建筑物表面風(fēng)壓及周圍風(fēng)環(huán)境的數(shù)值模擬研究

1、 暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘 要 風(fēng)荷載是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可缺少的一項(xiàng)重要荷載,隨著大跨度、超高層建筑的大量出現(xiàn),風(fēng)荷載的作用也越來越重要,如何確定建筑物表面風(fēng)壓情況,以便進(jìn)一步研究風(fēng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的作用就顯得非常重要。同時(shí)隨著人們環(huán)保意識(shí)和健康理念的提高,對(duì)建筑物周圍風(fēng)環(huán)境的研究也具有社會(huì)和現(xiàn)實(shí)意義,成為建筑設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的因素之一。 本文研究了高層建筑物表面風(fēng)壓及大跨度屋蓋周圍風(fēng)環(huán)境問題,主要工作如下: 第一、二部分:對(duì)國內(nèi)外有關(guān)計(jì)算風(fēng)工程的研究情況進(jìn)行了闡述。從工程實(shí)際出發(fā),在閱讀大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,綜述了數(shù)值模擬的基本理論和基本方程,對(duì)控制方程的離散格式、邊界條件及數(shù)值迭代方法做了較詳細(xì)的論述。

2、第三部分:利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件fluent,采用標(biāo)準(zhǔn) k -e模型對(duì)不同尺寸的高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬,對(duì)不同工況數(shù)值模擬結(jié)果差異進(jìn)行了分析比較,總結(jié)歸納了這類結(jié)構(gòu)的表面風(fēng)壓分布規(guī)律,為這類結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究與設(shè)計(jì)提供了參考。并將試驗(yàn)結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)比較,驗(yàn)證了風(fēng)荷載數(shù)值模擬方法在實(shí)際工程應(yīng)用中的可行性和可靠性。 第四部分:對(duì)建筑周圍風(fēng)環(huán)境舒適性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了闡述和討論,并采用數(shù)值方法對(duì)大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬,得到了平均速度、湍流度的等值分布曲線,取得較好的結(jié)果,并對(duì)周圍不同區(qū)域的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了預(yù)測(cè)和評(píng)估,同時(shí)提出了一些改善風(fēng)環(huán)境的方法。關(guān)鍵詞:高層建筑 大跨度結(jié)構(gòu) 數(shù)值模擬 風(fēng)場(chǎng) 風(fēng)環(huán)境

3、i pdf 文件使用 pdffactory pro 試用版本創(chuàng)建 /0.暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文 abstractwind load is a kind of important loads to the buildings, and it is indispensable in the structure design. following the appearance of large-span roofs, high-rise buildings, it becomes very important to measure the distribution of the wind pressu

4、re on the surface of the buildingsat the same time , with the enhancement of peoples consciousness about environmental protection and health ,the study about wind environment have social and real sense and become the one of factors in structure design. this thesis studies the wind pressure on the su

5、rface of high buildings and wind environment problem around long-span roof structurespart i、ii : it presents recent research findings of the computational wind engineeringstart off the practice of engineering,based on a great deal of the data and literatures,we first establish basic theory including

6、 the governing equations for the numerical prediction. governing equation discretization , boundary condition and iterative algorithm forsolution of discretized equations are then described in detailpart iii: the high-rise buildings with different scales is simulated by fluent which is an analysis s

7、oftware of computational fluid dynamics, using the standard k -e model. through comparisons with different test conditions we theoretically conclude and summarize the rule of the wind pressures on the surface of the high-rise buildings structure. the results can be the reference of the construction

8、of buildings against typhoon. comparisons between the results of the numerical simulation and the wind tunnel test of the building model are presented in detail,this demonstrates the accuracy and validity of the numerical method in real engineeringpart iv: criteria for evaluating the degree of comfo

9、rt of the wind environment around buildings are described and discussed. the large-span structure is simulated and the distribution of mean wind speed and rms wind speed for all case as contour maps and current findings. the wind environment in different areas around the large-span building is predi

10、cted and the degree of comfort of the environment is evaluated. several proposals for improving the comfort of wind environment are presented at the same timekey words: high-rise building; large-span structure; the numerical simulation; the windfield; wind environmentii pdf 文件使用 pdffactory pro 試用版本創(chuàng)

11、建 /.暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 摘 要. i abstractii 目 錄iii 第一章 緒論 1 1.1引言. 1 1.2計(jì)算風(fēng)工程的研究進(jìn)展 3 1.3本文的主要工作 5 第二章 數(shù)值模擬基本方法和理論. 6 2.1 湍流流動(dòng)特征6 2.2 湍流的基本方程6 2.3 數(shù)值模擬方法9 2.4 湍流模型11 2.5 近壁面邊界層的處理方法15 2.6 數(shù)值計(jì)算方法.17 2.7 fluent軟件簡(jiǎn)介19 第三章 高層建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)荷載的數(shù)值模擬.20 3.1 風(fēng)洞試驗(yàn)簡(jiǎn)介.20 3.2 幾何模型的建立.21 3.3 網(wǎng)格的劃分.21 3.4 邊界條件的設(shè)定.22 3.5 湍流模型的選取.

12、24 3.6 計(jì)算和求解.24 3.7 計(jì)算過程與結(jié)果.25 3.8 結(jié)果分析與結(jié)論.31 3.9 本章小結(jié)34iii pdf 文件使用 pdffactory pro 試用版本創(chuàng)建 /.暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第四章 大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)環(huán)境的數(shù)值模擬35 4.1 概述.35 4.2 我國建筑風(fēng)環(huán)境研究現(xiàn)狀36 4.3 與人體相關(guān)的風(fēng)環(huán)境評(píng)估標(biāo)準(zhǔn).36 4.4 風(fēng)環(huán)境的數(shù)值模擬40 4.5 風(fēng)環(huán)境的預(yù)防和改善.52 4.6 本章小結(jié)53 第五章 總結(jié)與展望.54 5.1 本文總結(jié)54 5.2 工作展望55 參考文獻(xiàn).56 致謝59iv pdf 文件使用 pdffactory pro 試用版本創(chuàng)建 /.

