cfd技術(shù)在復(fù)雜形體建筑物平均風(fēng)壓分布中的應(yīng)用

cfd技術(shù)在復(fù)雜形體建筑物平均風(fēng)壓分布中的應(yīng)用

大慶石油學(xué)院的體育體積復(fù)雜，平面近似橢圓形，沿中軸線和短軸的對(duì)稱(chēng)分布，長(zhǎng)軸長(zhǎng)112m，短軸高86m，端高29m。兩側(cè)屋檐有20多米的懸索，沿中軸線方向的高度超過(guò)20米。由于結(jié)構(gòu)體的獨(dú)特形狀和重量的十分復(fù)雜，在當(dāng)前的《建筑結(jié)構(gòu)負(fù)荷規(guī)范》（gb5009-2001）中找不到合適的體育模式。因此，作者采用風(fēng)洞試驗(yàn)和cfd值模擬方法對(duì)結(jié)構(gòu)面的風(fēng)壓分布進(jìn)行了研究，并進(jìn)一步探討了cfd值模擬技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用可行性。1風(fēng)洞測(cè)試1.1試驗(yàn)方法和模型試驗(yàn)在航空工業(yè)總公司第627研究所的FL8航空風(fēng)洞中進(jìn)行.在航空風(fēng)洞進(jìn)行大氣邊界層模擬試驗(yàn)時(shí),由于試驗(yàn)段較短,會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)段風(fēng)速輪廓線不夠光滑.為彌補(bǔ)這一不足,本試驗(yàn)采用“人工加速”的方法對(duì)FL8風(fēng)洞進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母脑?試驗(yàn)中設(shè)置了兩種風(fēng)速:10m/s,20m/s作為試驗(yàn)基本風(fēng)速,模擬B類(lèi)地貌風(fēng)場(chǎng).通過(guò)在風(fēng)洞前段設(shè)置尖塔、立方體粗糙元和鋸齒帶作為擾流裝置,并經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試,使試驗(yàn)段風(fēng)剖面在兩個(gè)風(fēng)速下,均能和理論風(fēng)剖面相吻合,近地湍流度>10%.模型采用薄銅板加工而成,幾何縮尺比為1:100,滿足阻塞度<3%的要求.考慮到模型對(duì)稱(chēng)性,僅在模型的1/4區(qū)域布置了267個(gè)測(cè)點(diǎn).試驗(yàn)時(shí)將模型固定在試驗(yàn)段底壁轉(zhuǎn)盤(pán)上,由0°開(kāi)始逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到270°,每隔15°吹風(fēng)一次.1.2分區(qū)體型系數(shù)k試驗(yàn)中參考點(diǎn)高度為1.0m,對(duì)應(yīng)實(shí)際高度為100m.為便于按荷載規(guī)范中有關(guān)風(fēng)荷載條文的規(guī)定直接應(yīng)用,本次試驗(yàn)將來(lái)流風(fēng)壓的參考點(diǎn)換算為10m高度,具體換算因子的表達(dá)式如下:Cpscale=(100/10)2α(1)式中:α=0.16.模型表面各個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)為Cpi=Cpscale(Pi-P∞)/[(P0-P∞)μzi](2)式中:Cpi為模型上第i測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù);Pi為i測(cè)點(diǎn)處的表面平均風(fēng)壓值;P0和P∞分別為參考點(diǎn)處測(cè)得的平均總壓和平均靜壓;μzi為i測(cè)點(diǎn)處的高度變化系數(shù).對(duì)屋蓋懸挑部分,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),需考慮其上、下表面的凈壓差值,故此處平均風(fēng)壓系數(shù)定義為Cpi=Cpscale(Piu-Pid)/[(P0-P∞)μzi](3)其中,Piu為測(cè)點(diǎn)i上表面平均風(fēng)壓值;Pid為測(cè)點(diǎn)i下表面平均風(fēng)壓值.