典型低矮建筑结构的风压和风效应的模拟与分析

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随着计算机软硬件技术的迅速发展,基于计算流体动力学(CFD)的数值模拟技术因其显著的优势,展现出良好的前景,在风工程领域的研究中引起了越来越多的关注。本文的研究工作依托商业CFD软件,进行结构风场数值模拟。本文阐述了风工程,流固耦合问题,数值模拟方法的研究现状;介绍了大气边界层内平均风速剖面、湍流风剖面、湍流积分尺度等基本特征。阐述了流体动力学基本控制方程,求解Navier-Stokes方程的方法,包括直接数值模拟法(DNS)、大涡模拟(LES)和雷诺平均方法(RANS),其中雷诺平均Navier-Stokes方法是工程中最为常用的求解方法。由于RANS方程是不封闭的,必须引入湍流模型才能进行求解。本章介绍了求解RANS方程常用的几种湍流模型及相关参数,并详细说明了这些湍流模型的优缺点以及适用条件。本文基于Fluent软件平台,选用基于Reynolds平均法的RNG k-ε湍流模型,对低矮带檐口的曲面双坡屋面房屋周围风场和表面风压开展数值模拟,研究了屋面坡度、房屋高度、跨度、长度和房屋檐口类型等各种参数对曲面双坡屋面风压系数及各表面体型系数的影响。研究表明,曲面双坡屋面风压受房屋几何尺寸影响不明显,而受屋面坡度、房屋檐口类型影响明显,且与来风风向角密切相关。屋面风压随房屋高跨比的增大而增大;随屋面坡度增大,迎风面风压绝对值渐小,而背风面则增大。竖向和水平檐口显著影响曲坡屋面的风压大小和分布。基于ADINA软件,对常见的八角伞型柔性膜结构屋盖的风致动力响应进行数值模拟,分析了结构风致位移响应、速度响应、加速度响应、等效应力等关键风效应,主要物性和几何参数包括膜结构矢跨比、初始预应力水平、风向角、膜初始预张力、膜帽处开敞与封闭情形等。总结了膜结构的流固耦合作用风振响应规律,得出了结构风压系数,可供设计参考使用。
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