合肥火车南站大跨度空间结构风荷载数值模拟
合集下载
- 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)。
合肥 火车南站大 跨度 空间结构风荷载数值模拟
刘 思 为
摘要 ： 近年来， 大跨度、 复杂体型建筑物大量涌现。在结构
设 计 中 ， 荷 载往 往 成 为 这 类 结 构 的 主 要控 制 荷 载 。 由于 大跨 风 度 空 间结 构体 型 复 杂 ，我 国荷 载 规 范 所 能 提 供 的 风 载 体 型 系
ｃ ｍ ｐｌｘ ｓ ｐｅ ｂ ｌ ｎ —— ｅｅ ａｌ ｙ Ｓｔｔ ａ ｉ ｕｌｔｄ ｂｙ ｏ ｅ ｈａ ｕｉ ｄｉｇ——Ｈ ｆ ｉＲ ｉｗａ ａｉ ｗ ｓｓｍ ａｅ ｏｎ
ｕｓ Ｆ ｃ ｃ ｌｔｏｎ ｓ ｆｗ ａｅ Ｆ ｉ Ｃ Ｄ ａ ｕ ａｉ ｏ ｔ ｒ ＬＵ ＥＮ Ｔ．Ｔｈ ｓｒｂｕ ｏ ｏ ｏｗ ｎｇ ｌ ｅ ｄｉ ｉ ｔ ｎ ｆｆ ｔ ｉ ｌ ｉ ｌ ｓ ａ ￣ｙ ｅ ｎ ｄｅａｌ ｆｅｄ ｗ ａ ｎ ｚ ｄ ｉ ｔｉ ．Ｃ ｏ ｐａｅ ｔ ｍ ｅ ｎ ｉ ｅｓ ｒ ｓ ｍ ｒ ｄ ｈｅ ａ ｗ ｎｄ ｐｒ ｓｕ ｅ ｃ ｅ ｆ ｉｎｔ ｏ ｍ ｅ ｓ ｉｎｇ ｐｏ ｎ ｓ ｃ ｌｕ ａｅ ｉ ｔ ｅ ｎ ｏ ｆｃｅ ｆ ｌ ｉ ａｕｒ ｉ ｔ ａｃ ｌｔ ｄ ｎ ｈ ｕｍ ｅ ｃ ｉ ｌ ｒ ａ ｓｍ ｕ ａｉ ｉｈ ｔ ｅｒ ｓ ｌｓｆｏ ｈｅｗ ｉｄ ｕ ｉ ｌｔｏｎｗ ｔ ｈ ｅｕ ｔ ｍ ｔ ｎ ｔ ｎｎｅ ｅｔ ｉ ｓｆ ｕ ｈ ｔ ｒ ｌｔ ｓ， ｔ ｏ ｎｄ ｔ ａ ｉ
在 时域上平均 的的雷诺平均 Ｎ— Ｓ方程 （ ＡＮ 是 目前计 Ｒ Ｓ）
算 风工程 中运 用非 常广 泛的一种 方法 ，本文 主要运 用 Ｒ Ｎ Ａ Ｓ 方程 中的 Ｒ Ｇ ｋ ｅ模型对大跨度屋盖进行数值模拟。 Ｎ －
湍 动 能 ｋ方程 可 表 示 为 ：
ｓｒ ｔ ｅ ｈａ ｐｒ ｃ ｃ ｌ ｓｇ ｉ ｃ ｎ ｅ． Ｔｈｅ ｌｏ ｆｅｄ ａｏｕ ａ ｔｕｃｕｒ ｓ ｓ ａ ｔ ａ ｉ ｎ ｆ ａ ｃ ｉ ｉ ｆ ｗ ｉ ｌ ｒ ｎｄ
Ｄ Ｓ） 雷 诺 平 均 Ｎ— 方 程 Ｎ 、 Ｓ
Ｅ ｄ ｉ ｌ ｉｎ或 称 Ｌ Ｓ ｏ ｄ ｙＳｍｕ ｔ ａｏ Ｅ
