伞形膜结构风荷载分布特性的数值模拟研究
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
＝
中具有 广阔的前景 。 为１ ． ７ ４×１ ０ — ５ ｋ ｇ ／ ｍ・ ｓ 。场地类 型为 ｃ类 ，地面粗糙度指数 基于 上述考虑 ，本 文运用 Ｃ Ｆ Ｄ数值模 拟技术对处 于大气 ０ ． ２ ２ 。 边界层底层 的伞形膜结构风荷载分布特Ｉ ｌ 生 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 Ｃ Ｆ Ｘ软件平台 ， 基于雷诺平 均模拟 （ Ｂ ＡＮ Ｓ） 方法进行。 １ 伞形膜结构绕渣特性的数值模拟 １ ． １计算模型 （ １ ）结构建模
１ １
０
０
Ｓ
Ｏ
０
Ｏ
５
５
Ｏ
如下 ： （ ｂ） 下 表 面 图 ７矢跨比 ｆ ／ Ｌ ＝１ ／ ８伞形膜表面风压系数分布 图
（ 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
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 １ ０ ｍ，即 Ｌ ＝ １ ０ ｍ，中 心为一个 半径 ０ ． ５ ｍ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 ＝ ｌ ｍｍ，初始 预张力 Ｔ ｎ ＝ ２ ． ５ ｋ Ｎ ／ ｍ， 张 拉 刚度 Ｅ ｔ ＝ ２ ５ ５ ｋ Ｎ ／ ｍ。索 的 弹性 模 量为 １ ６ ０ Ｇ ｐ ａ ，泊 松 比为 ０ － ３ 。本文选取 如下参数进行计算 ：
（ ａ ） 整体流域
中国建 筑金属 结构 第叁 期 （ 下） 贰零 壹叁年 叁月
３ 结论
ｉ
曙蓝ｇ嚣 本文采用 Ｃ Ｆ Ｄ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
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 ｌ ３万 ，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 ． ２ ９ ｋ ｇ ／ ｍ ，粘度 均 取
面 的局 部 处 理 。
（ ２尉 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 。 （ ａ ）上 表 面
（ 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 。
（ ２）流域 建 模
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。近年来 ， 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 】 在计算机上综合运用 Ｃ Ｆ Ｄ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，Ｃ Ｆ Ｄ数值模拟技术优点在于 ：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 Ｃ Ｆ Ｄ数值模 拟技术在索 膜结构抗风 设计
参 考 文献
≤ 鬟
［ １ ］ 殷志祥 ，张健 ． 张拉索膜结构事故分析及风振 问题 踟． 工业建 筑增
，
根据结 构尺 寸，计 算流域 取为 １ ２ ０ ｍ×８ ０ ｍ× ４ ０ ｍ ， 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
中国建 筑金属 结构 第叁 期 （ 下） 贰零 壹叁 年叁月
伞形膜结构风荷载分布特性的数值模拟研 究
杨 洪 智
（中国建筑西南设计研究院有限公 司，四川 成都 ６ １ ０ ０ ４ ２） 摘 要 ：本文运用 Ｃ Ｆ Ｄ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 Ｃ Ｆ Ｘ 软 件平 台， 基于雷诺 平均模拟 （ Ｒ ＡＮＳ ） 方法进行。文中利 用 Ｃ Ｆ Ｄ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 面风荷栽 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 ห้องสมุดไป่ตู้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；风荷栽分布 ；计算风工程 中图分类号 ：Ｔ Ｕ３ １ ２ 文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１ ６ ７ １ — ３ ３ ６ ２（ ２ ０ １ ３）０ ３ — ０ ０ ８ ４ — ０ ３
０ 引 言
１ ）风向角 （ ）： ０ 。 ，９ ０ 。； ２）矢跨 比 （ 礼 ）：１ ／ １ ２ ，１ ／ １ ０ ，１ ／ ８ ；
图２ ０ 。风向角伞形膜结构流场透视 图
Ｔ ９ ｏ
图 １伞形膜结构计 算示意图 膜 结 构有 限元 模 型 中，膜 面采 用 ｓ ｈ ｅ ｌ ｌ ４ １ 单元 ，索 采 用 ｌ ｉ ｎ ｋ １ ０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 。
