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摘 要：本文运用CFD技术进行了伞形膜结构刚性模型绕流风场的数值模拟，分析了其表面风荷载分布特性。数值模拟依托CFX软件平台，基于雷诺平均模拟（RANS）方法进行。文中利用CFD数值模拟技术可较方便变化各种参数、能同时提供开敞式膜结构的上、下表面风压分布等优势，分析了风向角、矢跨比对伞形膜面风荷载分布的影响，总结了其风压分布规律，并给出了相应的膜面风压系数分布图供工程设计参考。
关键词：数值模拟；伞形膜结构；计算流体力学；风荷载分布；计算风工程
中图分类号：TU312 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）03-0084-03
0 引 言
索膜结构作为一种新颖的结构形式，以其独特的建筑造型和卓越的轻质高强性能[2]，正得到日益广泛的应用。传统的风洞试验方法所需的时间长，费用高，而且由于某些相似条件在实验中很难满足，从而在一定程度上降低了实验精度。近年來，伴随着计算机硬件技术的迅速提升以及数值计算科学的发展[3]，在计算机上综合运用CFD数值模拟技术对结构周围绕流流场进行数值模拟已成为一种新的解决该问题的途径。与风洞试验方法相比，CFD数值模拟技术优点在于[4]：费用省、周期短、效率高，可以构造与实际结构尺寸相同的计算模型，方便地变化各种参数等。因此CFD数值模拟技术在索膜结构抗风设计中具有广阔的前景。
基于上述考虑，本文运用CFD数值模拟技术对处于大气边界层底层的伞形膜结构风荷载分布特性进行了系统研究，对其表面风压分布进行了数值模拟。数值模拟依托CFX软件平台，基于雷诺平均模拟（RANS）方法进行。
1 伞形膜结构绕流特性的数值模拟1.1 计算模型（1）结构建模
如图1所示，计算模型为正六边形平面伞形膜结构，底部开敞，其中结构水平投影的外接圆直径为10m，即L=10m，中心为一个半径0.5m的钢环。不设膜内索，形成水平环向曲率变化连续的膜曲面。膜厚度t=lmm，初始预张力T0=2.5kN/m，张拉刚度Et=255kN/m。索的弹性模量为160Gpa，泊松比为
0.3。本文选取如下参数进行计算：
1）风向角（α）： 0°，90°；
2）矢跨比（f/L）：1/12，1/10，1/8；
膜结构有限元模型中，膜面采用shell 41单元，索采用link 10单元，假定索和膜之间没有相对滑动。本文膜结构找形采用了支座位移法和小弹性模量法进行初始找形。
（2）流域建模
根据结构尺寸，计算流域取为120m×80m×40m，膜结构置于整个流域沿流向的1/3位置处。流域设置满足阻塞率<3%的要求，以尽量消除计算域对所关心的模型附近流动状态的影响。对整个流域进行混合网格划分，即在靠近结构的区域使用较密的四面体网格，其余部分采用相对稀疏的结构化六面体网格，在四面体网格与六面体网格过渡处和结构表面附近使用棱柱体网格。流场和网格划分如图2、图3所示，其中网格节点数为6万，网格数为13万，其中非结构网格为8万，结构网格为5万。采用二阶迎风格式离散控制方程。本文的流体计算模型中流体质量密度（空气）均取为1.29kg/m3，粘度μ均取为1.74×10-5 kg/m·s。场地类型为C类，地面粗糙度指数α= 0.22。
（2）出口及壁面边界条件
出流面接近完全发展，采用完全发展出流边界条件（outflow）；流域顶部和两侧采用对称边界条件（symmetry），等价于自由滑移的壁面；膜结构表面和地面采用无滑移的壁面条件（wall），并在地面引入粗糙壁面修正。
2 伞形膜结构风荷载分布特性
2.1 风向角对膜面风荷载分布的影响
伞形膜结构矢跨比f/L =1/10，风速v=20m/s，矢跨比f/ L=1/4，使用瞬态求解。来流风向分别为0°，90°，计算结构表面的风压系数分布。不同风向角作用下的膜面风压系数分布，详见图4～图5。
由于是开敞式膜结构，将膜面对应点的上下表面风压系数相减，得到膜面的净风压系数。计算模型和边界条件关于流向（X轴）对称，数值模拟的结果整体上也成对称分布，初步验证了数值模拟的合理性。根据不同风向角下膜表面风压系数分布图，可以看出，0°风向角时在膜面前缘有强烈的气流分离现象，膜面主要分为两个区域，迎风面为正压区，背风面大部分为负压区，并且在靠近顶部圆环处出现了一个小的正压区。90°风向角时膜面风压分布情况与0°风向角时相似，风压分布系数值稍有不同，最大负压的绝对值比0°风向角时稍大。