13、暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 1.1引言風(fēng)是空氣相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)而形成的。由于太陽對(duì)地球上大氣加熱和溫度上升的不均勻性,在地球相同高度的兩點(diǎn)之間產(chǎn)生壓力差,使得不同壓力差的地區(qū)產(chǎn)生了趨于平衡的空氣流動(dòng),于是形成了風(fēng)。 1風(fēng)災(zāi)是自然災(zāi)害中影響最大的一種 。1926年的一次颶風(fēng)襲擊,使美國一座 10多層的meyer-kisser大樓的圍護(hù)結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞,鋼框架結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形,大樓在整個(gè)2風(fēng)暴中嚴(yán)重?fù)u晃 。紐約一幢55層的塔樓建筑,在東北大風(fēng)作用時(shí),由于建筑物的擺動(dòng),使人不能在頂部幾層的寫字臺(tái)進(jìn)行書寫,建筑物的風(fēng)運(yùn)動(dòng)使人體產(chǎn)生了不舒適感。1940年,美國華盛頓州塔科馬海峽建造的塔科馬懸索橋

14、,完工不到 4個(gè)月,就在一場(chǎng)風(fēng)速不到20ms /3的災(zāi)害下產(chǎn)生上下和來回扭曲振動(dòng)而完全損毀倒塌 ,這一事件引發(fā)了對(duì)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的效應(yīng)及風(fēng)荷載本身特性的廣泛研究。 3風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用,使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng),會(huì)產(chǎn)生以下幾種結(jié)果 : (1)使結(jié)構(gòu)物或結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到過大的風(fēng)力或不穩(wěn)定; (2)使結(jié)構(gòu)物或結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生過大的擾度或變形,引起外墻、外裝修材料的損壞; (3)由反復(fù)的風(fēng)振動(dòng)作用,引起結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞損壞; (4)氣動(dòng)彈性的不穩(wěn)定,致使結(jié)構(gòu)物在風(fēng)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生加劇的氣動(dòng)力; (5)由于過大的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng),使建筑物的居住者或有關(guān)人員產(chǎn)生不舒適感?？梢婏L(fēng)荷載是建筑物的一種主要側(cè)向荷載,對(duì)建筑物作用所引起的響應(yīng)在總荷

15、載中占有相當(dāng)大的比重,并且隨著國民經(jīng)濟(jì)地發(fā)展,高層和超高層建筑大量涌現(xiàn),對(duì)風(fēng)作用的敏感性也大大增強(qiáng),人們對(duì)居住環(huán)境的要求也日益提高,伴隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展和建筑設(shè)計(jì)要求的提高,有必要對(duì)建筑物風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)壓開展全面深入的系統(tǒng)研究,對(duì)建筑物表面風(fēng)壓分布規(guī)律進(jìn)行研究是正確計(jì)算建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的需要,為合理規(guī)劃城市建設(shè)布局和高層4建筑設(shè)計(jì)提供重要的參考數(shù)據(jù) 。 同時(shí)隨著人們環(huán)保意識(shí)和健康理念的提高,對(duì)建筑物周圍風(fēng)環(huán)境的研究也具有社會(huì)和現(xiàn)實(shí)意義,成為建筑設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的因素之一。對(duì)周圍風(fēng)環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),必將成為建筑和城市規(guī)劃的的重要環(huán)節(jié),為了營造健康、舒適的居住微環(huán)境,需要在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段對(duì)建筑物周圍的風(fēng)環(huán)境情

16、況做出預(yù)測(cè)評(píng)價(jià),用來指導(dǎo)、優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)。- 1 -pdf 文件使用 pdffactory pro 試用版本創(chuàng)建 /.暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文 對(duì)建筑物表面風(fēng)壓和周圍風(fēng)環(huán)境的傳統(tǒng)研究方法有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)兩種方法?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是結(jié)構(gòu)風(fēng)工程中最直接的研究手段,可以收集第一手資料,但是該方法只能對(duì)已經(jīng)建成的建筑物進(jìn)行測(cè)試,所受限制很大,而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力,代價(jià)昂貴。風(fēng)洞試驗(yàn)是可靠性比較高的預(yù)測(cè)方法,也是目前風(fēng)工程領(lǐng)域研究的常用方法,在建筑繞流和建筑物風(fēng)荷載的研究中起著重要作用。它需要在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室中再現(xiàn)實(shí)際建筑物周圍風(fēng)環(huán)境,制作實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)的縮尺模型,使氣體流過模型。但是風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱髻M(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且建設(shè)風(fēng)洞投資

17、不菲,試驗(yàn)周期長,對(duì)不同的建筑設(shè)計(jì)方案不可能全部進(jìn)行試驗(yàn),并且由于近地風(fēng)的紊亂性和隨機(jī)性,很難準(zhǔn)確的模擬實(shí)際風(fēng)場(chǎng)。由于風(fēng)洞試驗(yàn)的局限性并隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)值模擬己經(jīng)逐步成為繼風(fēng)洞試驗(yàn)后預(yù)測(cè)建筑物表面風(fēng)壓、周圍風(fēng)速和湍流特性的又一種嶄新的有效方法,即計(jì)算風(fēng)工程(computing wind engineering,簡(jiǎn)稱 cwe ),其核5,6心內(nèi)容是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics ,簡(jiǎn)稱cfd 。 計(jì)算風(fēng)工程是一門較新的交叉學(xué)科,從誕生至今僅僅走過20幾年的光景,還處于起步7階段,但顯示了蓬勃生機(jī) 。它是利用計(jì)算機(jī)對(duì)建筑物風(fēng)場(chǎng)和表面風(fēng)荷載進(jìn)行模