（ ｅ ｎ ｌｓ ｖ ｒｇ ｄ Ｒ ｙ ｏｄ ａ ｅａ ｅ
Ｎ ｖ ｒ Ｓｏ ｅ ｑ ａｉ 或 称 Ｒ Ｎ ａ ｉ — ｔｋ ｓ Ｅ ｕ ｔ ｎ ｅ ｏ Ａ Ｓ） 和 大 涡 模 拟 （ ａｇ Ｌ ｒｅ
ｓ ａ ｅ ｆｃ ｏ ｓ ｒ ｎ ｐ ｉａ ｅ ｉ ｅ ｅ ｉｄ ｎ ｔ ｃｕｒ ｏ ｄ ｈ ｐ ａ ｔ ｒ ａｅ ｏｔａ ｐｌ ｂｌ ｎ ｐｒ ｓｎｔｂｕ ｌｉ ｇ ｓｒ ｔ ｅ ｌ ａ ｃ ｕ
ｃ ｄｅ ｏ ．Ｔｈｅｒ ｓ ａｃ ｏ ｗ ｉ ｏａ ｃ ｒｃｅ ｓｉｓｏｆｌ ｇ ｐ ｎ ｓ ａｉｌ ｅ ｅ ｒ ｈ ｔ ｎｄ ｌ ｄ ｈａ ａ ｔｒ ｔｃ ｉ ｏｎ —ｓ ａ ｐ ｔａ
数 十分有 限，开展 大跨度 空间结构风荷 载的研 究具有重 大的
现 实 意 义 。基 于 Ｆ ＵＥ Ｌ ＮＴ软 件 平 台 建 立 建 立 了复 杂 的合 肥 火 车 南 站 的 模 型 ， 其 周 围 风 环 境 进 行 了数 值 模 拟 ， 算 出 了模 对 计 型各 个 测 点 的 平 均 风 压 系数 ， 与风 洞 试 验 数 据 进 行 对 比 分 析 布 ，数 值 模 拟 结 果 和 风 洞试
目前 工 程 上 还 不 能 通 过 直 接 数 值 模 拟 研 究 复 杂 的 湍 流 流 动 ，
如何根据不 同的研 究对象选择 湍流模型是 一个难题 。风 工程 研究对象位于 大气 边界层 中 ， 而且研究 的重点是钝体 绕流 ， 因 此， 流动 一般 为湍流 ， 这也给计 算风工程增 加了困难 。这些关 键 问题 的复杂 性决定 了 Ｃ ＷＥ包含 了 ＣＦ Ｄ中最 困难 的内容 ， 还 有待进一步发展和完善。 湍流流动的数值 模拟 湍流运动的极端复杂性 ， 其基本机理至今仍未完全掌握 ， 而 且不能准确地定义并定量地给 出湍流的运动特性。但一般将湍 般认 为 ， 无论湍流运动多么复杂 。 非稳 态的 Ｎ Ｓ方程对 —
验 值 的 一 致 性 比较 高。
关键调 ： 大跨度空间结构 数值模拟 湍流模型 风洞试 流最主要的特征归结 为随机性、 扩散性 、 有涡性和耗散性圄 。
验 平 均 风 压 系数
