建筑物平均风压的数值模拟技术研究

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风荷载对于建筑物来说是一项非常重要的荷载,是建筑结构设计中不可缺少的。因此如何去确定建筑物表面风压的情况,以便进一步研究风对结构的作用就显得非常重要。 风对建筑物的作用属于复杂钝体绕流问题,建筑物周围的风流场是十分复杂的,湍流场充满了分离、回流、旋涡等一系列复杂的运动形式,理论方法还难以解决这一复杂的流动问题。目前研究建筑物风荷载的分布情况主要有现场实测,风洞试验和数值模拟计算三种。现场实测是最直接的方法,但是显然这种方法费时、费钱、费人力,而且无法在建筑物建设之前进行,无法对拟建建筑物进行风环境预测,这种方法有一定的局限性;风洞试验作为目前研究风荷载的最主要和重要的方法也存有很多不足,包括费用昂贵、适应性不强等等。相比之下利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamic,CFD)的原理在计算机上模拟建筑物周围风场的方法却有着诸多的优势。 本文采用计算机数值计算的方法,并详细阐述了钝体绕流的基本特性及其基础理论,推导了CFD数值模拟理论的基本方程,以及湍流的模拟等。总结出应用计算流体动力学(CFD)对钝体建筑物绕流风场进行模拟时其计算流域、网格划分、边界条件、湍流模型以及计算参数等的确定原则及方法。 本文选取了一个典型的立方体状建筑物模型,用开源软件OPENFOAM对其建立了缩小尺度的刚性模型,并选择了不同的截面堵塞率,不同的计算域长度和不同的网格划分形式,并准确的模拟大气中来流的风剖面,计算用的湍流模型选取了标准的k-ε模型,重正化群k-ε模型和realizable k-ε并配合壁面函数法(Wall Functions)处理近壁面的湍流状态,计算了这些建筑物表面的平均风压分布,与试验结果进行了比较和分析,取得了比较满意的结果。
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