非稳态数值风洞模拟的压强震荡研究

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随着科技的发展和国民经济的提高,越来越多的轻质高强材料被应用于建筑行业。然而更多超高层、大跨度建筑及其他造型新颖独特的建筑外形和结构形式的出现,使建筑对风的敏感程度也越来越高,因此无论从结构设计的安全角度出发还是居住的舒适性角度出发,风荷载对于建筑来说越来越重要。目前国内荷载规范并不能对这类超限及外形复杂建筑给出准确的体型系数,也就无法准确的确定建筑表面风荷载。不能合理确定结构的风荷载不仅会为结构带来破坏和损伤,甚至威胁着人民的生命财产安全,因此确定合理的风荷载是结构抗风设计的关键。近些年随着计算机的发展和计算流体力学的成熟,非稳态数值风洞模拟作为数值风洞模拟的一个方向即将成为结构风工程的主要分析方法之一。流场及建筑表面压强主要包括平均压强和脉动压强,压强的合理确定至关重要,其中压强震荡问题是非稳态数值风洞模拟中影响压强的主要因素,压强震荡的存在导致计算域内各点压强的不稳定,以此计算出风荷载尤其是围护构件的风压会出现不准确的现象。因此本文针对压强震荡问题进行研究,基于大涡模拟方法分别对无风速剖面空风场、带风速剖面空风场以及带风速剖面带建筑计算域进行非稳态数值风洞模拟,分析了不同工况条件下不同参数对压强震荡的影响,为提高非稳态数值风洞模拟的计算精度提供参考。本文利用大涡模拟方法、随机湍流合成方法、UDF等措施实现非稳态数值风洞模拟,对入口均匀风速条件的空风场进行非稳态数值风洞模拟,研究并得出了变化湍流强度、湍流积分尺度、网格尺寸等参数对压强震荡的影响规律。通过加入平均风速剖面和风的脉动特性中的湍流强度、湍流积分尺度以及脉动风速功率谱实现了B类风速剖面条件下的非稳态数值风洞模拟,研究了单、多方向风速条件下变化网格尺寸和计算时间步长对空风场内压强震荡的影响规律。另外研究了入口B类风速剖面的单、多方向风速条件下带建筑计算域的压强震荡情况,分析了变化网格尺寸和计算时间步长对流场和建筑表面压强震荡的影响及对建筑表面压强系数分布的影响。在此基础之上,为得到解决压强震荡的有效方法,提出了附加计算域方法及改变网格尺寸方法,将该方法应用于非稳态数值风洞模拟中,并对模拟结果进行对比分析,结果表明:本文中提出的两种压强震荡解决方法能有效缓解压强震荡问题,为结构设计人员提高非稳态数值风洞模拟的压强计算精度提供一定参考价值。
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