论文部分内容阅读
龙卷风是一种由空气对流产生的强烈旋风,破坏力极大。在我国,由于龙卷风的发生概率较低,《建筑结构荷载规范》中尚未包含相关的抗龙卷风设计要求。但对于核电厂、火电厂等结构,一旦破坏,将对国民经济将造成巨大影响。故在其设计中,必须考虑在其设计使用年限中可能遭受到的龙卷风荷载。为了更真实地重现结构与龙卷风场的相互作用,本文利用ANSYS-CFX软件对核电常规岛主厂房钢框架结构与三维龙卷风场的流固耦合效应进行了 CFD数值模拟,并就结构在龙卷风风场作用下的龙卷风荷载及位移响应进行了研究。之后,就结构在不同方位角下的龙卷风荷载的变化规律进行了研究,以便为结构的抗龙卷风设计提供参考。首先,基于计算流体力学理论,利用ANSYSCFX计算流体力学软件建立了龙卷风场的数值模型,并就数值模拟结果进行过分析,结果表明:数值风场的切向风速和气压降沿径向的变化规律与雷达实测数据和Rankine涡模型的变化规律相同。因此,该数值模拟模拟龙卷风场是可靠的。之后,探讨了涡流比对龙卷风风场特征参数及涡核结构的影响。研究发现:随着涡流比的增加,龙卷风风场最大切向速度减小,其对应的核心半径增大;龙卷风场中心处的气压降值减小;龙卷风场的涡核形状也产生变化,从漏斗状变为鼓状。其次,基于弱耦合求解策略,利用ANSYS-CFX软件对核电常规岛主厂房钢框架结构与三维龙卷风场的流固耦合效应进行了 CFD数值模拟,并就结构在龙卷风风场作用下的龙卷风荷载及位移响应进行了研究。研究结果表明:当龙卷风袭击结构时,各个方向上,双向流固耦合下的结构荷载值均大于单向耦合下的荷载值,在Y轴方向上差值最大,达到了 20KN;单向流固耦合和双向流固耦合下两种情况下的位移相差较大,相对误差达到36%。因此,在结构的抗龙卷风设计中考虑结构与龙卷风场的耦合作用有一定的必要性。最后,探讨了龙卷风场作用于结构上的方位角变化和结构在龙卷风场中的径向位置变化对结构表面龙卷风荷载的影响。将结构置于风场不同方位角下发现:30°和60°方位角下结构受力较其它方位角下更危险。之后,就结构在风场中不同径向位置下的龙卷风荷载进行了分析,发现:结构处于风场核心半径处受到的龙卷风荷载较大。同时,在重要土建结构的设计中,结构屋面、近涡核面和结构迎风面边缘、最大风压出现位置等出现较大压力梯度的位置的设计中应予以重视。