Ｌｏ —ｓ ｎ ｎｄ ｃ ｍ ｐｌｘ—ｓ ｐｅ ｂ ｌ ｎｇ ｒ ｐ ａ ｎｇ ｉ ｈｅ ｎｇ —ｐａ ａ ｏ ｅ —ｈａ ｕｉ ｄｉ ｓ ａｅ ａ ｐｅ ｒ ｎ ｔ ｉ ｒ ｃ ｎ ａｓ ｅ ｅ ｔ ｙｅ ｒ．Ｌｏｎ ｇ—ｓ ｎ ｐ ｔａ ｓｒ ｔ ｒ ｓ ｉｈｔ ｎｄ ｌ ｘ ｂｅ，ａ ｅ ｐａ ｓ ａｉｌ ｔｕｃｕ ｅ ，ｌｇ ａ ｆ ｉ ｌ ｅ ｒ ｓ ｎ ｉｉ ｔ ｗ ｉ —ｉ ｕｃ ｄ ｅ ｓｔｖｅ ｏ ｎｄ ｎｄ ｅ ｄｙ ｍ ｉ ｅ ｉａ ｏ ｎａ ｃ ｘｃｔｔ ｎ， ｔ ｓ ｉ ｌ ａ ｉ ｈｕ ｗ ｎｄ ｏ ｄ ｒ ｑｕｅ ｌ ｃｓａ ｏ ｒ ｌｎ ｘｔｒ ａ ｏａ ｎ ｔ ｔｕｃｕｒｌｄ ｓｇ ｏ ｆｅ ｎｔｙａ ｔ ｓｃ ｎｔｏｌ ｇ ｅ ｅ ｌｌ ｄ ｉ ｈｅｓｒ ｔ ａ ｅ ｉｎ ｆ ｉ ｎ
ｌ ｇ—ｓ ｎ ｔｕｃｕｒ ｓ ｏｎ ｐａ ｓｒ ｔ ｅ ．Ｔｈｏ ｅ ｓｒ ｃｕｒ ｓａｅ Ｓ ｃ ｍ ｐ ｉａｅ ｈａ ｈｅ ｓ ｔ ｔ ｅ ｒ Ｏ ｏ ｕ ｌｃ ｔ ｄ ｔ ｔｔ
一
于 湍 流 的 瞬 时 运 动 仍 然 是 适 用 的 。Ｎ— Ｓ方 程 的解 法通 常 有 三
种 ， 即直 接 数 值 模 拟 （Ｄｉ ｃ ｕ ｒ ａ Ｓｍｕａｉ （ ｒ ｔＮ ｍｅｉ ｌ ｉ ｌ ｏ ｅ ｃ ｔ ｎ或 称
刘 思 为
摘要 ： 近年来， 大跨度、 复杂体型建筑物大量涌现。在结构
设 计 中 ， 荷 载往 往 成 为 这 类 结 构 的 主 要控 制 荷 载 。 由于 大跨 风 度 空 间结 构体 型 复 杂 ，我 国荷 载 规 范 所 能 提 供 的 风 载 体 型 系
ｃ ｍ ｐｌｘ ｓ ｐｅ ｂ ｌ ｎ —— ｅｅ ａｌ ｙ Ｓｔｔ ａ ｉ ｕｌｔｄ ｂｙ ｏ ｅ ｈａ ｕｉ ｄｉｇ——Ｈ ｆ ｉＲ ｉｗａ ａｉ ｗ ｓｓｍ ａｅ ｏｎ
ｕｓ Ｆ ｃ ｃ ｌｔｏｎ ｓ ｆｗ ａｅ Ｆ ｉ Ｃ Ｄ ａ ｕ ａｉ ｏ ｔ ｒ ＬＵ ＥＮ Ｔ．Ｔｈ ｓｒｂｕ ｏ ｏ ｏｗ ｎｇ ｌ ｅ ｄｉ ｉ ｔ ｎ ｆｆ ｔ ｉ ｌ ｉ ｌ ｓ ａ ￣ｙ ｅ ｎ ｄｅａｌ ｆｅｄ ｗ ａ ｎ ｚ ｄ ｉ ｔｉ ．