数值风洞在我国的研究与进展

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1、第十二届全国现代结构工程学术研讨会数值风洞在我国的研究与进展陆德龙(华南理工大学土木与交通学院，广州5m640)摘要：首先对风工程的研究方法与数值风洞技术中的湍流模型进行了简要概述。然后介绍了数值风洞在我国的研究现状，包括数值风洞的可靠性研究，建筑风致干扰效应的数值模拟研究，考虑流固耦合效应的数值模拟研究和建筑数值风洞影响因素的研究。最后对数值风洞技术在我国的研究与发展进行了展望。关键词：数值风洞，湍流模型，风致干扰，流固耦合一、引言随着我国经济的高速发展，城市化进程的加快，在我国很多的大城市中，高层建筑的比重越来越大；大跨度

2、结构应用于展览馆、影剧院、体育场馆、车站等场所也能随处可见。然而，建筑师所追求的建筑平面、立面等外形的多样化、个性化，使得建筑外形所受风载分布特征复杂化；同样，大城市中的高楼密集化也使得建筑周围的风速、风压分布变得很复杂。这些复杂性使结构师在确定建筑结构风荷载与动力响应的问题上形成新的挑战。由于建筑的多样化与复杂化，很难根据国家荷载规范确定风荷载；加之，我国的《高层民用建筑钢结构技术规程》中规定的单个高层不同建筑形式的风荷载体型系数都是根据国内外的实验资料和外国规范中的建议性规定整理而成的【IJ。在对大跨度结构与复杂高层建筑群

3、的风压系数的确定时，需要进行风洞试验。但由于风洞试验自身存在的缺陷和现场实测的困难性，催生了数值风洞的发展。而且，随着计算机的高速发展和CFD的发展，数值风洞在确定高层、复杂建筑结构的风荷载方面有着显著的优势。风工程的研究方法风工程主要的研究方法有现场实测、风洞试验和理论分析(包括数值风洞)。对于高层与大跨度复杂结构风荷载的确定，由于现场实测的局限性，数值风洞尚处于起步研究阶段，我国主要采用风洞试验为主，数值风洞模拟为辅的方法。下面对现场实测、风洞试验和数值风洞作简要介绍。(一)现场实测现场实测可以说是最直接最有效的研究手段，

4、它的测试结果是最为真实可靠的，同时也是作为检验风洞试验和理论分析可靠程度中不可缺少的手段与标准。但它存在着耗时、费钱、费人力，且在建筑物建设之前无法进行研究等缺陷121。因而，目前对于高层建筑与复杂大跨度结构的风荷载的确定主要还是以风洞试验为主。(二)风洞试验通过对结构模型进行风洞试验，获取结构所承受的风荷载和风振响应，可以为结构设计作参考。在风洞试验时，要正确模拟结构风效应，就要做到正确模拟风环境，建筑物的外形与结构的动力特性等。然而风洞试验有一定的局限性：采用缩尺模型，不能反映结构细部的风特性；不能完全满足几何、运动、动力

5、以及边界条件等相似条件；不能进行强风，暴风场模拟；对雷诺数敏感的结构风载特性模拟难以实现；试验费用高，周期长等【l捌。尽管风洞试验是了解结构风特性的有效手段，在工程上被广泛使用与认可。但在当今高楼林立，大跨度复杂结构方兴未艾的中国，在确定外形复杂建筑的风压及进行建筑结构多方案比较工业建筑2012增刊1285第十二届全国现代结构工程学术研讨会时，因风洞试验手段存在的种种缺陷而显得力不从心。(三)数值风洞p。’数值风洞是一种采用计算流体力学(CFD)在计算机上模拟结构周围风场变化而获得结构的表面风载的技术。近十几年来，随着计算机技

6、术与CFD的发展，数值风洞模拟广泛应用于航空、航天领域，而且越来越多地应用于结构风载的研究上。与传统的风洞试验相比，数值风洞的优势显著：数值风洞可进行足尺结构和建筑周边环境的数值模拟；可方便地改变流场和结构的相关参数来对结构进行多方面的分析研究；同时还具有成本低、周期短、效率高、结果采集全面等优点。可以说，数值风洞模拟方法为复杂形体结构风压分布的确定和风振系数的选取等提供非试验性依据。随着计算机处理能力的提高，CFD理论的发展及数值模拟相关软件的不断发展与完善，数值风洞的优势更加明显。所以，数值风洞在结构风工程研究和设计中具有

7、极广的发展前景。三、湍流模型=、滴流)I

8、吴型数值风洞方法是以计算流体力学为基础，通过对风场的数值模拟来确定风速、风压等物理量。湍流中引起的不规则脉动对风场的影响很大，特别是在高雷诺数的实际问题中，湍流的影响必须用某种方法来考虑进去。在数值风洞分析中，必须引入湍流模型才能得到可靠的结烈2’引。对于湍流流动，可用数值方法求解N．S方程。其数值模拟方法可以分为直接数值模拟和非直接数值模拟。直接数值模拟方法(DNS)未对湍流进行任何简化与近似，理论上能得到精确解，但要求划分为微小的空间与时间步长，这就对计算机性能要求相当的高，因而这

9、方法未得到工程应用【l’3J。而对于非直接数值模拟方法，一般采取两种均值化方法，分别是RANS方法和LES方法，目前在工程中广泛应用的是RANS方法。而对于RANS，目前常用的湍流模型有两类：Reynolds应力模型和涡粘模型。涡粘模型根据补充方程个数可分为零方程、一方程和两