山地地形下低矮坡屋面风荷载数值模拟研究

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低矮坡屋面作为常见的建筑形式其应用十分广泛,普遍使用于普通民房、商业用房和工业用房等,并且分布范围较广,从东南沿海到西南内陆都有其应用。该结构形式的屋面结构容易受到风灾破坏,尤其是在山地地形的负面作用下。坡屋面结构属于钝体工程,钝体风工程是结构风工程研究热点,所以研究坡屋面形式结构同时可以为其它钝体结构的数值模拟提供参考。本文使用CFD开源平台OpenFOAM对坡屋面在平坦地面和山地地形下的风荷载变化进行研究,探究地面粗糙度、湍流强度和山体坡度等一系列因素对坡屋面风荷载的影响,为工程设计提供参考。首先介绍了结构风工程方面的一些基础理论知识以及数值计算(CFD)的过程。对本文中使用的雷诺时均方法的几个典型湍流模型进行详细说明,最后总结现在壁面附近流体计算需要进行改进的问题,说明了v2f模型的特点。然后编译和研究使用OpenFOAM平台,与Fluent等商用软件不同,它是开源的,应用和开发相对灵活。探索OpenFOAM平台在结构风工程的应用,通过在该平台中对经过非线性修正的低雷诺数湍流模型v2f湍流模型进行数值验证,说明v2f模型有较高的计算精度,能为工程设计提供参考。再对平坦地面上的双坡屋面进行数值分析,分析不同粗糙度和坡度变化对体型系数的影响并与荷载规范进行对比,根据计算结果提出计算公式,并对屋面上压力分布进行详细分析;对湍流强度对坡屋面体型系数影响进行研究;最后对两栋相同坡屋面的相对位置对屋面体型系数的影响进行计算,给出前后坡屋面干扰系数分布图。最后研究类似山脉的山体周围的风速加速比以及气压分布,然后将山地地形与低矮坡屋面相结合计算,通过改变山体坡度和建筑在山体中的位置,研究山体形状对坡屋面风屋面体型系数、压力分布和屋面周围流场的变化以及建筑对整个山体的风场影响,为工程实际提供参考。
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