在保證工程精度前提下,為便于表達(dá),采用了分區(qū)體型系數(shù)的方式來(lái)描述平均風(fēng)荷載.分區(qū)體型系數(shù)μsk可用結(jié)構(gòu)表面同一分區(qū)內(nèi)第測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)與該測(cè)點(diǎn)所屬表面面積Ai的乘積取加權(quán)平均得到,具體表達(dá)式如下:μsk=∑iCpiAiA(4)μsk=∑iCpiAiA(4)那么,建筑物上某一局部的風(fēng)壓wk可直接用下式確定:wk=μskμzkAkw0(5)其中,w0是根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2001)查得的大慶地區(qū)的基本風(fēng)壓,即:w0=0.55kPa.試驗(yàn)數(shù)據(jù)中風(fēng)壓符號(hào)的規(guī)定:對(duì)于單一表面,結(jié)構(gòu)物表面受壓為正,受吸為負(fù);對(duì)于上下表面壓力之差,以壓力向下為正,向上為負(fù).1.3試驗(yàn)結(jié)果的分析圖1給出了體育館屋面的分區(qū)示意圖,0°風(fēng)向?yàn)檠貦E圓短軸方向,從0°~90°每隔15°逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一次,共7個(gè)風(fēng)向.(1)風(fēng)速對(duì)風(fēng)載體型系數(shù)的影響風(fēng)洞試驗(yàn)中設(shè)置2種風(fēng)速:10m/s,20m/s作為試驗(yàn)基本風(fēng)速,圖2給出了45°風(fēng)向下風(fēng)速對(duì)屋面各個(gè)區(qū)域風(fēng)載體型系數(shù)的影響.可以看出,隨著風(fēng)速的變化,風(fēng)載體型系數(shù)基本不變,說(shuō)明由于風(fēng)速引起的雷諾數(shù)變化對(duì)屋面風(fēng)壓的影響可以忽略.(2)屋頂內(nèi)風(fēng)壓的變化屋面典型區(qū)域的位置見(jiàn)圖2中劃圈部分,其體型系數(shù)隨風(fēng)向的變化曲線見(jiàn)圖3.從圖中可見(jiàn):①隨著風(fēng)向從0°~90°變化,屋面左側(cè)4個(gè)區(qū)域的風(fēng)載體型系數(shù)總體上呈下降趨勢(shì),風(fēng)壓基本表現(xiàn)為吸力,這是因?yàn)樵搮^(qū)域位于屋面前緣附近來(lái)流的分離區(qū),并且隨著風(fēng)向從0°~90°變化,分離的程度越來(lái)越嚴(yán)重;反之,屋面右側(cè)4個(gè)區(qū)域的風(fēng)載體型系數(shù)隨風(fēng)向的變化總體上呈上升趨勢(shì),且負(fù)壓區(qū)明顯減少,在有些風(fēng)向下風(fēng)壓還表現(xiàn)為正值,這是因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域位于來(lái)流尾流的再附區(qū),并且隨著風(fēng)向角從0°~90°變化,再附的程度越來(lái)越顯著;②區(qū)域16~20的風(fēng)壓表現(xiàn)為負(fù)值,這說(shuō)明這些區(qū)域在各個(gè)風(fēng)向下主要受風(fēng)吸力的作用.(3)風(fēng)向非均一性風(fēng)壓由于體育館屋蓋沿長(zhǎng)軸方向屋面兩側(cè)有20多m的懸挑部分,這對(duì)屋蓋的抗風(fēng)設(shè)計(jì)極為不利,為此,筆者對(duì)屋蓋懸挑部分的風(fēng)壓進(jìn)行了分析.同時(shí)考慮到屋蓋結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性,選取了左側(cè)屋蓋懸挑部分風(fēng)壓作為分析對(duì)象,具體風(fēng)壓值可由各個(gè)區(qū)域的局部風(fēng)壓積分得到.0°風(fēng)向如圖2所示,其他風(fēng)向都是相對(duì)于0°風(fēng)向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),左側(cè)屋蓋是指位于0°風(fēng)向左側(cè)部分.