平屋盖风压分布的数值模拟

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1、第24卷第3期计算力学学报Vol.24,No.32007年6月ChineseJournalofComputationalMechanicsJune2007文章编号:100724708(2007)0320294207平屋盖风压分布的数值模拟3孙晓颖,武岳,沈世钊(哈尔滨工业大学土木工程学院,黑龙江哈尔滨150090)摘要:基于Reynolds时均N2S方程和RSM模型对平屋面的风压分布进行了数值模拟,在此基础上系统研究了风向角、跨高比、地面粗糙度、风速等因素对屋面风压分布的影响,探讨了结构周围流场的绕流特性,最后根据屋面的结构形式及风压分布特点将屋面进行分区,给

2、出了屋面在不同风向角下的分区风载体型系数以供工程设计参考。关键词:平屋面;数值模拟;风压分布;分区风载体型系数中图分类号:TU312.1文献标识码:A1引言2计算方法近地面风可假设为低速、不可压缩和粘性的牛平屋面是最简单且颇具代表性的大跨屋盖结[426]顿流体,其基本控制方程(N2S方程)为构,在室内体育馆、飞机修理库等建筑中得到了大(1)基于质量守恒原理的连续方程:量的应用,它的风压分布体现了大跨度屋盖的一些¨·U=0,U=(u1,u2,u3)(1)共性问题,因此国内外许多学者从平屋面入手对大(2)基于牛顿第二运动定律的动量方程(i,j[123]跨屋盖风荷载

3、特性进行研究。目前,风荷载研=1,2,3):究主要借助风洞试验和现场实测方法,然而随着计5ui5p5τji算机水平的飞速发展和计算流体动力学CFDρ+¨·(ρuiU)=-+(2)5t5xi5xj(ComputationalFluidDynamic)技术的不断完善,对于N2S方程,可以用直接数值模拟的方法精在计算机上对结构周围流场进行数值模拟已成为确地描述流体中所有尺度的湍流和流场特性的变一种新的有效方法。化,但在三维空间上特别是雷诺数较高时,其计算机本文基于Reynolds时均N2S方程,采用RSM求解速度和耗时是难以忍受的。目前,工程上常采用模型对平屋面的风

4、压分布进行了数值模拟,利用有对N2S方程平均的方法来计算流体的湍流运动。限体积法和SIMPLE压力校正算法来实现非线性将N2S方程逐项平均可得基于雷诺应力的时离散化方程的解耦和迭代求解。文中将数值模拟均N2S方程:结果与风洞试验结果进行了对比分析,两者吻合较-5ui=0(3)好。在此基础上系统研究了风向角、跨高比、地面5xi---2-粗糙度、风速等因素对屋面风压分布的影响,探讨5ui+u-5ui=-1·5p+v5ui-5u′jiu′j5t5xjρ5xi5xj5xj5xj了结构周围流场的绕流特性,最后根据屋面的结构(4)形式及风压分布特点将屋面进行分区,给出了屋

5、面式(4)是雷诺方程,和N2S方程相比,多出了各区域的风载体型系数以供工程设计的参考。一组新的未知变量———雷诺应力u′iu′j,连同速度收稿日期:2005201221;修改稿收到日期:20052072141和压力,方程组共有10个未知量,而控制方程只有基金项目:国家自然科学基金重点项目(50338010);国家自然科学基金面上项目(50078018)资助项目.四个,不封闭,应引入湍流模型进行求解。作者简介:孙晓颖3(19752),女,博士,讲师;本文采用雷诺应力方程模型(RSM),它是经武岳(19722),男,博士,副教授;典湍流模型中最复杂也最具通用性的湍

6、流模型,考沈世钊(19332)男,教授,博士生导师,中国工程院院士.虑了湍流各向异性影响。这种模型放弃了涡粘性系第3期孙晓颖,等:平屋盖风压分布的数值模拟295数假设,直接采用微分形式的输运方程计算雷诺应变项和壁面反射项。力u′iu′j,从而实现对雷诺方程的封闭。ε2

7、(5)1115(C2=0.6,P=Pkk,G=Gkk,C=Ckk)式中Cij=(ρuku′iu′j)为对流项;2225xk3/2kε5

8、k3/4(C′1=0.5,C′2=0.