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。     

局部开洞的落地四坡房屋表面风压分布研究

为研究局部开洞的落地四坡房屋表面风压分布,基于流体动力学和大气边界层基本理论,运用FLUENT软件并借助开洞TTU标准模型的现场实测试验数据,分析与探讨了数值风洞尺寸、离散格式、求解算法、网格划分技术等关键参数及技术,建立了开洞落地四坡房屋的数值风洞。在此基础上,以洞口大小、洞口位置及单面、多面开洞为分析变量,进行了59种开洞房屋工况表面风压分布数值模拟,得到了各变量对房屋表面风压分布,提出了整体结构抗风设计的风荷载体型系数。分析结果表明:开洞对落地四坡房屋风压分布影响显著,风压数值变化大,甚至出现正负压交变;迎风面单面开洞时最为不利,屋盖的风压系数峰值高达-1.24,设计及使用时应引起足够的重视。     

大跨度脊谷式膜屋盖风载分布的实验研究

基于台州某风雨操场脊谷式张拉膜屋盖缩尺模型风洞试验的数据结果,选取典型测点,研究了屋面迎风前缘、过渡区及中轴区的平均风压和脉动风压系数的分布特性。同时,鉴于屋盖的不规则曲面造型,表面风压梯度变化较大,采用单一体型系数反映屋面风载已不能满足要求。文中在结合屋盖自身复杂体型和风压分布特征基础上,按各榀各边片将屋面划分为不同区域,对5个不利风向角下的区域体型系数进行统计分析,并给出各区域体型系数建议取值。最后,针对这类体型屋盖特点和风压分布特性,得出一些结论和建议,为进一步研究该类屋盖的风荷载特性和结构抗风设计提供了依据。     

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。     

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。     

开槽对大跨悬挑平屋盖结构风荷载的影响

本文结合一大跨悬挑平屋盖模型的风洞试验研究，分析了此类结构屋盖的平均局部体型系数和极值局部体型系数的分布特性；并根据其风压的分布特性，提出在悬挑屋盖承受较大负压的屋檐和角点附近这些遇强风易发生破坏的部位采取开槽气动抗风措施，进一步研究了该气动抗风措施对大跨悬挑平屋盖结构风荷载的影响，试验结果显示，它们可以有效地削减屋盖风敏感处的风荷载值，使平均局部体型系数大约降低50％，极值局部体型系数大约降低25％，所得的这些结果对于结构的抗风设计有一定的指导意义。     

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。     

高耸异型烟囱结构风压和风振系数试验研究

本文在模拟的大气边界层中,对某一发电厂高耸异型烟囱的刚性模型进行了测压试验研究,得到了这一结构的平均风压系数、最大和最小风压系数分布,以及该结构的风荷载体型系数;结果表明在烟囱外形明显变化的局部区域,风压绝对值较大,与理论分析一致。同时,对动态测力试验模型进行了高频动态天平测力试验研究,详细介绍了试验及数据处理方法,根据试验结果计算得到了该烟囱在风作用下的动力响应和风振系数;根据试验结果计算所得的风振系数值大于按规范公式估算值。这些结果不仅为结构的风荷载计算提供了依据,也有助于进一步认识该类异性烟囱结构的风荷载和风振特性。     

一类复杂建筑外围装饰结构的风荷载参数研究

在建筑外围布置复杂装饰结构能够进一步提高建筑的视觉效果,但复杂装饰结构对风荷载的敏感性往往要超过主体建筑,因此对建筑结构的抗风设计安全性提出了更高的要求.建筑外围装饰结构由于其体量小数量大而导致直接进行物理风洞试验变得几乎不可能,因此本文研究利用数值风洞技术来解决外围装饰结构的风荷载问题.结合高性能的硬件计算平台,通过设置合理的网格剖分形式,解决了流苏结构多个移动位置下的三维空间高质量网格的生成难题.数值模拟了各层流苏在不同风向角下的风荷载体型系数分布规律,并统计分析了所有风向角下流苏结构体型系数极值分布,给出了设计所需的各层流苏极值风参数取值范围.数值模拟结果显示出了流苏结构风荷载的极值区域位于建筑外形的拐角区域,当结构面临可能的大风天气时,流苏结构的停止位置宜避免将长条的流苏杆件置于上述区域,以提高流苏结构的抗风安全性.     

