CFD在结构风工程中的数值模拟技术研究

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1、广东建材2012年第1期工程试验与研究CFD在结构风工程中的数值模拟技术研究周阳汪新(广东工业大学土木与交通工程学院)摘要：本文阐述了CFD的相关理论，指出结构风工程数值模拟的影响因素，分析了湍流模型、网格划分和入流边界条件的选择问题，特别指出大涡模拟方法在目前CFD模拟技术中模拟湍流的优势，并提出其亟待解决的问题。关键词：结构风工程；CFD；湍流模型；网格划分；边界条件；大涡模拟1引言确度的影响。结果表明，在各种影响因素中，计算区域影响相对较小，而进口边界条件、网格划分和湍流模型的CFD是上世纪40年代产生、70年代迅速发展起来影响相对较大，而且进口边界条件中速度分布对计算结的，到目前借

2、助CFD已经解决了不少难题，其中计算风果的影响大于湍流强度分布对计算结果的影响，是进口工程克服了理论分析、风洞试验和现场实测方法的一些边界条件中的关键部分。同时，CFD模拟还要在计算机固有缺陷，成为结构风工程领域的一个重要分支。相对资源的限制下，在尽可能模拟实际流场的条件下，需对于风洞试验，CFD技术有下列优点：①周期短，成本低，计算域的大小、边界条件的设定方面做相应简化和选不同工况的参数易修改；②能够做足尺模拟，不受缩尺择。效应的影响，从而克服了风洞试验相似数难以同时保持一致的缺点；③能够得到在流域中任何位置处的流场信4CFD湍流模型的选择息，克服了风洞试验测点布置的局限性和实验数据的不

3、目前，湍流模型主要有：标准的k—e模型，RNG完备性；④通过可视化后处理模块，能直观、形象地展示k一￡模型，k一(1)模型，剪切应力输运(SST)k一∞模型，实验结果，易于一线设计者所接受，而且随着计算机的SSGRSM模型和BSLRSM模型。不断发展，价格不断下降和计算性能的提高，使CFD越湍流模式理论分为两类：一类为涡粘性封闭模式，来越多的应用于建筑结构风工程的研究中叫。总体上可以分为k—e模型和k一∞模型两类。文献~s利用CFD技术对钝体结构绕流流场进行模拟，计算研究结果表明，标准k—e模型过高地估计了钝体迎风模型参数众多，从而使得计算精度和诸多因素有关。本面顶部的湍动能生成项，在预测

4、建筑物顶部和壁面表面文主要开展对湍流模型的选择、计算域网格划分、来流的压力分布不准确，因此认为标准k—e模型不太适合边界条件的设定等方面的研究工作，为CFD技术的实际预测流场中冲撞和分离现象。标准k—e模型的耗散性应用提供参考。过强，为改善标准的k—e模型对钝体流场预测的精度，2CFD的基本原理因此诸多研究致力于对标准k—e模型的改进工作。另一类为二阶矩封闭模式(雷诺应力模式)，此模型带来复计算流体力学(简称CFD)的理论基础是在流体基杂的近避面项和附加的方程所导致的数值求解不稳定本方程(连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程)控的困难，计算量也有很大的增加。制下，通过不同的离散方法建立离

5、散点的集合(即用离各类湍流模型或多或少存在一些不足，因而构建新散点来代替流体运动中在时间域和空间域上连续的场的模型或者改进现有模型，使其适合结构风工程计算仍变量)，求解这些离散点上变量间关系的代数方程组，其然是CFD研究的一项课题。求解结果即为场变量的近似值。通过CFD模拟，我们可文献E6]是基于FLUENT软件平台，采用混合网格进以得到复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量(如行网格划分，选用标准k一￡和Realizablek—e两种速度、压力等)的分布，以及这些物理量随时间的变化情湍流模型计算了大气边界层中单栋高层建筑的定常风况。流场，并将数值计算结果与风洞试验进行了比较，结果3CFD

6、数值模拟影响因素分析表明基于FLUENT软件平台的标准k一￡和Realizablek—e两种湍流模型均能给出工程应用精度的结果，相侯爱波分析了计算区域、进口边界条件、湍流模型和网格划分等各种相关因素对CFD数值模拟结果准对而言Realizablek—e模型更为合理。一59—工程试验与研究广东建材2012年第1期侯爱波等瞄指出：]对于湍流模型的选择，一般的工多的风向角计算工况的模型共享，从而大大减小数值计程应用中，建议在初步设计阶段选择RNGk—e湍流模算建模的工作量，显著提高建模效率，缩短数值模拟仿型，而在最终设计阶段采用雷诺应力模型。真周期。许伟m针对标准立方体模型，对数值计算湍流模型5

7、．2网格划分软件的选择的选取进行了深入的研究，结果表明：RNGk—e模型与流体网格对网格单元的质量要求具有一定的特殊SSTk一∞模型所模拟的结果与实际试验结果更为接性，比如说，在流体梯度大的地方要求使用较细的网格，近，给出了在CFX软件中合适钝体绕流模拟的湍流模在边界层内沿流动方向可以采用大长宽比的网格，网格。的正交性、长宽比、扭曲率都需要满足一定要求。田婷等通过案例分析，说明了Hypermesh具有友5CFD的网格划分