Ｃ ｏ ｐａｅ ｔ ｍ ｅ ｎ ｉ ｅｓ ｒ ｓ ｍ ｒ ｄ ｈｅ ａ ｗ ｎｄ ｐｒ ｓｕ ｅ ｃ ｅ ｆ ｉｎｔ ｏ ｍ ｅ ｓ ｉｎｇ ｐｏ ｎ ｓ ｃ ｌｕ ａｅ ｉ ｔ ｅ ｎ ｏ ｆｃｅ ｆ ｌ ｉ ａｕｒ ｉ ｔ ａｃ ｌｔ ｄ ｎ ｈ ｕｍ ｅ ｃ ｉ ｌ ｒ ａ ｓｍ ｕ ａｉ ｉｈ ｔ ｅｒ ｓ ｌｓｆｏ ｈｅｗ ｉｄ ｕ ｉ ｌｔｏｎｗ ｔ ｈ ｅｕ ｔ ｍ ｔ ｎ ｔ ｎｎｅ ｅｔ ｉ ｓｆ ｕ ｈ ｔ ｒ ｌｔ ｓ， ｔ ｏ ｎｄ ｔ ａ ｉ
在 时域上平均 的的雷诺平均 Ｎ— Ｓ方程 （ ＡＮ 是 目前计 Ｒ Ｓ）
算 风工程 中运 用非 常广 泛的一种 方法 ，本文 主要运 用 Ｒ Ｎ Ａ Ｓ 方程 中的 Ｒ Ｇ ｋ ｅ模型对大跨度屋盖进行数值模拟。 Ｎ －
湍 动 能 ｋ方程 可 表 示 为 ：
ｓｒ ｔ ｅ ｈａ ｐｒ ｃ ｃ ｌ ｓｇ ｉ ｃ ｎ ｅ． Ｔｈｅ ｌｏ ｆｅｄ ａｏｕ ａ ｔｕｃｕｒ ｓ ｓ ａ ｔ ａ ｉ ｎ ｆ ａ ｃ ｉ ｉ ｆ ｗ ｉ ｌ ｒ ｎｄ
Ｄ Ｓ） 雷 诺 平 均 Ｎ— 方 程 Ｎ 、 Ｓ
Ｅ ｄ ｉ ｌ ｉｎ或 称 Ｌ Ｓ ｏ ｄ ｙＳｍｕ ｔ ａｏ Ｅ
（ ｅ ｎ ｌｓ ｖ ｒｇ ｄ Ｒ ｙ ｏｄ ａ ｅａ ｅ
Ｎ ｖ ｒ Ｓｏ ｅ ｑ ａｉ 或 称 Ｒ Ｎ ａ ｉ — ｔｋ ｓ Ｅ ｕ ｔ ｎ ｅ ｏ Ａ Ｓ） 和 大 涡 模 拟 （ ａｇ Ｌ ｒｅ
ｓ ａ ｅ ｆｃ ｏ ｓ ｒ ｎ ｐ ｉａ ｅ ｉ ｅ ｅ ｉｄ ｎ ｔ ｃｕｒ ｏ ｄ ｈ ｐ ａ ｔ ｒ ａｅ ｏｔａ ｐｌ ｂｌ ｎ ｐｒ ｓｎｔｂｕ ｌｉ ｇ ｓｒ ｔ ｅ ｌ ａ ｃ ｕ
ｃ ｄｅ ｏ ．Ｔｈｅｒ ｓ ａｃ ｏ ｗ ｉ ｏａ ｃ ｒｃｅ ｓｉｓｏｆｌ ｇ ｐ ｎ ｓ ａｉｌ ｅ ｅ ｒ ｈ ｔ ｎｄ ｌ ｄ ｈａ ａ ｔｒ ｔｃ ｉ ｏｎ —ｓ ａ ｐ ｔａ
数 十分有 限，开展 大跨度 空间结构风荷 载的研 究具有重 大的
现 实 意 义 。基 于 Ｆ ＵＥ Ｌ ＮＴ软 件 平 台 建 立 建 立 了复 杂 的合 肥 火 车 南 站 的 模 型 ， 其 周 围 风 环 境 进 行 了数 值 模 拟 ， 算 出 了模 对 计 型各 个 测 点 的 平 均 风 压 系数 ， 与风 洞 试 验 数 据 进 行 对 比 分 析 布 ，数 值 模 拟 结 果 和 风 洞试