上海世博会气象馆平均风压数值模拟研究

采用数值模拟方法对上海世博会气象馆进行了平均风压数值模拟,比较了4种较适合于结构风工程的RNG k-ε,SST-k-ω,SSG-RSM和BSL-RSM湍流物理模型,包括体型系数、表面合力、合力矩及湍动能结果,同时结合风流动特性分析了其规律性和差别的原因,并得到SST-k-ω,BSL-RSM与SSG-RSM模型各有优势,而RNG k-ε模型稍差的结论.最后研究了有无干扰情况下的场馆表面平均风压系数,分析了风干扰的原因.     

公寓铝幕墙风荷载体型系数精细化分析

本文以北京冬奥运村公寓建设项目为工程背景,采用计算流体力学,基于大涡模拟对铝幕墙空腔装饰构件的风荷载体型系数进行研究．研究发现,在不同工况下,装饰构件法向风荷载体型系数整体大于切向风荷载体型系数,拐角区域的装饰构件会比平直区域的装饰构件受到更大的风压作用;建筑的风荷载体型系数的变化幅度会随着所在高度的增加而愈发明显．研究结论对该工程的幕墙设计及其连接件设计提供了精细化的荷载数据．     

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。     

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。     

动网格模拟风振对超大瘦高型冷却塔风荷载的影响

利用Fluent软件对超大瘦高型冷却塔的风荷载进行了CFD数值模拟,获得冷却塔外表面的三维流场特性和风压系数分布曲线,并与规范数据进行比较,以验证数值模拟的准确性;利用CFD动网格研究风振条件下冷却塔内外壁的风压分布。结果表明:考虑风振特性后,冷却塔外壁风压呈现增大的趋势,最大负压位置即流动分离点在考虑风振时产生了滞后;对于本文研究的上下开口结构而言,在考虑风振作用后内部风压系数的绝对值整体偏大,且内部高压区的位置发生了变化;不考虑风振时内部风压高压区发生在接近塔底的区域,而考虑风振特性后,内部风压高压区发生在接近塔顶的区域。这说明风振在一定程度上改变了冷却塔内部风压的分布。     

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。     

大跨度双曲屋盖结构表面风驱雨压力分布研究

强风来临时常常伴有强降雨,雨滴在风荷载的作用下会对结构产生较大的撞击力,并产生了风驱雨作用,加剧了结构所受荷载。但荷载规范中对大跨度屋盖结构的抗风雨设计值尚未给出明确规定。本文采用数值模拟的欧拉-欧拉方法,研究了正方形、矩形、圆形、椭圆形等四种常见大跨度双曲屋盖表面在风驱雨作用下的平均压力分布,并与已有风荷载作用的风洞实验结果进行了对比。研究发现:风雨作用下最不利双曲屋盖投影形状为正方形,其次为矩形;在风雨联合作用下双曲屋盖表面平均压力受到雨压力、风吸力、风压力共同作用,且都是屋盖前端处平均压力系数较大,变化梯度较大。研究得到了不同双曲屋盖风驱雨作用下的平均压力系数及其变化规律,为类似结构的抗风雨设计提供了参考。     

群体建筑风环境的数值模拟及分析

群体建筑的布局优化及结构抗风设计都需要准确预测建筑群的风环境．针对风环境研究的必要性, 将气体流场数值模拟(CFD)方法引入建筑群风场效应的预测和研究中,侧重模拟分析了建筑群的布局改变而引起的风速及风压场的变化,获得了特定情形下较合理的气动布局;同时表明数值模拟方法可以作为风洞试验的前期预测手段,并为群体建筑的布局优化及结构抗风设计提供科学依据．     

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。     

实际瓦屋面双坡低矮建筑的风荷载特性的数值模拟研究

基于Fluent软件平台,采用雷诺应力模型(RSM),对一类实际瓦屋面双坡低矮建筑的风荷载特性进行了研究.首先通过对TTU标准模型的计算,验证了本文数值模拟方法的可行性并确定了合适的网格及计算参数.然后以实际瓦屋面双坡低矮建筑作为典型计算模型,对三种不同屋盖的体型系数进行了数值模拟,将实际瓦屋面模型与风洞试验模型进行了对比分析,并分析了不同风向下瓦片屋盖对于屋面风压的影响.结果表明,实际瓦屋面模型的风压值整体上比风洞试验简化模型的风压值要小,两模型的风压差值从0°风向到90°风向呈递减趋势,且迎风面各分块的风压差普遍大于背风面各分块的风压差.结果还表明,在各风向角下,瓦片屋盖对屋面风压的影响程度不一,且折线瓦对风压的影响相比波形瓦要大.