從表1中可以看出:隨著風(fēng)向由0°~90°變化,屋蓋左側(cè)懸挑部分受風(fēng)吸力作用,且負(fù)壓絕對(duì)值較大,這是由于當(dāng)風(fēng)向從0°~90°過(guò)程中屋蓋左側(cè)懸挑部分上表面位于分離區(qū),下表面位于迎風(fēng)區(qū);隨著風(fēng)向角由195°~270°變化,屋蓋左側(cè)懸挑部分受風(fēng)壓力作用,且正壓絕對(duì)值相對(duì)較小,這是由于在這段風(fēng)向范圍內(nèi),屋蓋左側(cè)懸挑部分位于來(lái)流的再附區(qū);另外,在所有風(fēng)向中,以90°風(fēng)向最為不利,屋蓋懸挑部分最大風(fēng)吸力達(dá)-1191.09kN,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起重視.2平均風(fēng)壓cfd值的模擬2.1不平衡壁面函數(shù)模型近地面風(fēng)可假設(shè)為低速、不可壓縮、黏性牛頓流體.其基本控制方程(N-S方程)為基于質(zhì)量守恒原理的連續(xù)方程?U=0其中U=(u1,u2,u3)(6)基于牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律的動(dòng)量方程(i,j=1,2,3)ρ?ui?t+?(ρuiU)=??p?xi+?τji?xj(7)ρ?ui?t+?(ρuiU)=-?p?xi+?τji?xj(7)目前,工程上常采用對(duì)N-S方程進(jìn)行時(shí)間平均的方法來(lái)計(jì)算流體的湍流運(yùn)動(dòng).筆者采用了雷諾應(yīng)力湍流模型(RSM),并考慮壁面存在對(duì)流場(chǎng)的影響,選用非平衡壁面函數(shù)(Non-equilibriumwallfunctions)來(lái)修正RSM模型.采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散,采用二階迎風(fēng)格式離散對(duì)流項(xiàng),對(duì)擴(kuò)散項(xiàng)采用具有二階精度的中心差分格式;對(duì)于壓力—速度耦聯(lián)方程,采用SIMPLE算法實(shí)現(xiàn)各聯(lián)立方程的解耦及壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的校正.2.2計(jì)算模型(1)模型生成和函數(shù)計(jì)算模型尺寸參考原型尺寸定為112m×86m×29m,將模型置于1120m×180m的計(jì)算斷面內(nèi),計(jì)算域來(lái)流方向長(zhǎng)1400m,模型中間距計(jì)算域入口500m.參考坐標(biāo)系為:y軸方向?yàn)橛?jì)算域長(zhǎng)度方向,z軸方向?yàn)榻ㄖ锔叨确较?(2)出口邊界條件入口邊界條件:來(lái)流為剪切流,模擬B類(lèi)地貌,來(lái)流湍流特性通過(guò)UDF(UserDefinedFunctions)直接給定湍流動(dòng)能k和湍流耗散率ε.出口邊界條件:采用完全發(fā)展的出流邊界條件,即流場(chǎng)任意物理量沿出口法向梯度為零.流體域頂部和兩側(cè):自由滑移的壁面條件.建筑物表面和地面:無(wú)滑移的壁面條件.(3)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格由密到疏的過(guò)渡在生成網(wǎng)格過(guò)程中,由于該模型的體型比較復(fù)雜,使得網(wǎng)格劃分變得十分困難,往往在生成體網(wǎng)格時(shí)出錯(cuò).為此,在形成建筑物周?chē)浇捏w網(wǎng)格時(shí),應(yīng)用了尺寸較小的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,同時(shí)運(yùn)用Gambit中的sizefunction功能來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格由密到疏的過(guò)渡;另外,在離建筑物較遠(yuǎn)處運(yùn)用了Cooper功能來(lái)劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,從而得到了質(zhì)量較好的體網(wǎng)格.2.3結(jié)論分析(1)cfd比較分析在CFD數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中,建立了與風(fēng)洞試驗(yàn)邊界條件一致的數(shù)值模型,圖4給出了90°風(fēng)向下體育館屋面分區(qū)體型系數(shù)的對(duì)比情況.