到目标区域的等效风速以及等效风速比。采用超越阈值概率的评估方法、联合评估准则评估珠海歌剧院行人风环境不舒适度等级以及危险度等级。经过评估,珠海歌剧院行人风环境不舒适度等级为优,但是不适合闲坐等活动。危险度等级为安全。
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