2.2 矢跨比对膜面风荷载分布的影响
计算了在风向角α=0°，风速v=20m/s，膜结构在不同矢跨比f/L=1/10，1/8，1/6下结构表面风压系数分布。膜面风压系数分布，详见图6～图8。
根据以上不同矢跨比的膜面风压系数分布图，可知三种情况的风压系数分布规律相似，但具体数值却随矢跨比f/L的变化而变化。随着矢跨比f/L的增大，各个区域的风压分布系数绝对值都增大。而且由于矢跨比f/L增大，迎风面积随之增加，正压区也有所扩大。相对于风向角，伞形膜结构风荷载分布受矢跨比影响较小。
图9给出了矢跨比f/L的变化对膜面风压分布影响的对比结果。
3 结论
本文采用CFD数值模拟方法对大跨度伞形膜结构表面风荷载分布进行了数值模拟。系统研究了风向角、矢跨比对膜面风压分布的影响，探讨了结构周围流场的绕流特性。主要结论如下：
（1）风向的变化对伞形膜结构风荷载分布起着非常显著的作用。不同风向角下，膜面前缘和顶部圆环处来流分离最为严重，因此在设计时，应注意风向角对膜面风荷载的影响及膜面的局部处理。
（2）对于不同矢跨比，伞形膜结构风压分布规律基本不变，只是具体数值有所不同。随着矢跨比的增大，伞形膜结构最大风压力和风吸力均相应增加，迎风面积随之增加，正压区也有所扩大。
（3）相对于风向角，伞形膜结构风荷载分布受矢跨比影响较小，说明矢跨比的变化对漩涡脱离作用的影响很小。
参考文献
[1] 殷志祥，张健. 张拉索膜结构事故分析及风振问题[J]. 工业建筑增刊. 2005： 797-800
[2] 沈世钊. 膜结构—发展迅速的新型空间结构[J]. 哈尔滨建筑大学学报. 1999 （2）： 11-15
[3] 杨洪智，殷志祥. 大跨度柔性结构风荷载分析的数值风洞方法及其在ANSYS中实现[J]. 工业建筑增刊. 2008： 732-739
[4] 沈世钊. 大跨空间结构理论研究若干新进展[A]. 第十一届空间结构学术会议论文集[C]. 2005： 26-40
[5] 殷惠君. 膜结构风荷载的数值模拟研究[D]. 同济大学博士学位论文，2006
[6] 孙瑛. 大跨屋盖结构风荷载特性研究[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学博士学位论文，2007
[7] 武岳，沈世钊. 膜结构风振分析的数值风洞方法[J]. 空间结构，2003，9（2）： 38-43
关键词：数值模拟；伞形膜结构；计算流体力学；风荷载分布；计算风工程
中图分类号：TU312 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）03-0084-03
0 引 言
索膜结构作为一种新颖的结构形式，以其独特的建筑造型和卓越的轻质高强性能[2]，正得到日益广泛的应用。传统的风洞试验方法所需的时间长，费用高，而且由于某些相似条件在实验中很难满足，从而在一定程度上降低了实验精度。近年來，伴随着计算机硬件技术的迅速提升以及数值计算科学的发展[3]，在计算机上综合运用CFD数值模拟技术对结构周围绕流流场进行数值模拟已成为一种新的解决该问题的途径。与风洞试验方法相比，CFD数值模拟技术优点在于[4]：费用省、周期短、效率高，可以构造与实际结构尺寸相同的计算模型，方便地变化各种参数等。因此CFD数值模拟技术在索膜结构抗风设计中具有广阔的前景。
基于上述考虑，本文运用CFD数值模拟技术对处于大气边界层底层的伞形膜结构风荷载分布特性进行了系统研究，对其表面风压分布进行了数值模拟。数值模拟依托CFX软件平台，基于雷诺平均模拟（RANS）方法进行。
1 伞形膜结构绕流特性的数值模拟1.1 计算模型（1）结构建模
如图1所示，计算模型为正六边形平面伞形膜结构，底部开敞，其中结构水平投影的外接圆直径为10m，即L=10m，中心为一个半径0.5m的钢环。不设膜内索，形成水平环向曲率变化连续的膜曲面。膜厚度t=lmm，初始预张力T0=2.5kN/m，张拉刚度Et=255kN/m。索的弹性模量为160Gpa，泊松比为
0.3。本文选取如下参数进行计算：
1）风向角（α）： 0°，90°；
2）矢跨比（f/L）：1/12，1/10，1/8；
膜结构有限元模型中，膜面采用shell 41单元，索采用link 10单元，假定索和膜之间没有相对滑动。本文膜结构找形采用了支座位移法和小弹性模量法进行初始找形。