從圖中可以看出:兩者在風(fēng)壓分布的規(guī)律上基本保持一致,只是在具體風(fēng)載體型系數(shù)數(shù)值上略有差異.為了更清楚的比較風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬的結(jié)果,筆者針對(duì)屋蓋左側(cè)懸挑部分的風(fēng)壓積分值進(jìn)行了對(duì)比分析,表2中給出了CFD數(shù)值模擬與表1中風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比情況.通過(guò)比較發(fā)現(xiàn),隨著風(fēng)向從0°~270°變化,兩者所得到的風(fēng)載荷的增減趨勢(shì)基本一致,以90°風(fēng)向最為不利,負(fù)載荷達(dá)-1392.88kN,比風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果大16.9%;另外,CFD數(shù)值模擬所得的風(fēng)載荷絕對(duì)值與風(fēng)洞試驗(yàn)相比結(jié)果偏大,最大相差24.8%.究其原因,一方面由于RSM模型在模擬湍流流場(chǎng)是還不夠完善,不可避免的存在數(shù)值誤差;另一方面也不排除風(fēng)洞試驗(yàn)本身可能存在缺陷.從以上分析結(jié)果可以看出,采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)可以得到與風(fēng)洞試驗(yàn)基本一致的平均風(fēng)壓結(jié)果,可用于結(jié)構(gòu)靜力風(fēng)荷載的分析研究.(2)不同縮尺比下的平均風(fēng)壓筆者選擇1∶100,1∶50,1∶13種模型縮尺比來(lái)考察不同模型縮尺比引起的雷諾數(shù)變化對(duì)平均風(fēng)壓計(jì)算結(jié)果的影響,圖5給出了90°風(fēng)向下屋面區(qū)域風(fēng)載體型系數(shù)隨不同縮尺比的變化曲線.從圖中可以看出,屋面的平均風(fēng)壓分布形態(tài)基本沒(méi)有變化,定量分析,最大絕對(duì)差值為0.03,這說(shuō)明改變模型縮尺比引起的雷諾數(shù)變化對(duì)鈍體繞流的平均風(fēng)壓計(jì)算結(jié)果影響很小.(3)屋頂區(qū)域風(fēng)載體型系數(shù)隨地貌的變化文中選取了我國(guó)荷載規(guī)范規(guī)定的4類(lèi)地貌(分別為A類(lèi)地貌、B類(lèi)地貌、C類(lèi)地貌、D類(lèi)地貌)來(lái)考慮來(lái)流地貌對(duì)平均風(fēng)壓計(jì)算結(jié)果的影響.圖6給出了90°風(fēng)向角下屋面區(qū)域風(fēng)載體型系數(shù)隨地貌的變化曲線.從圖中可以看出,區(qū)域1、8、15、22(它們都位于迎風(fēng)屋面前緣)受地貌影響較大,平均風(fēng)壓絕對(duì)值從A類(lèi)地貌-B類(lèi)地貌-C類(lèi)地貌-D類(lèi)地貌依次增大,其他區(qū)域受地貌的影響相對(duì)較小.說(shuō)明大跨度屋蓋表面的風(fēng)壓主要受自身特征湍流的控制,來(lái)流地貌的影響較小.3cfd數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用(1)通過(guò)對(duì)大慶石油學(xué)院體育館屋面風(fēng)荷載的風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)兩者在風(fēng)壓分布的規(guī)律上基本保持一致,只是在具體風(fēng)載體型系數(shù)上略有差異,證明了CFD數(shù)值模擬技術(shù)可用于實(shí)際結(jié)構(gòu)靜風(fēng)荷載的分析研究.(2)改變來(lái)流風(fēng)速和模型縮尺比引起的雷