中具有 广阔的前景 。 为１ ． ７ ４×１ ０ — ５ ｋ ｇ ／ ｍ・ ｓ 。场地类 型为 ｃ类 ，地面粗糙度指数 基于 上述考虑 ，本 文运用 Ｃ Ｆ Ｄ数值模 拟技术对处 于大气 ０ ． ２ ２ 。 边界层底层 的伞形膜结构风荷载分布特Ｉ ｌ 生 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 Ｃ Ｆ Ｘ软件平台 ， 基于雷诺平 均模拟 （ Ｂ ＡＮ Ｓ） 方法进行。 １ 伞形膜结构绕渣特性的数值模拟 １ ． １计算模型 （ １ ）结构建模
１ １
０
０
Ｓ
Ｏ
０
Ｏ
５
５
Ｏ
如下 ： （ ｂ） 下 表 面 图 ７矢跨比 ｆ ／ Ｌ ＝１ ／ ８伞形膜表面风压系数分布 图
（ 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
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 １ ０ ｍ，即 Ｌ ＝ １ ０ ｍ，中 心为一个 半径 ０ ． ５ ｍ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 ＝ ｌ ｍｍ，初始 预张力 Ｔ ｎ ＝ ２ ． ５ ｋ Ｎ ／ ｍ， 张 拉 刚度 Ｅ ｔ ＝ ２ ５ ５ ｋ Ｎ ／ ｍ。索 的 弹性 模 量为 １ ６ ０ Ｇ ｐ ａ ，泊 松 比为 ０ － ３ 。本文选取 如下参数进行计算 ：
（ ａ ） 整体流域
中国建 筑金属 结构 第叁 期 （ 下） 贰零 壹叁年 叁月
３ 结论
ｉ
曙蓝ｇ嚣 本文采用 Ｃ Ｆ Ｄ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
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 ｌ ３万 ，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 ． ２ ９ ｋ ｇ ／ ｍ ，粘度 均 取
面 的局 部 处 理 。
（ ２尉 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 。 （ ａ ）上 表 面
（ 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 。
（ ２）流域 建 模
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。近年来 ， 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 】 在计算机上综合运用 Ｃ Ｆ Ｄ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，Ｃ Ｆ Ｄ数值模拟技术优点在于 ：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 Ｃ Ｆ Ｄ数值模 拟技术在索 膜结构抗风 设计
参 考 文献
≤ 鬟
［ １ ］ 殷志祥 ，张健 ． 张拉索膜结构事故分析及风振 问题 踟． 工业建 筑增
，
根据结 构尺 寸，计 算流域 取为 １ ２ ０ ｍ×８ ０ ｍ× ４ ０ ｍ ， 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
中国建 筑金属 结构 第叁 期 （ 下） 贰零 壹叁 年叁月
伞形膜结构风荷载分布特性的数值模拟研 究
杨 洪 智
（中国建筑西南设计研究院有限公 司，四川 成都 ６ １ ０ ０ ４ ２） 摘 要 ：本文运用 Ｃ Ｆ Ｄ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 Ｃ Ｆ Ｘ 软 件平 台， 基于雷诺 平均模拟 （ Ｒ ＡＮＳ ） 方法进行。文中利 用 Ｃ Ｆ Ｄ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 面风荷栽 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 ห้องสมุดไป่ตู้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；风荷栽分布 ；计算风工程 中图分类号 ：Ｔ Ｕ３ １ ２ 文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１ ６ ７ １ — ３ ３ ６ ２（ ２ ０ １ ３）０ ３ — ０ ０ ８ ４ — ０ ３
０ 引 言
１ ）风向角 （ ）： ０ 。 ，９ ０ 。； ２）矢跨 比 （ 礼 ）：１ ／ １ ２ ，１ ／ １ ０ ，１ ／ ８ ；
图２ ０ 。风向角伞形膜结构流场透视 图
Ｔ ９ ｏ
图 １伞形膜结构计 算示意图 膜 结 构有 限元 模 型 中，膜 面采 用 ｓ ｈ ｅ ｌ ｌ ４ １ 单元 ，索 采 用 ｌ ｉ ｎ ｋ １ ０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 。