风致折叠网壳结构表面积雪分布CFD模拟

为研究风致折叠网壳结构表面积雪的分布规律,基于Euler-Euler方法和空气相与雪相单向耦合的基本假设,运用通用计算流体动力学软件ANSYS Fluent的Mixture多相流模型理论,并考虑壁面上积雪的侵蚀与沉积,建立风致雪漂的数值模型。首先,模拟立方体周围积雪分布并与实测结果对比,探讨与分析数值风洞的关键技术与参数,证实三方程k-kl-ω湍流模型能更好地对风雪两相流进行模拟。在此基础上,以风速和风向角为分析参数,模拟折叠网壳结构表面积雪分布。结果表明,10 m/s以下较低风速的持续作用对积雪分布尤为不利,受风向角变化影响,结构表面积雪的侵蚀与沉积发生在不同分区,其中迎风面被大面积侵蚀、背风面局部沉积,在不同的风向角下同一分区的积雪分布系数相对改变量最高达1.28。模拟获得结构表面在全风向角下的最不利积雪分布系数,为近似体型结构的抗风雪设计理论提供参考依据。     

开洞口煤仓风致积雪数值模拟及雪荷载不利分区研究

风雪共同作用下开洞口煤仓网壳表面雪压不均匀分布,对网壳结构安全性极为不利,且我国《建筑结构荷载规范》和《火力发电厂圆形贮煤仓施工技术规范》并未明确规定此种结构的雪荷载,故模拟研究了此种更接近实际煤仓选型的结构表面积雪侵蚀和沉积量的变化情况。运用FLUENT计算流体力学软件,基于Euler-Euler的方法,分析了不同风向角、积雪厚度和吹雪时间对开洞口煤仓表面积雪侵蚀量和沉积量的影响,结果表明,风向角和积雪厚度对煤仓表面积雪变化量影响较大,随风向角和积雪厚度增大,煤仓中心部位垂直来流风方向的积雪侵蚀量显著增大。将数值模拟所得结果与规范进行对比,发现此类结构并不适用于我国规范给出的屋面积雪分布系数,故提供煤仓表面最不利积雪分布系数分区图,为煤仓表面雪荷载设计提供依据。     

落地四坡房屋表面风致雪漂移效应分析

为了获得落地四坡房屋表面积雪分布规律,根据风雪运动机理选取适当的雪粒粒径、积雪密度、沉降速度等条件,考虑积雪侵蚀沉积等影响因素,基于Euler-Euler多相流理论,使用FLUENT软件Mixture多相流模型模拟了立方体周围积雪及高低屋盖模型表面积雪分布,并与实测进行了比较,确定了湍流物理方程、数值风洞尺寸、细部网格及数量、壁面条件等各计算参数设置。以风速、风向角为参数,模拟落地四坡房屋屋面积雪分布得出:随着风速增加,屋面积雪量不断减少,15m/s风速下屋面积雪呈完全侵蚀状态,低风速下屋面积雪更多;屋面各区域积雪漂移随着风向角的改变不断改变,总体表现为侵蚀状态沉积区域较少;在5m/s风速下落地四坡房屋的迎风面各区域积雪分布系数在0.5以下,迎风屋顶各区域积雪分布系数基本为0,背风屋顶各区域积雪分布系数变化幅度高达0.8,背风面各区域积雪分布系数整体保持在0.9附近。得到了5m/s风速下区域积雪分布系数表,可为该类房屋的设计使用提供理论依据。     

风雪共同作用下大跨度双曲屋盖数值模拟研究

“风致雪漂”运动可能会造成建筑物倒塌,威胁到人身财产安全,因此风雪的共同作用在设计大跨度结构时是不能忽略的。本研究采用欧拉-欧拉方法,基于k-kl-ω湍流模型,选择的大跨度双曲屋盖结构的投影形状有4种,分别为矩形、正方形、椭圆形以及圆形,研究在风雪流共同作用下风向角不同时这4种结构屋盖表面的风致积雪压力系数曲线图和积雪分布系数云图,并进行了对比分析,得到积雪分布规律。结果表明：风致雪漂作用下4种形状屋盖结构表面风致积雪压力系数比单独风作用下的平均压力系数大;4种屋盖结构表面的风致积雪压力系数最大值出现的位置不同;风向角对屋盖表面的风致积雪压力有很大影响,当风向角不同时,屋盖表面压力从大到小的排列顺序依次为矩形、椭圆形、正方形和圆形屋盖。     

