开口空间结构表面风压分布规律的数值模拟及分析.pdf

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1、2009年6月第6卷第2期深圳土木与建筑VOL．6N0．2IUN2o09开口空间结构表面风压分布规律的数值模拟及分析李秀英滕军李朝(哈尔滨工业大学深圳研究生院)I摘要】基于专业计算流体动力学软件平台Fluent6．3提供的SSTk一湍流模型，对深圳市福田交通综合枢纽玻璃幕墙表面风压进行了不同风向下的数值模拟计算。在此基础上将数值风洞模型简化，并对比简化模型和原实体模型模拟结果。结果表明，采用简化模型同样可得到较准确的模拟结果，实际工程应用中可提高计算效率。此外，考虑建筑宽厚比、开洞率及开洞位置的影响，计算了不同影响因素下模型各表面风压系数，得出开口空间结

2、构的表面风压分布规律，为实际工程风压分析提供参考。【关键词l湍流模型数值风洞模型风压分布规律开口空间结构数值模拟1引言实际建筑体型复杂，建模及计算工作量较大，考虑风荷载是建筑物的一种主要侧向荷载，过强的到深圳市常年主风向对建筑物的作用，选取实体模型的人流区区域(图1中虚线部分)，在Fluent风速与风载会造成建筑外表、局部或整体建筑结构前处理器Gambit中建立三维简化模型(如图2示)，的损伤以至破坏。各种复杂体型的大跨度空间结构的设计中，确定结构表面的风压分布是结构风荷载来模拟玻璃幕墙表面风压分布。设计的关键。但是对风荷载的准确把握却是一个难题，尤其是

3、当建筑出现了诸如开口之类的更为复杂的情况。目前对大型复杂形体的空间结构风荷载取值，大多采用风洞实验的方法，该方法是目前公认较为准确的确定结构风荷载的方法，但试验过程需要解决一系列复杂的技术问题，如确定模型尺寸、来流风向等，且所需周期长，费用高。近几十年来，随图1实体模型着计算动力学和计算机硬件水平的提高，风荷载的数值模拟计算开始不断的出现在工程实际应用中。CFD(ComputationalFluidDynamics)数值模拟方法成本低，可满足工程设计的精度要求，计算条件容易设定，易于在设计中进行多方案比较。本文基于FLUENT6．3，根据深圳市福田交通综

4、合枢纽数值风洞模型，探讨了数值模拟中边界条件及计算参数设置，得到不同影响因素下结构表面风压分布规律，为开口空间结构风荷载设计提供参考。2两种模型模拟结果对比圉2衙化梗里2。1模型建立2．2计算参数及边界条件设置深圳市福田交通综合枢纽数值风洞实体模型为对比两种计算模型的模拟结果，除计算流域在三维建模软件Catia中建立，为尽量准确地描述外，计算参数和边界条件设置相同。建筑附近区域整体建筑物的空气动力特性，除对细节部位如玻璃均采用四面体非结构化网格，外围区域采用六面体幕墙厚度、人行道栏杆等进行一定的简化处理外，结构化网格；湍流模型选用剪切应力输运模型基本按实

5、际建筑体型和布局建模(详见图1)。由于(ShearStressTransport，SST)；大气边界层风场为不可压缩流，离散方程组的求解采用SIMPLEC李秀英，女，哈尔滨工业大学深圳研究生院算法，对流项采用具有三阶精度的QUICK格式；计地址：深圳西丽深圳大学城哈工大校区，518055算结果收敛的判断标准是计算过程中所有物理量电话：26033806的残差小于10。5且监测点平均风压系数基本稳定。182009年6月第6泰第2期深圳土木与建筑VOL．6N0．2IUN2o09流场入口边界条件：速度入口。福田交通枢纽场地地面粗糙度为c类，数值风洞来流平l均风×

6、速剖，J●面为：ZUIU=(、ZfZr玎(g1、)、I●，N一式中，a=0．22；Zref为参考高度(取1+0m)；0Urer为参考高度处平均风速，27．17m／s：z和U为任意高度及其对应的平均风速。湍流强度和湍流积分尺度采用日本AIJ规范中的建议公式：图3玻璃暮墙上点布置示意图f10．Zz6l■■圈隧函豳豳二二匡啊I：Z6Zg，=lOOx(z／30厂(3)式中，为标准参考高度，取5m；Za为梯度风高度，这里取400m。入口的湍动能和耗散率由经验公式确定：

7、1．5ko5七=二(u0=c=(4)2，，式中，=O．09。大气边界层平均风速剖面U(z)、湍动能和湍流耗散率￡在入流面的分布采用FLUENT提供的UDF编程与FLUENT作接口实现。流场出口边界条件设定为压力出口，任意物理量沿出口法向的梯度为零。地面采用无滑移边界条件，其它边界条件为自由滑移边界。2_3计算结果对比分析根据深圳市常年主风向，对交通枢纽实体模型着重模拟了北风(0。)、东北风(45。)、东风(90。)和东南风(135。)四个不利风向下的玻璃幕墙表面(b)45。风向的风压分布。因简化模型未考虑实体模型的换乘区——隧嚣鞫蘧口—一IR■-tB-1

8、．64-12-1-∞瑚4—Q2002叫06I×一和车流区部分，故取0。、4S。和