目前 工 程 上 还 不 能 通 过 直 接 数 值 模 拟 研 究 复 杂 的 湍 流 流 动 ，
如何根据不 同的研 究对象选择 湍流模型是 一个难题 。风 工程 研究对象位于 大气 边界层 中 ， 而且研究 的重点是钝体 绕流 ， 因 此， 流动 一般 为湍流 ， 这也给计 算风工程增 加了困难 。这些关 键 问题 的复杂 性决定 了 Ｃ ＷＥ包含 了 ＣＦ Ｄ中最 困难 的内容 ， 还 有待进一步发展和完善。 湍流流动的数值 模拟 湍流运动的极端复杂性 ， 其基本机理至今仍未完全掌握 ， 而 且不能准确地定义并定量地给 出湍流的运动特性。但一般将湍 般认 为 ， 无论湍流运动多么复杂 。 非稳 态的 Ｎ Ｓ方程对 —
验 值 的 一 致 性 比较 高。
关键调 ： 大跨度空间结构 数值模拟 湍流模型 风洞试 流最主要的特征归结 为随机性、 扩散性 、 有涡性和耗散性圄 。
验 平 均 风 压 系数
Ｌｏ —ｓ ｎ ｎｄ ｃ ｍ ｐｌｘ—ｓ ｐｅ ｂ ｌ ｎｇ ｒ ｐ ａ ｎｇ ｉ ｈｅ ｎｇ —ｐａ ａ ｏ ｅ —ｈａ ｕｉ ｄｉ ｓ ａｅ ａ ｐｅ ｒ ｎ ｔ ｉ ｒ ｃ ｎ ａｓ ｅ ｅ ｔ ｙｅ ｒ．Ｌｏｎ ｇ—ｓ ｎ ｐ ｔａ ｓｒ ｔ ｒ ｓ ｉｈｔ ｎｄ ｌ ｘ ｂｅ，ａ ｅ ｐａ ｓ ａｉｌ ｔｕｃｕ ｅ ，ｌｇ ａ ｆ ｉ ｌ ｅ ｒ ｓ ｎ ｉｉ ｔ ｗ ｉ —ｉ ｕｃ ｄ ｅ ｓｔｖｅ ｏ ｎｄ ｎｄ ｅ ｄｙ ｍ ｉ ｅ ｉａ ｏ ｎａ ｃ ｘｃｔｔ ｎ， ｔ ｓ ｉ ｌ ａ ｉ ｈｕ ｗ ｎｄ ｏ ｄ ｒ ｑｕｅ ｌ ｃｓａ ｏ ｒ ｌｎ ｘｔｒ ａ ｏａ ｎ ｔ ｔｕｃｕｒｌｄ ｓｇ ｏ ｆｅ ｎｔｙａ ｔ ｓｃ ｎｔｏｌ ｇ ｅ ｅ ｌｌ ｄ ｉ ｈｅｓｒ ｔ ａ ｅ ｉｎ ｆ ｉ ｎ
ｌ ｇ—ｓ ｎ ｔｕｃｕｒ ｓ ｏｎ ｐａ ｓｒ ｔ ｅ ．Ｔｈｏ ｅ ｓｒ ｃｕｒ ｓａｅ Ｓ ｃ ｍ ｐ ｉａｅ ｈａ ｈｅ ｓ ｔ ｔ ｅ ｒ Ｏ ｏ ｕ ｌｃ ｔ ｄ ｔ ｔｔ
一
于 湍 流 的 瞬 时 运 动 仍 然 是 适 用 的 。Ｎ— Ｓ方 程 的解 法通 常 有 三
种 ， 即直 接 数 值 模 拟 （Ｄｉ ｃ ｕ ｒ ａ Ｓｍｕａｉ （ ｒ ｔＮ ｍｅｉ ｌ ｉ ｌ ｏ ｅ ｃ ｔ ｎ或 称