攒尖四坡屋面风致雪漂移的数值模拟

为获得攒尖四坡屋面的风致雪漂移规律,基于欧拉-欧拉方法和风雪单向耦合假定,运用计算流体动力学软件,选取Mixture模型分别对立方体周边和高低屋面上的风致雪漂移运动进行数值模拟,将模拟结果与两者的实地观测数据对比,探讨分析数值风洞的关键技术和参数设置,验证数值模拟方法的合理性与可靠性。依据攒尖四坡房屋的使用功能要求,设计分析模型与分析工况,在试算的基础上对屋面进行分区。以风速5 m/s,7 m/s,9 m/s,11 m/s,13 m/s和15 m/s,风向角0°,15°,30°和45°以及屋面坡度25°,30°,34°,40°和45°为分析参数,对攒尖四坡房屋的120种工况进行数值模拟,得到屋面各分区侵蚀沉积的基本规律,提出可用于抗雪设计的屋面积雪分布系数。研究表明,风向角的改变会使屋面积雪分布状态发生较大程度的变化,风速和屋面坡度的变化对屋面整体积雪量有较大影响。     

基于风压分布特性的折叠网壳结构形状优化研究

针对风敏感结构折叠网壳存在抗风不利区域和风压梯度变化较大的力学行为,为优化其在风荷载作用下的表面风压分布,降低结构的风致响应,基于流体动力学基本原理和大气边界层基本理论,运用Fluent软件对折叠网壳结构风压分布进行数值模拟的基础性研究,对比风洞试验结果,确定复杂体型结构数值模拟的计算域尺寸、计算域离散和湍流模型等关键参数的选取。在此基础上对8种折叠网壳结构形状优化方案进行分析,得到其分区体型系数和体型系数的标准差,对比结构初始形态表面风压,最终得到具有良好抗风性能的最优方案,化解了结构的不利风压分布。结果表明,CFD数值分析技术能够有效地解决风敏感结构在风荷载作用下的形状优化问题,为结构体型优化和研发新型野营房屋提供了一个设计方法和理论依据。     

基于风压分布特性的折叠网壳结构形状优化研究Folding reticulated shell structure shape optimization based on wind pressure distribution characteristics

针对风敏感结构折叠网壳存在抗风不利区域和风压梯度变化较大的力学行为,为优化其在风荷载作用下的表面风压分布,降低结构的风致响应,基于流体动力学基本原理和大气边界层基本理论,运用Fluent软件对折叠网壳结构风压分布进行数值模拟的基础性研究,对比风洞试验结果,确定复杂体型结构数值模拟的计算域尺寸、计算域离散和湍流模型等关键参数的选取。在此基础上对8种折叠网壳结构形状优化方案进行分析,得到其分区体型系数和体型系数的标准差,对比结构初始形态表面风压,最终得到具有良好抗风性能的最优方案,化解了结构的不利风压分布。结果表明,C FD数值分析技术能够有效地解决风敏感结构在风荷载作用下的形状优化问题,为结构体型优化和研发新型野营房屋提供了一个设计方法和理论依据。     

多参数影响下开洞口煤仓表面风压系数拟合研究

在实际结构中球形储煤仓的网壳结构都与输煤栈桥相连,栈桥洞口的存在会使网壳表面风荷载变化更为复杂,我国现行规范中对网壳上开洞口的特殊建筑风压没有明确的设计规定。基于此,运用FLUENT软件和计算流体力学(CFD),采用SST?-?湍流模型,对开洞煤仓球面网壳的风荷载分布规律进行了数值风洞计算。分析了当矢跨比、来流风速、网壳高度、风向角、球面半径、栈桥洞口尺寸改变的情况下网壳表面的风压系数分布规律。分析结果表明,矢跨比、风向角、球面半径对网壳表面风压分布有较大影响。栈桥洞口尺寸对网壳表面局部的风压系数有较大影响,针对此种特殊结构推导出了计算风压系数的拟合公式,并将公式应用到已有的风洞实验结果,发现风压分布变化规律大致相同,拟合情况较好。     

平屋盖风压分布的数值模拟

基于Reynolds时均N-S方程和RSM模型对平屋面的风压分布进行了数值模拟,在此基础上系统研究了风向角、跨高比、地面粗糙度、风速等因素对屋面风压分布的影响,探讨了结构周围流场的绕流特性,最后根据屋面的结构形式及风压分布特点将屋面进行分区,给出了屋面在不同风向角下的分区风载体型系数以供工程设计参考。     

