建筑物表面風(fēng)壓分布隨迎風(fēng)面寬度變化的數(shù)值模擬

用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬風(fēng)作用下高層建筑周圍的紊流流場(chǎng),從而得到高層建筑外表面上的風(fēng)壓分布沿側(cè)風(fēng)面長(zhǎng)度方向的變化規(guī)律,并對(duì)風(fēng)壓及風(fēng)壓系數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸,擬合風(fēng)壓系統(tǒng)分布公式,為建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載和暖通滲風(fēng)量的計(jì)算提供依據(jù)。

本文對(duì)上海、杭州三幢高層建筑表面風(fēng)壓模型風(fēng)洞試驗(yàn)的主要結(jié)果進(jìn)行了分析對(duì)比，探討了復(fù)雜體形雙塔樓高層建筑表面風(fēng)壓分布特征，為保證高層建筑大型玻璃幕墻在強(qiáng)風(fēng)暴作用下的安全可靠提供了設(shè)計(jì)參數(shù)。

結(jié)合低層民房風(fēng)荷載及抗風(fēng)性能的研究,基于reynolds時(shí)均n-s方程,采用由標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模型擴(kuò)展的rngk-e模型,對(duì)一幢低層雙坡屋面單體房屋和由六幢該類房屋組成的群體建筑的周圍風(fēng)場(chǎng)及表面風(fēng)壓進(jìn)行了數(shù)值模擬。數(shù)值模擬采用具有良好適應(yīng)性的四面體單元進(jìn)行計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分,頂點(diǎn)中心格式的有限容積法進(jìn)行控制微分方程的離散,simple壓力校正迭代算法實(shí)現(xiàn)對(duì)非線性離散化方程的求解。在單體計(jì)算結(jié)果和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果有較好吻合的前提下,重點(diǎn)獲得了群體效應(yīng)下低層雙坡屋面房屋表面風(fēng)壓的分布規(guī)律和特征。

本文采用數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)由近地三維流動(dòng)風(fēng)引起的建筑物的表面風(fēng)壓。文中運(yùn)用一種擴(kuò)展的ｋ－ε紊流封閉模型，導(dǎo)得了穩(wěn)態(tài)流動(dòng)風(fēng)的統(tǒng)一形式的控制微分方程。采用控制容積法對(duì)微分方程作了離散，ｓｉｍｐｌｅｃ壓力校正迭代算法實(shí)現(xiàn)了非線性離散化方程的求解。實(shí)例計(jì)算與分析比較表明，本文的模擬方法改善了對(duì)建筑物側(cè)風(fēng)面和頂面風(fēng)壓值的預(yù)測(cè)。

本文采用數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)由近地三維流動(dòng)風(fēng)引起的建筑物的表面風(fēng)壓。文中運(yùn)用一種擴(kuò)展的ｋ－ε紊流封閉模型，導(dǎo)得了穩(wěn)態(tài)流動(dòng)風(fēng)的統(tǒng)一形式的控制微分方程。采用控制容積法對(duì)微分方程作了離散，ｓｉｍｐｌｅｃ壓力校正迭代算法實(shí)現(xiàn)了非線性離散化方程的求解。實(shí)例計(jì)算與分析比較表明，本文的模擬方法改善了對(duì)建筑物側(cè)風(fēng)面和頂面風(fēng)壓值的預(yù)測(cè)。

針對(duì)目前《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》無法給出體形復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓分布的缺點(diǎn),基于計(jì)算流體力學(xué)與大氣邊界層理論,利用cfd數(shù)值模技術(shù)對(duì)帶裙房的建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓分布進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明,數(shù)值模擬得到的建筑結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面體形系數(shù)與規(guī)范數(shù)據(jù)吻合較好;只有建筑物的迎風(fēng)面處于正壓區(qū)域,其余面均處于負(fù)壓區(qū)。相關(guān)成果可為建筑物抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

對(duì)正弦波動(dòng)來流條件下三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑物表面風(fēng)壓分布進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬研究.通過對(duì)風(fēng)洞動(dòng)力系統(tǒng)的變頻調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)了正弦來流的周期和振幅變化.采用realizablek-ε(模型和simple算法進(jìn)行了數(shù)值模擬.結(jié)果顯示:來流的正弦波動(dòng)對(duì)建筑表面的風(fēng)壓分布具有顯著的影響,與定常平均來流對(duì)比,風(fēng)壓系數(shù)變化平均達(dá)15%,局部最大值達(dá)45%;正弦來流對(duì)屋面各測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)的影響程度隨正弦來流周期的減小而增大,隨來流振幅的增加而增大;受影響較大的測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)在屋面迎風(fēng)側(cè)流動(dòng)分離區(qū).