18、擬計(jì)算,與直接的風(fēng)洞試驗(yàn)相比較,具有顯著的優(yōu)越性:能夠方便的模擬建筑物周圍真實(shí)風(fēng)環(huán)境,可以按照建筑物實(shí)際尺寸構(gòu)造計(jì)算模型,這樣可以按實(shí)際風(fēng)環(huán)境進(jìn)行仿真和模擬,彌補(bǔ)了風(fēng)洞試驗(yàn)只能進(jìn)行縮尺試驗(yàn)的缺點(diǎn)。而隨著湍流模型的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)軟、硬件的飛速進(jìn)步,也極大的推動(dòng)了cfd技術(shù)的發(fā)展,使得對(duì)建筑物進(jìn)行數(shù)值模擬并獲得可靠結(jié)果成為可能。1.2計(jì)算風(fēng)工程的研究進(jìn)展人們自20世紀(jì)60年代開始,將cfd首先應(yīng)用于飛行器和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)研究、設(shè)計(jì)和制造,從80年代開始以計(jì)算流體力學(xué)為工具逐步對(duì)建筑物風(fēng)荷載進(jìn)行大規(guī)模的研究,直到現(xiàn)在已經(jīng)形成了一個(gè)重要的方法?計(jì)算風(fēng)工程。80年代初期被譽(yù)為計(jì)算風(fēng)工程的黎明,隨后經(jīng)

19、過國內(nèi)外眾多學(xué)者的努力,計(jì)算風(fēng)工程領(lǐng)域已經(jīng)取得了許多成就。 1.2.1 國外方面 81933年,英國人 thom首次數(shù)值求解了二維粘性流體偏微分方程,cfd從此誕生 。1963年,在英國 teddington召開了首屆國際風(fēng)工程學(xué)術(shù)會(huì)議,研究了很多風(fēng)工程問題,標(biāo)志著風(fēng)工程已成為一個(gè)重要學(xué)科。此后,每隔四年召開一次。- 2 -pdf 文件使用 pdffactory pro 試用版本創(chuàng)建 /.暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文 9 101987 年,s.murakamil 等人最早用大旋渦模擬方法 研究了繞三維建筑的不穩(wěn)定風(fēng)場(chǎng),他將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較,結(jié)果表明大渦模擬法精度很高,與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合,并

20、對(duì)模型進(jìn)行了分折和改進(jìn);1989年他們又用 k -e模型,采用中心差分方法對(duì)三維立方體進(jìn)行了不同網(wǎng)格條件下的一系列計(jì)算,當(dāng)網(wǎng)格較密時(shí)與自己的實(shí)驗(yàn)資料比較吻11 12合 ;近年來stathopoulous 等人對(duì) k -e模型進(jìn)行了修改,對(duì)計(jì)算矩形建筑物周圍流體13速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)也作了有益的嘗試,在提高模擬精確度方面取得了進(jìn)展;rodi 等人則對(duì)k -e模型提出了修改,特別是對(duì)耗散方程進(jìn)行了修正,取得了較好的模擬結(jié)果;katarzyna 14klemm 使用 k -e二方程湍流模型,運(yùn)用大型流體計(jì)算商業(yè)軟件 fluent4.3對(duì)兩個(gè)建筑物周圍的風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)環(huán)境做了較詳細(xì)的分析,討論了周圍物體的存在對(duì)

21、建筑物周圍風(fēng)環(huán)境的影15響;song 和he 對(duì)建筑物和結(jié)構(gòu)物周圍的風(fēng)環(huán)境相關(guān)問題進(jìn)行了研究。 1.2.2 國內(nèi)方面 國內(nèi)以結(jié)構(gòu)風(fēng)工程為名的學(xué)術(shù)會(huì)議每二年召開一次,以風(fēng)工程,與工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)為名的學(xué)術(shù)會(huì)議,則每四年召開一次,說明風(fēng)工程的研究以及在土木工程設(shè)計(jì)計(jì)算中的應(yīng)用己得到很大的重視。 同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室顧明、楊偉選用標(biāo)準(zhǔn) k -e模型和 realizable k -e模型計(jì)算了大氣邊界層中單棟高層建筑的定常風(fēng)流場(chǎng),并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)16進(jìn)行了比較,結(jié)果表明realizable k -e比 k -e模型模擬精度更好,和試驗(yàn)符合更好 。 傅繼陽針對(duì)影響大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載

22、分布特征的諸多復(fù)雜因素,并結(jié)合深圳會(huì)議展覽17中心風(fēng)洞試驗(yàn)項(xiàng)目的研究,成功地預(yù)測(cè)了大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓分布特性等等 。 18符永正、李義科等 采用 k -e雙方程湍流模型和stmple算法,對(duì)高層建筑周圍的空氣繞流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,模擬結(jié)果表明迎風(fēng)面上均為正壓,但分布很不均勻,背風(fēng)面均為負(fù)壓,分布相對(duì)均勻,側(cè)面均為負(fù)壓,但分布很不均勻,其結(jié)果與試驗(yàn)比較兩者規(guī)律基本相同。 19徐義華,江叔通 對(duì)兩幢形狀大小不一樣的建筑物的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了其風(fēng)場(chǎng)速度矢量和壓力分布,以期對(duì)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。 由上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司和加拿大nti公司合作成立的“建筑風(fēng)工程計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)研究

