矩形截面高耸结构风荷载的CFD模拟

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随着数值模拟技术的不断发展,其在工程应用及科学研究中得到了广泛的应用。对高耸结构的风荷载进行数值模拟并预测,不仅可以减少研究费用还能节约时间,并为初步设计提供参考。本文采用CFD模拟技术手段研究钝体表面风荷载:首先建立多种长宽比的二维断面和三维模型、构建合理的边界条件。在FLUENT 14.5软件中利用SST k-ω湍流模型进行计算,通过研究结构周围流场分布规律、形成机理,进而研究建筑物表面的风压分布特点。将数值模拟结果与现有的研究成果对比分析,深入分析了矩形断面表面风压特性的分布规律,为结构抗风研究和提高高耸结构荷载取值精度提供参考。具体研究内容有几个部分:(1)在均匀流中,建立4个长宽比分别为1:1、2:1、3:1和4:1的二维矩形断面模型,通过模拟计算得到流场和表面压力分布情况,并将模拟结果与已有论文和文献进行对比分析,确定截面长宽比对其流场和表面压力分布的影响。(2)在均匀流中,将形状规则的三维高耸结构简化成方柱模型,并对其进行模拟计算,得到方柱周围的流场和表面压力分布。对方柱进行风洞试验,得到其周围流场和表面分压分布,并与模拟结果进行对比分析。通过对其流场分布和表面压力分布,讨论了其压力分布规律和雷诺数的影响。(3)为验证数值模拟技术的可靠性,将在均匀流中模拟计算的长宽比为1:1的二维矩形断面模型的流场和压力分布结果与在均匀流中模拟计算的方柱进行对比分析,得出两种状态即瞬态和稳态以及矩形截面建筑高度对其流场和压力分布的影响情况。(4)通过数值模拟,研究在多种风向角(0°、15。、30°和45°)下,方柱的流场与压力分布规律。计算结果表明:本文采用的结构长宽比对于其迎风面的风压分布规律基本上无影响,而对其背风面的风压分布却有着明显的影响。各模型风压系数极小值最不利区域主要集中在短边立面的中部区域;对比数值模拟结果和风洞试验结果还可发现,数值模拟的风压系数范围比风洞试验的略大。风向角对矩形断面表面压力的分布会产生较大的影响。
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