许发：大跨度结构风荷载的风洞试验和CFD数值模拟研究

Industrial Construction Vol 139,Supplement ,2009

工业建筑　2009年第39卷增刊

大跨度结构风荷载的风洞试验和CFD

数值模拟研究

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许　伟　黄啟明　李庆祥　杨仕超

(广东省建筑科学研究院,广州　510500)

摘　要:针对某大跨度结构,进行动态测压风洞试验和风荷载数值模拟研究。通过风洞试验,给出了该大跨度体育馆屋面及四周立面表面的风压系数,并分析了风压分布的特征,为该工程的主体和围护结构抗风设计提供详细的风荷载数据。通过数值模拟研究,探讨复杂体型建筑表面平均风压CFD 数值模拟的可行性,提出了应用于复杂工程CFD 数值模拟时的网格划分方法,有效地减少了多个风向角时的建模工作量。计算结果表明,体育馆表面的风压与风洞试验结果基本一致;在局部区域存在较大误差。最后比较了网格密度、湍流模型对数值计算精度的影响。CFD 数值模拟简洁、高效,能获得丰富的数据成果,可以用于复杂工程的平均风荷载研究。

关键词:风洞试验;数值模拟;平均风压系数;复杂工程

WIN D TUNNE L TEST AN D CFD NUMERICAL SIMU LATION OF WIN D 2IN D UCE D

LOADS ON BIG SPAN STRUCTURES

Xu Wei Huang Qiming Li Qingxiang Yang Shichao

(Guangdong Provincial Academy of Building Research ,Guangzhou 510500,China )

Abstract :Wind tunnel test and CFD numerical simulation of wind 2induced loads have been performed on a big 2span structure 1Mean pressure coefficient on the roof and the side faces were gained in the test ,which provided detail data on wind 2resistant design of the main and the surrounding structures 1Also ,the features of the wind pressure distribution on the surfaces were anlysized 1Meanwhile ,the wind load distribution on the surfaces of this project has been numerically simulated 1A mesh generation method for complex projects has been put forward ,which could reduced the workload effectively for simulation model creation with many different wind directions 1Compared with the wind tunnel test ,the computational results have good agreement with experimental data ,while a little bigger error exists in some zone locally 1Finally ,the effects of grid density and turbulence model on numerical accuracy were analyzed 1It indicates that the numerical simulation technique can predict the mean wind pressure distribution on complex projects for practical purpose 1

K eyw ords :wind tunnel test ;numerical simulation ;mean pressure coefficient ;complex constructions

32006BAJ13B03。

第一作者:许伟,男,1984年10月出生,助理工程师。

E -mail :xwwind07@

收稿日期:2009-05-18

0　引　言

对于体型复杂的大跨度结构,现行结构荷载规

范尚无可供参考的体型系数。风洞试验可综合考虑建筑所处的周围环境、大气边界层、气流三维流动的影响,从而获得建筑表面的风压分布[1];CFD 数值模拟可方便地将建筑周围的流场可视化,有助于进一步认识建筑表面风压分布的规律,成为风洞试验很好的辅助手段[2,3]。本文针对某具体工程,分别采用风洞试验和数值模拟方法研究建筑表面的风压分布,在此基础上探讨CFD 数值模拟在复杂工程中

应用的可靠性。

某大跨度体育馆平面直径为138m ,高3615m ,屋盖结构由16个形状相同的结构单元构成,为中心对称结构,围护结构采用透光性强的轻质材料覆面,整体形如一颗棱角分明,晶莹剔透的水晶石。本文首先介绍了该体育馆的刚性模型动态测压风洞试验,分析了其表面的风压分布特征;同时,基于

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Fluent613软件平台对体育馆表面的平均风压进行

了数值模拟,提出了应用于复杂工程CFD 数值模拟时的网格划分方法,有效地减少了多个风向角时的建模工作量,并将数值计算结果与风洞试验数据进行对比,验证了CFD 数值模拟实际大跨度建筑表面的平均风荷载的可行性。1　风洞试验

111　试验设备、模型及数据处理

试验主要目的在于确定体育馆屋面和四周立面的风压分布和风荷载,满足主体及围护结构设计的需要。试验在广东省建筑科学研究院GD -1风洞试验进行;根据建筑场地的具体地形地貌,确定试验采用的大气边界层相当于规范规定的B 类

。

1-热身馆

图1　风向角示意

利用工程塑料精心制作体育馆1∶150缩尺模型,在其屋面、立面表面每个三角形单元的角点和中心布置测压孔,并在局部单元加密,总数为777个。试验以体育馆整体平面为中心,每隔15°一个风向,

共24个风向下进行,如图1所示。试验参考点取为体育馆屋面顶部高度,对应实际建筑高度为3615m 。风压符号的约定为:建筑表面受压为正,受吸为负。

112　试验结果分析

1)屋面表面平均风压分布特征。

各个风向下,体育馆屋面表面主要受风吸力,风

压系数在-0116～-1145之间。其中,处于迎风前沿的屋面区域,其风压系数较大且变化剧烈,在-0150～-1145之间;随着气流下行,在外环多面体

单元区域内,风压系数逐渐减小,且变化趋势减缓,主要在-0116～-015之间。而当气流到达中环多面体单元后,负压系数绝对值略有增加,主要在-0120～-015之间;屋面中部较为平坦的圆形区域风压系数较小,且比较均匀,在-0121～-0153之间。图2为0°风向角时,屋面两正交剖面线上测点

的风压系数分布情况。屋面表面最大负风压系数为

-1145,出现在30°风向角下的A31测点(西南侧屋面拐角处),对应的风压峰值为-3177kPa

。

1-剖线1;2-剖线2

图2　0°风向时剖线上各测点风压系数分布

2)四周立面表面的风压分布特征。

总的说来,四周立面的风压分布特征为迎风面

为正压,侧面及背风面为负压。迎风面分布为中间大两边小,侧风面负压由大逐渐变小至均匀分布,背风面负压分布较为均匀。靠近来流的拐角部位气流分离较强烈,负压稍大。图3给出了0°风向角时,体育馆四周立面上16166m 和24105m 高度上各三角形单元中心的风压系数。从图中可以看出,总体上风压分布具有较好的对称性。在迎风面和两侧风面上,由于多面体突出锥棱的影响,其两侧的风压有较大的变化,比如K52测点与L2测点虽然相邻,处

于0°风向时的侧风面,两点的风压系数出现符号相

反的情况,其余相关测点也类似。随着来流气流的减弱,在背风面上风压较为均匀,不存在此种情况。另一方面,可以看出在迎风面和背风面上不同高度上相应测点风压较为接近,但在侧风面上二者差别明显。

立面最大正风压系数出现在180°风向角下的J 5测点,处于正对来流的多面体单元锥顶部位;最大负风压系数出现在15°风向角下的K6测点,处于与来流侧风面的多面体单元锥底处。值得注意的是由于邻近的两座热身馆(其处于0°风向角时体育馆正上游)的影响,0°风向角时立面迎风面正压较小,最大正风压系数仅为0159。

3)典型测点风压系数随风向的变化。

测点的风压系数包含平均风压系数与其均方根值,平均风压系数反映了该点平均风荷载的统计特性,均方根值反映的则是该点风压脉动的情况。围护结构表面风压的脉动情况,决定了用于围护结构设计的阵风系数。这里选取A31(屋面)、J 5(立面)两个测点,分析测点风压系数随风向角的变化情况,如图5所示。

从图中可以看出,各个风向下,对于屋面边缘区

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