對(duì)開洞高層建筑剛性模型進(jìn)行了風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)?；谠囼?yàn)結(jié)果,分析了立面和洞口表面的風(fēng)壓分布規(guī)律,研究了洞口表面脈動(dòng)風(fēng)壓的功率譜。結(jié)果表明:當(dāng)洞口軸線方向與來流方向一致時(shí),迎風(fēng)面洞口附近區(qū)域的平均風(fēng)壓系數(shù)總體上比立面不開洞時(shí)減小,少數(shù)測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)增大,脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)變化較小;背風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)總體上比立面不開洞時(shí)減小,但洞口附近局部平均風(fēng)壓系數(shù)增大可達(dá)40%,脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)的變化規(guī)律與平均風(fēng)壓系數(shù)類似;側(cè)風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)比立面不開洞時(shí)均有不同程度的減小;洞口內(nèi)部為負(fù)風(fēng)壓,脈動(dòng)風(fēng)壓的功率譜與一般高層建筑側(cè)風(fēng)面氣流分離區(qū)域脈動(dòng)風(fēng)壓的功率譜有明顯差異。最后,給出了設(shè)置兩個(gè)洞口時(shí),立面極值風(fēng)壓系數(shù)的影響系數(shù)以及洞口表面極值風(fēng)壓系數(shù)的分布圖。

對(duì)美國(guó)佛羅里達(dá)州邁阿密市區(qū)內(nèi)一棟具有復(fù)雜外形的低層民用建筑剛體模型進(jìn)行測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn),研究了由于建筑物過于接近所形成的夾縫內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓分布特性及其相關(guān)影響因素。結(jié)果表明,任意風(fēng)場(chǎng)下建筑物夾縫內(nèi)始終處于負(fù)壓狀態(tài),甚至產(chǎn)生局部不安全因素。進(jìn)入夾縫的風(fēng)量和風(fēng)速與夾縫內(nèi)負(fù)壓力絕對(duì)值成正比例關(guān)系。適當(dāng)對(duì)夾縫進(jìn)行遮擋能有效減小縫內(nèi)負(fù)壓效應(yīng)。

采用數(shù)值模擬方法對(duì)聯(lián)體型高層建筑“之江大廈”的表面風(fēng)壓進(jìn)行了計(jì)算，并在邊界層風(fēng)洞中對(duì)大廈的風(fēng)壓作了模型試驗(yàn)測(cè)定。數(shù)值模擬基于ｒｅｙｎｏｌｄｓ時(shí)均方程，運(yùn)用了一種擴(kuò)展的ｋ－ε湍流模型；由控制容積法實(shí)現(xiàn)了控制微分方程的離散，ｓｉｍｐｌｅｃ算法實(shí)現(xiàn)了非線性離散化方程的迭代求解。計(jì)算得到的風(fēng)壓值與風(fēng)洞試驗(yàn)值作了比較，結(jié)果表明數(shù)值模擬較好地反映了聯(lián)體型高層建筑各表面風(fēng)壓的分布情況，由其得到的風(fēng)壓系數(shù)與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)有較好的吻合。

通過數(shù)值模擬計(jì)算,討論與分析了三種基本風(fēng)力集中器建筑型式(非流線體型、平板型和擴(kuò)散體型)對(duì)風(fēng)能利用的情況。根據(jù)模擬結(jié)果可知,三種風(fēng)力集中器建筑型式對(duì)增大風(fēng)速、強(qiáng)化風(fēng)能利用均具有良好的效果。