23、中心”,將仿真技術(shù)運(yùn)用到上海世博會(huì)的建筑群體設(shè)計(jì)中,同時(shí)將對(duì)在建20的東海大橋兩座橋頭堡的風(fēng)壓狀況進(jìn)行測(cè)試,給至關(guān)重要的橋頭堡建設(shè)提供參考依據(jù) 。 21對(duì)于風(fēng)環(huán)境及舒適性問題,murakami 認(rèn)為,環(huán)境問題主要包括人體周圍風(fēng)的傳熱與- 3 -pdf 文件使用 pdffactory pro 試用版本創(chuàng)建 /.暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文 動(dòng)態(tài)影響、建筑物周圍風(fēng)環(huán)境、建筑物周圍污染物擴(kuò)散、小區(qū)內(nèi)部風(fēng)環(huán)境以及整個(gè)城市整體風(fēng)環(huán)境等幾個(gè)方面,認(rèn)為隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展,風(fēng)環(huán)境的計(jì)算機(jī)模擬已經(jīng)逐漸成為可能。 1.2.3發(fā)展趨勢(shì)計(jì)算風(fēng)工程與傳統(tǒng)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)相比有其自己的優(yōu)勢(shì),其成本低,速度快;具有模擬真實(shí)和理想條件

24、的能力;資料完備。但其研究還是屬于比較困難的領(lǐng)域,主要由于建筑物對(duì)于風(fēng)流動(dòng)表現(xiàn)為鈍體形狀,鈍體周圍的流場(chǎng)由撞擊、分離、再附、環(huán)繞和旋渦等確定,十3分復(fù)雜,當(dāng)今世界上被認(rèn)為是最困難的的所有流體動(dòng)力學(xué)內(nèi)容都在計(jì)算風(fēng)工程中 。目前計(jì)算風(fēng)工程的發(fā)展表現(xiàn)為四個(gè)方向:從基礎(chǔ)研究階段向?qū)嶋H應(yīng)用階段、從建筑物22尺度向人體尺度、從建筑物尺度向全球尺度、從結(jié)構(gòu)土程向環(huán)境工程拓展 。 在國內(nèi)計(jì)算風(fēng)工程的起步較晚,處于探索階段,目前主要工作集中在將數(shù)值模擬在土木工程領(lǐng)域中的發(fā)展從理論研究階段逐步推進(jìn)到應(yīng)用階段,具體地表現(xiàn)在鈍體繞流的速度和壓力場(chǎng)的分析;繞建筑物近地面步行風(fēng)問題的分析;繞建筑物或城區(qū)大氣污染擴(kuò)散分析;

25、3繞人體速度和溫度場(chǎng)的分析以及流體和結(jié)構(gòu)的禍合分析;城市和區(qū)域氣候分析等 。1.3 本文的主要工作本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同尺寸的高層建筑物表面風(fēng)荷載進(jìn)行了研究探討,并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,在此基礎(chǔ)上對(duì)高層的表面風(fēng)壓分布規(guī)律進(jìn)行總結(jié),為抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。另外對(duì)某大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)周圍的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行計(jì)算分析和評(píng)估。 主要內(nèi)容如下: 1.建立數(shù)值模擬的基本理論和基本方程,確定合理適用的封閉模型和求解方法。著重闡述了平均navier-stokes方程、標(biāo)準(zhǔn) k - e模型和 rsm模型,并對(duì)控制方程的離散格式、邊界條件及數(shù)值迭代方法做了較詳細(xì)的介紹。 2.采用兩種不同模型對(duì)不同尺寸的高層建筑物進(jìn)行了數(shù)值

26、模擬計(jì)算,分析比較了周圍風(fēng)流場(chǎng)中的速度分布和風(fēng)壓分布,并將模擬計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。同時(shí)對(duì)高層建筑物的表面風(fēng)壓分布特性進(jìn)行歸納總結(jié),為這類結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)研究與設(shè)計(jì)提供了參考。 3.對(duì)大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)周圍的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬計(jì)算,選擇結(jié)構(gòu)周圍人流密度較大的幾個(gè)- 4 -pdf 文件使用 pdffactory pro 試用版本創(chuàng)建 /.暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文 區(qū)域和各角點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行的風(fēng)速比計(jì)算,對(duì)人體舒適度做出初步評(píng)估,并提出改善風(fēng)環(huán)境的一些方法。 4.對(duì)本文的研究工作進(jìn)行總結(jié),對(duì)計(jì)算風(fēng)工程中的一些問題提出了一些自己的看法,并提出了需要進(jìn)一步進(jìn)行的研究工作。- 5 -pdf 文件使用 pdffact

27、ory pro 試用版本創(chuàng)建 /.暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章數(shù)值模擬基本方法和理論 2.1 湍流流動(dòng)特征 湍流流動(dòng)是自然界常見的流動(dòng)現(xiàn)象,在多數(shù)工程問題中流體的流動(dòng)往往處于湍流狀態(tài),湍流特性在工程中占有重要的地位。湍流是一種高度復(fù)雜的三維的非穩(wěn)態(tài)、帶旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則流動(dòng)。流體試驗(yàn)表明,當(dāng)reynolds數(shù)小于某一臨界值時(shí),流動(dòng)是平滑的,相鄰的流體層彼此有序地流動(dòng),這種流動(dòng)稱作層流。當(dāng) reynolds數(shù)大于臨界值時(shí),會(huì)出現(xiàn)一系列復(fù)雜的變化,最終導(dǎo)致流動(dòng)特征的本質(zhì)變化,流動(dòng)呈無序的混亂狀。這時(shí),即使是邊界條件保持不變,流動(dòng)也是不穩(wěn)定的,速度等流動(dòng)特性都隨機(jī)變化,這種狀態(tài)我們稱為湍流。從物理結(jié)構(gòu)上看

