cfd原理及其在抗风工程中的应用

cfd原理及其在抗风工程中的应用

0结构抗风设计方法风灾是自然灾害的主要灾种之一。据报道,2004年北美的“珍妮”、“查理”和“伊万”等飓风造成2000多人死亡,直接经济损失约500亿美元。2005年,至少有8个强台风在我国东南、华南沿海地区登陆,造成数百人死亡,数十万间房屋倒塌和损坏,直接经济损失数百亿人民币。近20年来,国内外建造了大量的重大工程建筑结构,在这些重大工程的设计中,强风作用下结构的风荷载往往是结构安全性和适用性的控制荷载,需要引起设计人员的高度重视。在结构抗风研究中,传统的研究方法有现场实测和大气边界层风洞试验两种方法。现场实测是风工程研究中最直接最有效的方法,但是它无法在建筑物建造前进行,也就无法为建筑的设计提供参考。风洞试验方法是当前风工程领域使用的主要方法,它是通过制作实际建筑物的缩尺模型在大气边界层风洞中进行,通过布置在模型表面的试验仪器测量风速,风压以及结构的动力响应等来获得相关数据,缺点在于模型制作费时费力,试验周期比较长,而且缩尺模型将会带来一系列的物理量如风速,时间,雷诺数,斯托拉哈数等参数的相似问题。随着科学技术的发展,计算风工程成为了风工程研究领域的又一崭新的研究方法[3~6]。计算风工程的核心内容就是计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics,或者CFD)。CFD是近年来发展起来的一门新兴学科,已成为流体力学研究领域与理论流体力学和实验流体力学相提并论的研究方法,广泛用于工程流场数值计算。本文较详细的介绍了CFD的原理,包括连续方程、动量方程以及N~S方程的推导,并介绍了FLUENT软件的计算模式。最后以威斯汀中心为实例,给出了表面风压系数、局部体型系数以及整体体型系数,并列出了最不利工况下建筑体型系数,为结构设计提供参考。1场域的相对人是引入场域和空间域的空间域上的变量之间关系的代数方程法计算流体力学是通过计算机数值计算和图像显示,对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。其基本思想可以归结为:把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场,如速度场和压力场等,用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替,通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上的变量之间关系的代数方程,然后求解代数方程组获得场变量的近似值。通过这种模拟可以得到极其复杂问题的流场内各个位置的基本物理量(如速度、压力、温度等)的分布,以及这些物理量随时间的变化情况。1.1纳维尔—计算流体力学原理采用有限体积控制体的分析方法导出微元形式的流体运动的基本方程。直角坐标系中适用于任何流体的三维非定常的可压缩运动微分形式的连续性方程为对于在建筑的抗风研究中,建筑处于大气边界层内,且风速较小,此时可以认为空气在运动的过程中不可压缩,有式(2)称为三维非定常不可压缩流体的连续性方程,也称质量守恒方程。微分形式的运动方程根据牛顿运动定律:在x,y,z方向上可以整理成为能够应用上述运动方程解决实际流动问题,还必须要针对不同的流体给出应力张量与应变率张量的本构关系式。斯托克斯依据一定的假设条件,通过数学上的演绎法,得到牛顿流体的本构关系式为,并将应力的这一表示式用于牛顿流体,就得出了流体微元的运动方程:如果流体中的动力粘度为常数、流体不可压缩,则(4)式变为写成张量形式式(6)就是著名的纳维尔—斯托克斯方程,简称N-S方程。一般认为,无论湍流流动多么复杂,三维的、非稳态的Navier-Stokes方程对于湍流的瞬时运动仍然是适用的,因此湍流模拟的数值方法也就聚焦在了三维非稳态NavierStokes方程的数值求解上。1.2cfd软件计算方法自1981年以来,出现了PHOENICS、CFX、STAR-CD、FIDIP、FLUENT等多个商用CFD软件,在这些众多软件中,FLUENT是目前功能最全面、适用性最广的CFD软件之一,图1给出了FLUENT软件计算的流程图。2工程实例分析2.1威斯汀中心建筑杭州威斯汀中心项目地址位于杭州市萧山区,与萧山经济技术开发区管委会隔街相望。威斯汀中心由两幢塔楼和6层高的裙房组成,其中北塔楼地面以上为50层,结构高度约206m,最高处达到221.8m,属B级高度高层建筑;南塔楼地面以上为26层,结构高度约100m,最高处达到130.65m,属A级高度高层建筑。6层裙房将两幢塔楼连成整体,裙房结构高度约35m。威斯汀中心的立面图如图2所示。该建筑是外形不规则的双塔高层建筑。双塔高层建筑的抗风设计需要考虑塔楼之间的相互干扰,其风压分布特征与单体高层建筑差别较大,无法采用规范所给出的体型系数;并且该建筑的平面和立面变化复杂,双塔无对称性,体型特殊。因此,其风荷载必须通过风洞试验或数值模拟来确定,以保证结构体系的安全。2.2材料和边界条件计算模型尺寸参考原型尺寸,长方体的计算域尺寸为(2200×1400×1000m3),将模型置于顺风向流体域1/3处。由于该建筑为非对称结构,本次计算在0°~360°风向范围内每隔45°设置一个风向角工况,共计8个工况。与风洞试验类似,可以采用取测点的方法表示建筑物上的风荷载。入口边界条件:来流为剪切流,湍流特性通过UDF直接给定湍流动能和湍流耗散率。出口边界条件:采用完全发展的出流边界条件。流体顶部和两侧:自由滑移的壁面条件。建筑物表面和地面:无滑移的壁面条件。在Fluent6.0设置中,采用基于压力的求解器(PressureBased),湍流模型采用标准的k-模型,模型中的有关参数Cmu=0.0845、Cmε=1.42、C2ε=1.68,对压力-速度耦合方程采用SIMPLE算法2.3建筑：采用尾涡流,形成严重的持续振速图3和图4给出了40m高度处0度和45度风速矢量图,可以看出在建筑后方形成很大的尾涡,另外,可以发现,对于多塔楼结构,狭道风效应显著。2.3.1吸光度pi本次数值模拟中各测点风压系数的计算方法系按下式计算:式中:Cpi是建筑物表面某测点i的风压系数,Pi是测点i的风压值,ρ是空气密度,取1.225kg/m3;P∞是参考点静压力值,V∞是参考点的风速。表1列举出了部分工况部分点的风压系数。2.3.2模型型系数和参考点风压根据《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)的规定,在不考虑阵风脉动和风振效应时,作用在建筑物表面某点“i”的风压Wi计算公式为:式(8)中W0为标准地貌的基本风压;μsi为i点的风载体型系数;μsi为i点的风压高度变化系数。而由数值模拟得出的风压计算公式为:式中Cpi为数值模拟得到的i点的风压系数,Wr为计算参考点的风压。根据式(8)、式(9)可得到风载体型系数μsi与风压系数Cpi的关系为2.3.3风压高度变化系数cX和Y方向的整体体型系数,其计算公式如下式(11)、(12)中μsX、μsY分别为X、Y方向的整体体型系数,LX、LY分别为X、Y方向的迎风面参考长度,μzr为参考点高度所对应的风压高度系数,μz为所计算高度的风压高度变化系数。表2给出了各种工况下南北楼标准层在部分高度的整体体型系数。3cfd数值模拟CFD的飞速发展为风工程的研究手段带来了巨大的变革,CFD对流场平均特性的计算结果已经达到实用化程度。本