風(fēng)力集中式建筑物風(fēng)能密度分布的數(shù)值模擬——通過數(shù)值模擬計(jì)算,討論與分析了三種基本風(fēng)力集中器建筑型式(非流線體型、平板型和擴(kuò)散體型)對(duì)風(fēng)能利用的情況。根據(jù)模擬結(jié)果可知,三種風(fēng)力集中器建筑型式對(duì)增大風(fēng)速、強(qiáng)化風(fēng)能利用均具有良好的效果。

基于雷諾時(shí)均n-s方程和spalart-allmaras湍流模型,運(yùn)用穩(wěn)定化流體有限元法數(shù)值模擬含檐口雙坡低矮屋面的風(fēng)壓分布和風(fēng)載體型系數(shù),分析了檐口的豎向高度和外伸長(zhǎng)度及屋面坡度等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)屋面風(fēng)載體型系數(shù)和周圍流場(chǎng)的影響.結(jié)果表明:檐口豎向高度對(duì)屋面風(fēng)壓分布和風(fēng)載體型系數(shù)的影響較大;水平外伸檐口自身承受的吸力較大,而其長(zhǎng)度對(duì)屋面風(fēng)載體型系數(shù)影響較小;同時(shí)設(shè)置豎向和水平檐口時(shí),對(duì)屋面風(fēng)載體型系數(shù)的影響明顯.

針對(duì)四個(gè)處理機(jī)的ｔｒａｎｓｐｕｔｅｒ并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，建立了建筑風(fēng)壓數(shù)值模擬問題基于ｓｉｍ－ｐｌｅｃ算法的幾種并行化策略：分區(qū)并行策略、方程并行策略和雙重并行策略。對(duì)各種策略的計(jì)算流程、數(shù)據(jù)通訊及并行效率等進(jìn)行了分析和比較，并通過實(shí)例計(jì)算作了驗(yàn)證。

采用基于rans的sst(shearstresstransport)k-ω湍流模型對(duì)不同屋面坡角下雙坡屋頂?shù)桶ㄖ谋砻骘L(fēng)壓及周圍定常風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,深入分析了坡角對(duì)結(jié)構(gòu)周圍流場(chǎng)及其表面風(fēng)壓的影響.在理解建筑周圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,對(duì)中美澳3國(guó)風(fēng)荷載規(guī)范中關(guān)于封閉式雙坡屋頂?shù)桶ㄖ黧w結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)定做了詳細(xì)比較.結(jié)果表明,采用sstk-ω模型結(jié)合適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件,可較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)表面平均風(fēng)壓系數(shù)及周圍定常流場(chǎng);分析建筑周圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有助于理解并對(duì)比分析規(guī)范中的相應(yīng)規(guī)定.通過規(guī)范比較可知,中國(guó)規(guī)范相對(duì)簡(jiǎn)單,美澳規(guī)范則較為詳細(xì)的考慮了屋面坡角、建筑長(zhǎng)寬比、氣流分離及再附著等因素對(duì)風(fēng)壓系數(shù)的影響.最后,結(jié)合數(shù)值模擬的結(jié)論,給出中國(guó)規(guī)范相應(yīng)規(guī)定的細(xì)化建議.

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為了獲得大型冷卻塔的內(nèi)表面風(fēng)壓,應(yīng)用cfd數(shù)值模擬方法進(jìn)行計(jì)算,分別采用可實(shí)現(xiàn)的k-ε湍流模型和多相流模型計(jì)算由外風(fēng)場(chǎng)作用和冷熱空氣自循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生的內(nèi)壓,并分析這2種內(nèi)壓沿高度和緯度的分布規(guī)律,進(jìn)行2種內(nèi)壓的合成計(jì)算,最后給出冷卻塔內(nèi)壓的建議值.計(jì)算結(jié)果表明:外風(fēng)場(chǎng)作用產(chǎn)生的內(nèi)壓隨高度和緯度變化明顯,自循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生的內(nèi)壓沿著緯度幾乎不變.當(dāng)外風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速較小時(shí),自循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生的內(nèi)壓在合成內(nèi)壓中占一定的比例,當(dāng)外風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速較大時(shí),自循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生的內(nèi)壓可以忽略.