28、,可以把湍流看成是由各種不同尺度的渦疊合而成的流動(dòng),這些渦的大小及旋轉(zhuǎn)軸的方向分布是隨機(jī)的。大尺度渦主要由流動(dòng)的邊界條所決定,它主要受慣性影響而存在,是引起低頻脈動(dòng)的原因;小尺度的渦主要是由粘性力所引起,是引起高頻脈動(dòng)的原因。大尺度的渦破裂后形成小尺度的渦,較小尺度的渦破裂后形成更小尺度的渦。在充分發(fā)展的湍流區(qū)域內(nèi),流體渦的尺寸可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)連續(xù)變化。大尺度的渦不斷從主流獲得能量,通過渦間的相互作用,能量逐漸向小尺寸的渦傳遞。最后由于流體粘性的作用,小尺度的渦不斷消失,機(jī)械能就轉(zhuǎn)化為流體的熱能。同時(shí)由于邊界的作用、擾動(dòng)及速度梯度的作用,新的渦旋又不斷產(chǎn)生,這就構(gòu)成了湍流運(yùn)動(dòng)。一般認(rèn)為,無論

29、湍流運(yùn)動(dòng)多么復(fù)雜,非穩(wěn)態(tài)的連續(xù)方程和navier-stokes方程對(duì)于湍流的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)仍是適用的。3,232.2 湍流的基本方程任何流動(dòng)問題都必須滿足質(zhì)量守恒定律,質(zhì)量守恒定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式是連續(xù)方程。連續(xù)方程意即單位時(shí)間內(nèi)流體微微元體中質(zhì)量的增加,等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。 考慮流體中一個(gè)固定的微元控制體 dv,由以上定律可得連續(xù)性方程表達(dá)式如下:r?rurr vw + + + 0 2.1t ?x yz6 pdf 文件使用 pdffactory pro 試用版本創(chuàng)建 /.暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文 z式中 r為空氣密度,u, v, w分別為直角坐標(biāo) x, y, 方向的流速分量。 上面給出

30、的是瞬態(tài)三維可壓縮流體的連續(xù)方程,對(duì)于流動(dòng)風(fēng),因?yàn)槠滹L(fēng)速一般不超過聲速的20%,所以一般情況下,將低速流動(dòng)的空氣作為不可壓縮流體,則密度 r為常數(shù),連續(xù)方程(2.1)變?yōu)閡vw + + 0 2.2x yz運(yùn)動(dòng)方程也稱流體微團(tuán)的動(dòng)量方程,是流體流動(dòng)過程中動(dòng)量守恒性質(zhì)。動(dòng)量守恒定律也是任何流動(dòng)系統(tǒng)都必須滿足的基本定律,可表述為:微元體中流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的各力之和。該定律實(shí)際上是牛頓第二定律。 通過分析流動(dòng)空間中流體微元的受力情況和運(yùn)動(dòng)情況,并根據(jù)牛頓第二定律的力平衡z方程,可得 x, y, ,三個(gè)方向的動(dòng)量方程表達(dá)如下:s ?ru?ruu?rr uv uwpssyx

31、xx zx+ + + - + + + f x?t ?x ?y ?z ?x ?x yz ?s ss?rv?rvu?rr vv vwp xy yy zy+ + + - + + +f y?t ?x ?y ?z ?y? xyz ?s?rw?rwu?rr wv wwp?s ?syzxz zz + + + - + + + fz?t ?x ?y ?z ?x ?xyz 2.3 式中,p是流體微元體上的壓力; s i,j x, yz是因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的粘性應(yīng)力分量; ijf, f, f是微團(tuán)上單位質(zhì)量流體的質(zhì)量力; x y z式2.3是對(duì)任何類型的流體均成立的動(dòng)量守恒方程。在計(jì)算風(fēng)工程中

32、假設(shè)流動(dòng)風(fēng)為粘性流體即牛頓流體。對(duì)于牛頓流體,粘性應(yīng)力與流體的變形率成比例,有如下關(guān)系式:7 pdf 文件使用 pdffactory pro 試用版本創(chuàng)建 /.暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文us+2mldivuxx?x?vs+2mldivuyy?y?ws+2mldivuzz?z (2.4)? uvssm+xy yx yx uwssm+xz zx zx vwssm+yz zy zy?u vw上式中, divu + ;x yzm為第一粘性系數(shù),簡(jiǎn)稱粘性系數(shù); l為第二粘度,一般可取 l=-2/3 將(2.4)式代入(2.3)式,可得不可壓縮流體的納維-斯托克(navier-stokes)方程,簡(jiǎn)稱為n-s方

33、程: 2?u?uu 1?piii+uf-+nji (2.5)t?x r?x xxj i jj采用比較直觀的坐標(biāo)表達(dá)式為:u ?u ?u up 12+u +v +w - +fu + nx t x ?y zxr?u?v?v vp 1y2+u +v +w - +fv + ny?t ?x ?y zyr?w ?w ?wwp 12+u +v +w - +fw + nz?t ?x ?y zxr (2.6) m上式中n ,為流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù),通常為常量;r222?2 +,式(2.6)與式(2.2)一起構(gòu)成了不可壓縮湍流的基本方程。通2 22?x yz8 pdf 文件使用 pdffactory pro 試用版