拉格朗日随机模型模拟屋面积雪分布

基于拉格朗日随机模型并结合已有文献中最新改进的k-ω湍流模型,对风致屋面雪粒迁移运动进行了数值模拟,其中根据雪深变化对屋面积雪边界采用了自适应变形调整。首先对程序进行了验证,然后对一典型阶梯形屋面的积雪分布进行了数值模拟。通过求解RANS方程及对湍流脉动速度PDF采样,模拟计算了约3×104个粒子的跃移及悬移运动迹线,统计获得了不同粒子大小、风速以及阈值风速下的屋面积雪效率及雪深分布。结果表明:在分离泡及拐角等部位的积雪效率最高,是积雪较多的地方;直径0.2mm的粒子屋面积雪效率最高;当屋面流动剪切速度大于雪粒阈值剪切速度时,不同风速及阈值风速对屋面的积雪效率影响相对较小;模拟结束时计算的屋面积雪系数分布与观测结果吻合较好。     

单列建筑群静力干扰效应的数值模拟

采用CFD数值模拟技术,对处于C类地貌风场中由3栋建筑形成的单列建筑群进行静力风荷载和风场的数值模拟.数值模拟采用良好适应性的非结构化四面体单元进行网格划分,侧重模拟分析了各风向角下建筑间距的改变引起面平均风压系数的改变,由此得到了此类群体建筑表面风压系数干扰因子在各风向角下随建筑间距变化的分布规律和特征.     

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采用CFD数值模拟技术,对处于C类地貌风场中由3栋建筑形成的单列 建筑群进行静力风荷载和风场的数值模拟. 数值模拟采用良好适应性的非结构化四面体单元 进行网格划分,侧重模拟分析了各风向角下建筑间距的改变引起面平均风压系数的改变,由 此得到了此类群体建筑表面风压系数干扰因子在各风向角下随建筑间距变化的分布规律和特 征.     

基于数值模拟方法的自然通风器风载体型系数研究

基于Fluent软件平台,采用混合网格划分,选用Realizable k-ε湍流模型,对某自然通风器的风场进行三维数值模拟研究.选择0°、45°、90°、135°和180°等风向,每个风向考虑39m/s风速,此外对0°、180°两风向还考虑了57m/s风速.通过模拟,得到了主通风器导流片的风载体型系数.经计算,0°,180°两个风向的风场对导流片抗风影响较大,基于此对这两个风向的计算结果进行了详细分析.在数值模拟过程中引人多孔介质阶跃模型模拟次通风器导流片,在降低模型复杂程度和减少计算量的同时,保证了数值模拟结果的可靠性.分析表明,基于数值模拟方法得到的风载体型系数在不同风向和风速的情况下呈现一定的变化规律性,为确定自然通风器类结构的风载体型系数提供了合理依据.     

输电塔-线体系脉动风振耦合分析

为了研究脉动风引起的结构风致响应,以一塔二线输电塔-线体系为对象,模拟了不同风向角下风荷载导致的结构时程响应．以Davenport风速谱为验算目标来模拟脉动风场,在平均风速的基础上施加脉动风动力时程荷载,分析风向角分别为0°、90°和45°时输电塔-线体系的风振时程响应．依据三种工况下结构中的位移及内力分布情况,分析了主要构件的强度及稳定性,并与基于规范得到的结果进行比较．结果表明,当输电塔层数小于6时,按规范方法计算的强度应力均比按单向流固耦合(Fluid-Solid Interaction, FSI)方法计算的强度应力大;当层数大于6时,按规范方法计算的强度应力与按FSI方法计算的强度应力相当;在45°和90°风向角工况下,按规范方法计算的部分层数的强度应力略小于按FSI方法计算的强度应力．考虑到脉动风的随机性大,建议适当增加风振荷载系数,以确保输电塔-线结构体系的强度安全性．     

多层建筑屋顶风场的数值模拟

基于计算流体动力学软件Fluent17.2,以浙江温州大学某栋带女儿墙的多层试验教学楼为研究对象,采用RNG k-ε湍流模型对其进行数值模拟。通过对不同风向角下的数值模拟结果进行对比分析,探究屋顶风场与未受扰来流风场的区别,屋顶不同高度风场的差异,以及不同风向角来流情况下近屋面风场的分布特点、变化规律。结果表明:在离屋面高8m以下,屋顶风速变化剧烈混乱,屋面前沿、中部、后方区域的风速会随高度增加发生变化,并与未受扰来流风场相比存在较大差别;在女儿墙高度1.2m以下,屋面四周区域风速小于中部区域;在离屋面高1.2m~8m时,同一高度屋面前沿区域风速却要大于中部区域及后方区域;在不同的风向角来流下,当来流与建筑迎风面垂直时,屋顶风场沿中线对称分布。本文所得结论可为屋顶各类设备的抗风设计提供一定的参考依据。     