（2）流域建模
根据结构尺寸，计算流域取为120m×80m×40m，膜结构置于整个流域沿流向的1/3位置处。流域设置满足阻塞率<3%的要求，以尽量消除计算域对所关心的模型附近流动状态的影响。对整个流域进行混合网格划分，即在靠近结构的区域使用较密的四面体网格，其余部分采用相对稀疏的结构化六面体网格，在四面体网格与六面体网格过渡处和结构表面附近使用棱柱体网格。流场和网格划分如图2、图3所示，其中网格节点数为6万，网格数为13万，其中非结构网格为8万，结构网格为5万。采用二阶迎风格式离散控制方程。本文的流体计算模型中流体质量密度（空气）均取为1.29kg/m3，粘度μ均取为1.74×10-5 kg/m·s。场地类型为C类，地面粗糙度指数α= 0.22。
（2）出口及壁面边界条件
出流面接近完全发展，采用完全发展出流边界条件（outflow）；流域顶部和两侧采用对称边界条件（symmetry），等价于自由滑移的壁面；膜结构表面和地面采用无滑移的壁面条件（wall），并在地面引入粗糙壁面修正。
2 伞形膜结构风荷载分布特性
2.1 风向角对膜面风荷载分布的影响
伞形膜结构矢跨比f/L =1/10，风速v=20m/s，矢跨比f/ L=1/4，使用瞬态求解。来流风向分别为0°，90°，计算结构表面的风压系数分布。不同风向角作用下的膜面风压系数分布，详见图4～图5。
由于是开敞式膜结构，将膜面对应点的上下表面风压系数相减，得到膜面的净风压系数。计算模型和边界条件关于流向（X轴）对称，数值模拟的结果整体上也成对称分布，初步验证了数值模拟的合理性。根据不同风向角下膜表面风压系数分布图，可以看出，0°风向角时在膜面前缘有强烈的气流分离现象，膜面主要分为两个区域，迎风面为正压区，背风面大部分为负压区，并且在靠近顶部圆环处出现了一个小的正压区。90°风向角时膜面风压分布情况与0°风向角时相似，风压分布系数值稍有不同，最大负压的绝对值比0°风向角时稍大。
2.2 矢跨比对膜面风荷载分布的影响
计算了在风向角α=0°，风速v=20m/s，膜结构在不同矢跨比f/L=1/10，1/8，1/6下结构表面风压系数分布。膜面风压系数分布，详见图6～图8。
根据以上不同矢跨比的膜面风压系数分布图，可知三种情况的风压系数分布规律相似，但具体数值却随矢跨比f/L的变化而变化。随着矢跨比f/L的增大，各个区域的风压分布系数绝对值都增大。而且由于矢跨比f/L增大，迎风面积随之增加，正压区也有所扩大。相对于风向角，伞形膜结构风荷载分布受矢跨比影响较小。
图9给出了矢跨比f/L的变化对膜面风压分布影响的对比结果。
3 结论
本文采用CFD数值模拟方法对大跨度伞形膜结构表面风荷载分布进行了数值模拟。系统研究了风向角、矢跨比对膜面风压分布的影响，探讨了结构周围流场的绕流特性。主要结论如下：
（1）风向的变化对伞形膜结构风荷载分布起着非常显著的作用。不同风向角下，膜面前缘和顶部圆环处来流分离最为严重，因此在设计时，应注意风向角对膜面风荷载的影响及膜面的局部处理。
（2）对于不同矢跨比，伞形膜结构风压分布规律基本不变，只是具体数值有所不同。随着矢跨比的增大，伞形膜结构最大风压力和风吸力均相应增加，迎风面积随之增加，正压区也有所扩大。
（3）相对于风向角，伞形膜结构风荷载分布受矢跨比影响较小，说明矢跨比的变化对漩涡脱离作用的影响很小。
参考文献
[1] 殷志祥，张健. 张拉索膜结构事故分析及风振问题[J]. 工业建筑增刊. 2005： 797-800
[2] 沈世钊. 膜结构—发展迅速的新型空间结构[J]. 哈尔滨建筑大学学报. 1999 （2）： 11-15
[3] 杨洪智，殷志祥. 大跨度柔性结构风荷载分析的数值风洞方法及其在ANSYS中实现[J]. 工业建筑增刊. 2008： 732-739
[4] 沈世钊. 大跨空间结构理论研究若干新进展[A]. 第十一届空间结构学术会议论文集[C]. 2005： 26-40
[5] 殷惠君. 膜结构风荷载的数值模拟研究[D]. 同济大学博士学位论文，2006
[6] 孙瑛. 大跨屋盖结构风荷载特性研究[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学博士学位论文，2007
[7] 武岳，沈世钊. 膜结构风振分析的数值风洞方法[J]. 空间结构，2003，9（2）： 38-43