34、本創(chuàng)建 /.暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文 常有四種解法:分析理論方法、直接數(shù)值解法、平均 n-s方程和湍流模型、亞格子模型的大渦模擬方法。分析理論方法研究方程的封閉問題、n-s方程初值問題的存在性理論和湍流的非線性相互作用問題,分析理論方法用來分析一般湍流有很大困難。直接數(shù)值解不引入任何湍流模型,而用計(jì)算機(jī)數(shù)值求解完整的三維非定常的n-s方程,對(duì)湍流的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行直接的數(shù)值模擬,在三維空間上,特別是在雷諾數(shù)較高時(shí),其計(jì)算機(jī)求解的速度和耗時(shí)是不能忍受的;直接數(shù)值模擬的結(jié)果可以用來檢驗(yàn)各種湍流模型。2.3 數(shù)值模擬方法 目前的湍流數(shù)值模擬方法可以分為:直接數(shù)值模擬方法、非直接數(shù)值模擬方法。所謂的直接數(shù)值模

35、擬方法就是直接求解瞬時(shí)湍流控制方程,而非直接數(shù)值模擬方法不直接計(jì)算湍流的脈動(dòng)特性,而是設(shè)法對(duì)湍流做某種程度的近似和簡(jiǎn)化處理。依據(jù)所采用的近以和簡(jiǎn)化方法不同,非直接數(shù)值模擬方法分為大渦模擬、統(tǒng)計(jì)平均法和reynolds平均法。 統(tǒng)計(jì)平均法是基于湍流相關(guān)函數(shù)的統(tǒng)計(jì)理論,主要用相關(guān)函數(shù)及譜分析的方法來研究湍流結(jié)構(gòu),統(tǒng)計(jì)理論主要涉及小尺度渦的運(yùn)動(dòng)。這種方法在工程上應(yīng)用很不廣泛。2.3.1 直接數(shù)值模擬方法(dns) 直接數(shù)值模擬方法是直接用瞬時(shí)的三維navier-stokes方程對(duì)湍流進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,最大的好處式無需對(duì)湍流流動(dòng)作任何簡(jiǎn)化或近似,理論上可以得到比較準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。但是湍流的特征是時(shí)間和空間

36、尺度上各種尺寸的渦,數(shù)值模擬湍流的關(guān)鍵是要能夠分辨出最小尺度的渦,只有在非常微小的空間和時(shí)間步長下,才能分辨湍流中詳細(xì)的空間結(jié)構(gòu)及變化劇烈的時(shí)間特性。因此dns對(duì)內(nèi)存空間及計(jì)算速度的要求非常高,計(jì)算代價(jià)極大,尤其是在雷諾數(shù)很高時(shí),計(jì)算機(jī)求解速度和耗時(shí)更是不能忍受。目前只應(yīng)用較簡(jiǎn)單的流體問題計(jì)算,還無法用于真正意義上的工程計(jì)算。2.3.2 大渦模擬(les) 大渦模擬是介于直接數(shù)值模擬(dns)與 reynolds平均法(rans)之間的一種湍流數(shù)值模擬方法,它采用空間平均的方法,把湍流的大渦和小渦分開處理,將大尺度渦旋用 n9 pdf 文件使用 pdffactory pro 試用版本創(chuàng)建 /.

37、暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文 -s方程直接進(jìn)行數(shù)值模擬求解,而將小尺度渦用模型來反映。其理論是基于系統(tǒng)中動(dòng)能、質(zhì)量和能量及其他物理量的輸運(yùn)主要由大尺度渦影響,各個(gè)大尺度渦的結(jié)構(gòu)是互不相同的,而小尺度渦運(yùn)動(dòng)幾乎不受幾何及邊界條件的影響,趨于各向同性,其運(yùn)動(dòng)具有共性,可以找到廣泛適用的模型來表示它的運(yùn)動(dòng),用它來修正大渦模擬場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)則可得到接近于實(shí)際的近似湍流場(chǎng),因此總體結(jié)果可靠。 要實(shí)現(xiàn)大渦模擬,有兩個(gè)重要工作。首先建立一種數(shù)學(xué)濾波函數(shù),把湍流中的旋渦分為大渦和小渦,大渦從主流中獲得能量,旋渦運(yùn)動(dòng)使旋渦拉伸而不斷分解為小渦,小渦的流動(dòng)處于高頻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。另外要建立一項(xiàng)體現(xiàn)小渦對(duì)大渦運(yùn)動(dòng)影響的附加應(yīng)力項(xiàng),該

38、應(yīng)力項(xiàng)被稱為亞格子尺度應(yīng)力。由于大渦模擬必須是三維和非定常的,對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存及 cpu速度的要求仍然很高,而且計(jì)算耗時(shí)太長,目前雖然在工作站和高檔 pc機(jī)上已經(jīng)可以開展les工作,但在較長的一段時(shí)間內(nèi),仍然無法成為工程應(yīng)用的首選。2.3.3 reynolds平均法(rans) reynolds 平均法的核心是不直接求解瞬時(shí)的 navier-stokes 方程,因?yàn)樗矔r(shí)的navier-stokes方程雖然可以用于描述湍流,但是它的非線性使得解析的方法精確描寫三維時(shí)間相關(guān)的全部細(xì)節(jié)極其困難,而且對(duì)于實(shí)際問題意義也不大,從工程應(yīng)用觀點(diǎn)看,重要的是湍流所引起的平均流場(chǎng)的變化,因而將瞬態(tài)的脈動(dòng)量通過某種模