低层房屋风压分布特性的模拟与分析

基于Reynolds时均N—S方程和标准κ-ε双方程封闭模型，对一类带挑檐的低层双坡屋面房屋在不同风向角下的表面风压进行了敷值模拟，模拟结果与风洞试验结果作了比较。在此基础上，根据模拟结果对房屋各表面及挑檐处的风压分布特性和规律进行了分析和计算，获得了不同风向角下各表面的风载体型系数，为该类房屋的工程抗风设计提供了依据。     

下击暴流作用下双坡屋面建筑风荷载分布特性研究

采用RNG k-ε湍流模型模拟下击暴流场,在与已有建筑下击暴流场试验数据进行对比验证的基础上,模拟分析了下击暴流对双坡屋面建筑的风压作用;侧重考虑了建筑处于下击暴流径向最大风速位置(r/D_0=1.0)处,风向与坡角变化及有无挑檐对风压分布的影响。分析结果表明:风向与坡角的变化对表面风压有显著影响,坡角变化时,屋面风荷载体型系数最大增幅达到152.2%;随风向角增大,迎风面总体风荷载体型系数呈显著减小趋势,而背风面的负压绝对值则有较大提高,其系数变化幅度达到120.7%;因风向变化,侧风面风荷载体型系数出现261.4%的增幅;有无挑檐对建筑表面风压也产生影响,但主要表现在迎风面近挑檐区域的风压发生较大改变。     

考虑流固耦合作用的充气膜结构风压分布研究

充气膜结构是典型的风敏感型柔性结构,风荷载经常起关键的控制作用。本文利用ANSYS14.5程序中的workbench平台,考虑流固耦合作用,研究矩形平面气承式充气膜结构的风压系数分布。其中,选用基于雷诺时均模拟法的RNGk-ε湍流模型进行风场模拟,采用弱耦合分析方法模拟流固耦合风荷载效应。分析的参数选择风向角、结构内压、矢跨比和平面长宽比。针对矢跨比分别为1/4,1/3和1/2,长宽比分别为5/3,2/1和3/1的柔性充气膜结构模型,计算不同内压及不同风向角作用下的结构响应。结果表明,考虑流固耦合作用时,充气膜结构的风压体型系数比不考虑流固耦合作用的刚性模型明显偏大,其影响因子在1.25~1.5之间;充气膜结构的风压系数分布受风向角、内压、长宽比及矢跨比的影响较大。     

低层四坡屋面房屋风载体型系数的分析与实用计算

利用数值模拟和风洞模型试验,获得了低层四坡屋面房屋在不同风向角下的屋面风载体型系数的实用计算公式。首先对缩尺比为1∶20的四坡屋面房屋模型(足尺为平面7.5 m×15 m,檐口高度9.6 m,挑檐长度1.5m)进行了风洞试验,再通过改变体型参数对5种屋面坡角、5种房屋高宽比和长宽比情况的屋面风压进行了数值模拟。通过对数值模拟和试验结果的分析发现,屋面坡角及房屋高宽比是影响屋面风荷载的主要因素。据此提出了屋面各分区风载体型系数的实用计算公式,并给出了计算实例,将计算结果与试验结果作了比较。结果表明,该实用公式简便准确,可直接供四坡屋面房屋抗风设计参考和应用。     

高层建筑标准模型风洞测压和测力试验研究

CAARC高层建筑标准模型是国际上通用的风工程标准模型之一,用来检验各个模拟自然风的风洞试验结果,以确保风洞试验测量数据的可信度。本研究使用缩尺比为1：300的CAARC模型,在同济大学TJ-2建筑风洞中进行了B类和D类地面粗糙度风场下的刚性测压试验和高频动态天平试验。在刚性测压试验中测量了建筑模型表面在不同风速和风向角下的平均风压系数,并与国外风洞机构的试验数据进行了对比分析。在高频动态天平试验中,不同风向角下的结构气动力系数和顶点位移被给出,并同样与国外风洞机构进行了对比。风洞试验结果表明：TJ-2风洞能较好地模拟大气边界层风场,且风场品质较好;试验技术可靠,所测得的试验数据具有较高的精度。