在大氣邊界層風(fēng)洞中對(duì)某高層住宅建筑模型進(jìn)行了風(fēng)壓分布風(fēng)洞試驗(yàn),分析了單體及受擾后建筑表面風(fēng)壓的分布特性.結(jié)果表明:凹形立面同高度處風(fēng)壓的相關(guān)性高,雙層懸挑屋檐中,上層受負(fù)風(fēng)壓控制,下層受正風(fēng)壓控制,頂部玻璃擋板也受正風(fēng)壓控制;建筑物的風(fēng)壓分布受周邊建筑及地形的干擾后產(chǎn)生較大變化,尤其是1倍于干擾物高度范圍內(nèi),脈動(dòng)風(fēng)壓的大小及分布的改變十分明顯;受擾后,建筑物的最小極小風(fēng)壓增大了28%.

風(fēng)洞試驗(yàn)是研究建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓分布規(guī)律的最重要且有效的技術(shù)手段。利用nh-2型風(fēng)洞研究設(shè)施塑料大棚表面風(fēng)壓分布規(guī)律,風(fēng)洞為串置雙試驗(yàn)段閉口回流風(fēng)洞,風(fēng)速連續(xù)可調(diào),最高風(fēng)速為90m/s。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀慰s尺比為1∶6,模型表面共布置192個(gè)測(cè)點(diǎn),其中端面布置3排測(cè)壓點(diǎn),共63個(gè)測(cè)點(diǎn),模型固定在風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤上,試驗(yàn)風(fēng)向角從0°到180°,間隔15°,共13個(gè)風(fēng)向角。測(cè)量和分析不同風(fēng)向角下設(shè)施大棚表面的風(fēng)壓系數(shù)和分布規(guī)律,并推導(dǎo)出了設(shè)施大棚各區(qū)域發(fā)生風(fēng)災(zāi)的臨界風(fēng)速。結(jié)果表明:設(shè)施大棚迎風(fēng)面以風(fēng)壓力為主,迎風(fēng)邊緣等值線密集,風(fēng)力梯度大;背風(fēng)面則受風(fēng)吸力影響,風(fēng)力變化平緩。在不同風(fēng)向角下,設(shè)施大棚各迎風(fēng)區(qū)域風(fēng)壓系數(shù)均由正壓向負(fù)壓過渡,在此過程中出現(xiàn)了零壓區(qū);而一直背風(fēng)的區(qū)域風(fēng)壓系數(shù)均為負(fù)值。在45°風(fēng)向角下,大棚頂端迎風(fēng)邊緣最高點(diǎn)處的負(fù)壓達(dá)到最大。根據(jù)公式推導(dǎo)出各區(qū)域的臨界風(fēng)速,設(shè)施大棚頂部?jī)蓚?cè)區(qū)域受風(fēng)吸力影響最大,最小臨界風(fēng)速為14.5m/s,研究為設(shè)施大棚的風(fēng)災(zāi)防御提供科學(xué)依據(jù)。

針對(duì)上海市某商業(yè)街區(qū)建立了簡(jiǎn)化物理模型,采用離散化的數(shù)值模擬方法對(duì)該街區(qū)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行三維模擬研究。首先采用caarc標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行可行性驗(yàn)證,探討了流體力學(xué)數(shù)值模擬的適用性和精確度。然后對(duì)該街區(qū)風(fēng)場(chǎng)及建筑物的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了由于狹長(zhǎng)t字型建筑布局而引起的巷道風(fēng)效應(yīng)。最后,討論了街區(qū)群樓間間距及建筑布局等因素的改變對(duì)風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)荷載的影響。研究結(jié)果表明,商業(yè)街區(qū)規(guī)劃時(shí)應(yīng)避免巷道風(fēng)效應(yīng),并建議將行人高度風(fēng)環(huán)境納入考慮的范疇。

利用有限分析法數(shù)值模擬了風(fēng)對(duì)建筑物體的繞流，對(duì)高雷諾數(shù)問題引進(jìn)了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式較好地克服了實(shí)際中的困難，對(duì)方形、圓形及兩頭尖等各種形狀物體繞流的計(jì)算結(jié)果表明數(shù)值方法在準(zhǔn)確模擬各種形狀建筑物體的繞流流場(chǎng)方面是成功的。

開敞式拱形波紋鋼屋蓋的風(fēng)壓分布及體型系數(shù)研究