39、型在時(shí)均化的方程中體現(xiàn)出來,于是產(chǎn)生了reynolds平均法,求解時(shí)均化的 reynolds方程不僅可以避免計(jì)算量大的問題,而且對(duì)于工程實(shí)際應(yīng)用可以取得很好的效果。 由于流體內(nèi)部不同尺度的渦旋運(yùn)動(dòng)決定了湍流的一個(gè)重要特點(diǎn)就是物理量的脈動(dòng),雖然湍流在空間上任一點(diǎn)的速度和壓力都在隨時(shí)間作無規(guī)則變化,同一系統(tǒng)兩次不同時(shí)間的測(cè)量不可能相同,但是湍流量的統(tǒng)計(jì)平均卻有規(guī)律可尋,而且平均值在實(shí)驗(yàn)中較易測(cè)量?；诖藃eynold提出將湍流看作時(shí)平均運(yùn)動(dòng)和脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)兩部分,將湍流運(yùn)動(dòng)的任何參變量都分解為時(shí)間平均值和脈動(dòng)值,例如: u+ uui ii 2.7 p+pp上式中,u和u 分別表示平均速度和脈動(dòng)速度; i

40、 i和 p分別表示平均壓力和脈動(dòng)壓力。 p10 pdf 文件使用 pdffactory pro 試用版本創(chuàng)建 /.暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文對(duì)不可壓縮牛頓流體運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)n-s方程和連續(xù)性方程逐項(xiàng)時(shí)均得到:ui0 2.8xi2? uu?u?uu 1?pijiii+uf- +- nji 2.9t?x r?x ?xxxj i jjj方程(2.9)稱為雷諾方程,該方程和n-s形式極其相似,只是雷諾方程多出一項(xiàng)由?u? uuiiju-于動(dòng)量方程中的對(duì)流項(xiàng) 的非線性引起的不封閉項(xiàng)( ),它代表了脈動(dòng)速度j?x?xjj對(duì)平均流的影響,一般被稱為湍流應(yīng)力或雷諾應(yīng)力,正是由于這項(xiàng)得存在,脈動(dòng)流與平均流之間會(huì)發(fā)生動(dòng)量交

41、換,使得湍流的平均分布與相同外界條件下的層流速度分布大不相同。 因?yàn)槔字Z應(yīng)力是未知項(xiàng),共有6個(gè)未知量,再加上速度分量 u和壓力 p,從而使得雷i諾方程中共有 10個(gè)未知量,其個(gè)數(shù)超過了方程數(shù),因而雷諾方程不封閉,為了使方程組封閉必須作出假設(shè),通過建立計(jì)算模型把未知的高階的雷諾應(yīng)力用較低階的或者時(shí)均量來表達(dá),即建立湍流模型。為了解決工程中大量的湍流問題,一些實(shí)用的湍流封閉模型得到了廣泛的發(fā)展應(yīng)用,這些模型分為兩類:渦粘模型和雷諾應(yīng)力模型。2.4 湍流模型 2.4.1渦粘模型 24布西內(nèi)斯克渦團(tuán)粘度模型 是較早提出的一種封閉雷諾方程的方法,是最簡(jiǎn)單的完整模型。該模型采用的是一種比擬思想,根據(jù)比擬思

42、想,由湍流脈動(dòng)產(chǎn)生的雷諾應(yīng)力封閉關(guān)系式與分子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的粘性應(yīng)力有類似的形式。由本構(gòu)關(guān)系tm 2 s ,雷諾應(yīng)力 -uu 比ij ij iju擬為偏應(yīng)力t ,平均運(yùn)動(dòng) 比擬為宏觀速度 u,于是建立了雷諾應(yīng)力相對(duì)于平均速度梯度ij i i的關(guān)系,即不壓縮湍流運(yùn)動(dòng)的渦團(tuán)粘度公式: 22.10 -uu- vskdij t ij ij311 pdf 文件使用 pdffactory pro 試用版本創(chuàng)建 /.暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文u1 ?ujis+上式中,v為渦團(tuán)粘度,s 為平均切變率張量,也可寫成 ,k為湍動(dòng)ijt ij2xx ji能,d 是“kronecker delta”符號(hào)(當(dāng)ij 時(shí),d=1;當(dāng)i

43、j時(shí),d=0)。上式最后一ijs 0項(xiàng)是為了滿足不可壓縮流體的連續(xù)方程,因?yàn)?。式(2.10作張量收縮時(shí),等式得ij以成立。渦團(tuán)粘度 v 是空間坐標(biāo)的函數(shù),取決于湍流流動(dòng)狀態(tài),而不是介質(zhì)的物理常數(shù),t它與湍流平均場(chǎng)有關(guān)。由上可見計(jì)算湍流流動(dòng)的關(guān)鍵就在于如何確定 ,這里的渦粘模型vt就是把 v 與湍流時(shí)均參數(shù)聯(lián)系起來的關(guān)系式。根據(jù)確定 v 所需的微分方程的數(shù)目,分為零t t方程模型、一方程模型和二方程模型。在動(dòng)量、渦量輸運(yùn)理論和局部相似理論中給出混和長度的增補(bǔ)方程式是代數(shù)關(guān)系式,用代數(shù)關(guān)系式把湍流渦團(tuán)粘度與時(shí)均值聯(lián)系起來的模型即為稱為零方程模型。零方程模型方案有很多種,最著名的是 prandtl

