高层建筑CFD数值模拟及风振响应分析

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近年来,随着经济的发展,大批量务工人员涌入城市,致使城市地区土地资源日益紧张。高层建筑的出现,虽然能在一定程度上缓解城市用地压力,但是错综复杂的建筑布局、不同高宽比建筑的混乱搭配等现象,使得城市建筑群中的风环境错综复杂。局部风速过大,易导致行人受伤;建筑背风面大范围的风影区,使得城市中的污染废气难以得到排放;建筑间异常流固耦合现象,严重影响着市民的居住舒适感。为了能够研究设计出适用于城市的合理建筑布局,本文基于ANSYS软件中Fluent、Fluid-Structure Interaction两大模块,进行如下工作:利用Fluent模块对标准高层建筑模型进行同等条件下的数值模拟,与同济大学TJ-2风洞实验室实验数据进行对比,验证本文中模拟数据的可靠性。研究40m×25m×100m高层建筑模型,模拟其在四种湍流模型下建筑周围的流场现状,对比风压云图及流线图等结果间的差异,选取SSTk-ω湍流模型作为本文数值模拟的湍流模型。考虑了不同高宽比下的建筑表面风压、2/3高程处湍动能云图及对称面风压云图等。发现当建筑高宽比为6时,建筑迎风面风压数值最小,湍动能数值大小适中,风压变化幅度小。研究60m×30m×180m建筑模型,模拟0°与90°两种来流风向流固耦合作用。发现:工况2(迎风面为0.3m)时,建筑顶部位移仅为工况1(迎风面为0.6m)位移的1/9;对称面处风压正值小于工况1;建筑背风面湍动能数值低于工况1,空气流动性好。所以,建议将建筑尺寸较小一侧作为建筑来流风向进行布置。研究不利来流风向下的建筑横向布局,在已建建筑(1)(即工况1)正前方分别串联布置D=3d、D=5d、D=7d、D=9d四种横向间距的一等尺寸建筑(命名为:拟建建筑(2)),对比不同横向间距下,拟建建筑对原有建筑的干扰作用。结果发现,横向间距D=7d是较为理想的建筑宽度布局。限定横向间距D=5d前提下,设置d、2d、3d及4d四种纵向间距,比较建筑2/3高程处风压、湍动能云图、风速矢量图及建筑总变形量、等效弹性应变曲线图等结果。发现,在横向间距D=5d不利前提下,纵向间距H=3d的间距布局,可以较好的改善横向间距的不足。研究三种不同风速下,多种建筑截面的风环境现状,对比建筑对称面风压云图、2/3高程处风压云图及风速矢量图。发现:矩形建筑截面迎风面风压数值大小适中,2/3高程处风速数值最小,对风环境的适应性更强。
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