44、提出的混合長度(mixing length model。prandtl假定 v 正比于時(shí)均速度 u的梯度和混合長度 l 的乘積,即v l uu ,只要得到l 的表達(dá)t i m t m ii m式,就可以獲得渦團(tuán)粘度 v 的表達(dá)式。但是混合長度 l 由經(jīng)驗(yàn)公式或試驗(yàn)確定,只有在簡(jiǎn)t m單流動(dòng)中才比較容易給定,對(duì)于復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象,則混合長度很難確定,并且不能用于模擬有分離和回流的流動(dòng),故零方程模型的局限性很大,在實(shí)際上程中很少使用。為了彌補(bǔ)混合長度假定的局限性,在湍流的時(shí)均連續(xù)方程和reynolds方程的基礎(chǔ)上,建立一個(gè)湍動(dòng)能 k的輸運(yùn)方程,把 v 表示成 k的函數(shù),從而使方程組封閉,這樣得到的封t

45、閉模型稱為一方程模型,渦團(tuán)粘度v 表達(dá)式為:v rc kl ,式中c 為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),多數(shù)t t m m文獻(xiàn)建議取為0.09。一方程模型考慮了脈動(dòng)的對(duì)流輸運(yùn)和擴(kuò)散輸運(yùn),比零方程模型更合理,但是脈動(dòng)的特性尺度不容易確定,且該模型僅能應(yīng)用于近壁區(qū)域的湍流流動(dòng),因此優(yōu)越性不大,很難得到推廣應(yīng)用。 二方程模型是把表征渦粘性系數(shù)的兩個(gè)特征量都由相應(yīng)的微分方程控制,常在湍流動(dòng)能方程以外再增加一個(gè)關(guān)于湍流特征長度的微分方程,目前使用最廣泛的湍流模型為 k -e模型, k -e模型使用耗散率 e代替湍流特征長度作為因變量,最基本的 k -e模型為標(biāo)準(zhǔn)k -e模型,在近 20年中,許多專家提出了很多改進(jìn)方案,但是仍

46、然沒有一種模型能在各個(gè)方面都獲得滿意的結(jié)果,主要的改進(jìn)方案有重整化(rng) k - e模型和可實(shí)現(xiàn)12 pdf 文件使用 pdffactory pro 試用版本創(chuàng)建 /.暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文 (realizable) k -e模型等,本文主要使用標(biāo)準(zhǔn) k -e模型進(jìn)行模擬,下面詳細(xì)介紹這種模型,其它的將不再加以說明。k -e2.4.2 標(biāo)準(zhǔn) 模型 25標(biāo)準(zhǔn) k - e模型是典型的兩方程模型,launde和 spalding 于 1972年提出該模型。e在模型中,定義湍動(dòng)耗散率 為: uuiien 2.11 xxkk323k2e 由量綱分析得到,脈動(dòng)特征長度 l具有和 k e相同的量綱,即有關(guān)

47、系式: ,l2kn c則 v 表達(dá)式可定義為 tute再根據(jù)三維的穩(wěn)態(tài)n-s方程,有以下的表示形式。 k湍動(dòng)能 方程:? ukunk?ujjtin+ +ne +-t 2.12t?x s?x xxj kj jie耗散率 方程: 2 uu e neee uujjt iinn +cc +-t12 2.13t?xs?x k?x x xkj ej j ij 綜上,我們可以得到方程組:13 pdf 文件使用 pdffactory pro 試用版本創(chuàng)建 /.暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文 ?ui0 ?xi 2? uu?u?u 1?puijiii +uf- +- nji ?t?x r?x ?xxxj i jjj ? u

48、kn kjtne + +- g ?txxsjkj 2 2.14ue n e eejt n+ +- c gc12 eetx sx kk jj?e ?u u 2ji-uuk nd +- ijt ijxx 3 ji 2knc tu e?u uujii上面的方程組中 ,是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能生成項(xiàng),g+ nt?x xxj ijc ,c 為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),s ,s 分別是與湍動(dòng)能 k和耗散率對(duì)應(yīng)的prandl數(shù)。根據(jù)launder1e 2e k e等的推薦值及后來典型流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證和算例結(jié)果做最佳擬合,6個(gè)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)值取值為: c 0.09c 1.4, c 1.92, , s 1.0, s 1.3

49、2.15 1e 2e m k e因此方程組中共有6個(gè)未知量ui 1,2,3,pk , e ,而有6個(gè)獨(dú)立的方程,故方程可i解,即得到了一組封閉的湍流時(shí)均流動(dòng)值的 k - e方程組,該方程組是復(fù)雜的非線性方程組,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展,我們可以通過離散化的方法得到它的數(shù)值解。2.4.3 reynolds 應(yīng)力方程模型(rsm模型) 在rsm模型中,放棄了渦粘性系數(shù)假設(shè),直接建立表示雷諾應(yīng)力微分方程式,然后聯(lián)立求解雷諾平均方程。要使用這種模型,必須先得到reynolds應(yīng)力輸運(yùn)方程,即關(guān)于uuij的輸運(yùn)方程。分兩個(gè)步驟來生成,首先建立關(guān)于uu 的輸運(yùn)方程。將 u乘以 u的 n-s方ij j i程,將 u乘以 u的 n-s方程,將兩個(gè)方程相加,得到uu 的方程,對(duì)此方程作 reynoldsi j ij14 pdf 文件使用 pdffactory pro 試用版本創(chuàng)建 /.暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文 時(shí)均、分解,即得到uu 的輸運(yùn)方程。再次是建立uu 的輸運(yùn)方程。將 u 乘以 u的reynoldsij ij j i時(shí)均方程,將 乘以 u 的 reynolds時(shí)均方程,再將兩方程相加,即可得uu 的輸運(yùn)方程。ui j ij最后將得到的兩個(gè)輸運(yùn)方程相減后,得到uu 的輸運(yùn)方