大涡模拟下两种张拉膜结构的风压特性.pdf

第 卷 第 期洛阳理工学院学报(自然科学版)年 月 ()大涡模拟下两种张拉膜结构的风压特性孙芳锦 张双磊 尚俊晨 卢 琛 张大明(.桂林理工大学 土木与建筑工程学院 广西 桂林 .辽宁工程技术大学 土木工程学院 辽宁 阜新.桂林理工大学 信息科学与工程学院 广西 桂林 .广西嵌入式技术与智能系统重点实验室 广西 桂林)摘 要:以 为模拟平台 采用高精度大涡模拟()对鞍型和连续拱形两种大跨度膜结构在 /、/、/三种风速及、两种风向角的竖向平均风荷载作用下进行数值模拟 得到两种模型在竖向风荷载作用下膜面的风压作用规律 膜结构在竖向风荷载作用下的风振响应影响非常明显 与在水平风向角下的风振响应相当关键词:大跨度膜结构 风压系数 大涡模拟 风压分布特性:./.中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:孙芳锦()女辽宁沈阳人博士教授博士生导师主要从事建筑结构防灾减灾与抗风方面的研究.:.通讯作者:张大明()男辽宁沈阳人博士副教授研究生导师主要从事风能利用、智能算法优化、数值模拟计算等方面的研究.:.基金项目:国家自然科学基金项目().大跨度膜结构的主要控制荷载是风荷载 风荷载的方向可以分为水平和竖向 对于大跨度膜结构而言 水平风荷载作用下膜结构的响应垂直于膜结构表面 接近竖向 竖向风荷载作用下膜结构的响应方向与由水平风荷载引起的方向相同 膜结构的风振响应在竖向风作用下将会增大 发生破坏的风险增大 正确预测大跨度膜结构在竖向风作用下风压特性分布情况对大跨度膜结构的抗风设计有着重要意义 郑德乾等采用大涡模拟方法对一高层建筑表面的平均风进行数值模拟研究 王辉等利用 湍流方法 模拟计算了大跨裙摆屋盖表面的风压分布特性 朱容宽采用大涡模拟方法研究了台风作用下的航站楼屋盖周围的流场分布特性 为此类建筑结构设计的台风荷载取值与抗风设计提供了相关的科学理论依据本文基于大涡模拟方法 研究鞍形、连续拱形两种形式的大跨度膜结构屋盖在竖向平均风荷载作用下的风压分布规律 模拟了考虑双向流固耦合作用 在风速大小、风向角度不同情况下 两种大跨度膜结构屋盖表面在竖向风作用下的平均风压分布情况 并总结了平均风压分布规律 大涡模拟 大涡模拟滤波函数与雷诺平均法相比 (大涡模拟)能够更好地体现湍流运动中瞬时信息状态且精度更高 具有较高的普适性 与 方法相比 的工作量大大减少 对计算工具的要求也大大降低大涡仿真模拟通过滤波方程 把空气场中的涡分成大尺度涡和小尺度涡 对大尺度涡进行直接计算对于小尺度涡则通过亚格子模拟加以仿真 大涡模拟的数字计算能够很好地模拟流场以及风荷载的动力特性 并且可以模拟流场以及荷载特性在时间历程上的变化 在数值运算中 只求解了可解尺度湍流部分 用亚格子模型来描述小尺度脉动部分对湍流中其他部分的影响 从而达到封闭可解尺度方程的目的大涡模拟一般采用低通滤波的方式对湍流中的尺度进行划分 对流场中任一时刻的瞬间变量定义为()滤波操作方程 洛阳理工学院学报(自然科学版)第 卷()()()()()()滤波操作后 变量()被分解成 其中()为大尺度()为小尺度 对于一维滤波操作而言 可以简化为()()()()式中:为滤波函数(一维)数值模拟计算设置()相关计算模型参数两种不同形式的大跨度膜结构计算模型均先在 软件中建立好基准模型后导入 中的 板块中进行网格划分 两种不同膜结构模型相关流场尺寸如表 所示 两种膜结构模型如图 所示表 不同膜结构计算模型尺寸模型建筑物结构高度/建筑物结构长度/建筑物结构宽度/连续拱形膜结构.鞍形膜结构.()鞍形膜结构 ()连续拱形膜结构图 两种不同形式膜结构建筑模型()计算域参数设置假设计算模型的宽度定义为 长度定义为 模型高度的最大值定义为 为了防止出口处的流体发生回流导致数值模拟结果发散 数值风场的建立尺寸应该满足相对应的比例 本文选取的宽度 为模型长度 的 倍 长度 为模型长度 的 倍 高度 为模型高度 的 倍 按照上述尺寸建立计算域 计算域模型尺寸设置为 分别对应于坐标轴中的、轴()边界条件设定大跨度膜结构模型选取、两个不同测量方向角度 轴负方向定义为基本方向角 风从 轴负方向吹入的角度作为 角 将模型的上表面作为迎风面 此时风为竖向风 将模型沿着顺时针方向旋转 后得到 角下的工况 将模型的屋盖表面作为迎风面 出入口设置入口边界条件选择用 编写好的风速分别为 /、/、/风剖面公式采用指数式的公式以模拟出自然界真实的风速 风向角分别为、出口边界:出口边界距离数值结构模型背风面的长度是计算域长度的/保证风在流动中达到预期的发展结果 故选择为风压力出口 壁面设置在 中计算域的底面设置为非滑移壁面 其他壁面的边界条件设置为可自由滑移壁面 大跨度膜结构屋盖表面定义为流固耦合作用面 设置为非滑移壁面第 期孙芳锦 等:大涡模拟下两种张拉膜结构的风压特性 求解器设置采用对网格边界层要求很高的 湍流模型进行计算 基于压力的求解方式 使用压力速度场耦合 差分方式选用高阶精度 为保证计算精度和流场稳定 选用残差收敛 最终迭代计算的收敛标准值要求均方根残差值小于 当求解器收敛到设置的收敛标准后 运算自动终止 并进入到后处理界面考虑流固耦合效应 在 模拟软件中分别定义结构耦合面和流体耦面 流体计算部分在 中采用 湍流模型进行数值模拟计算 结构域计算需要采用 软件中 系统模块 膜结构材料设置为 然后打开软件中的 板块选项 选择 板块 将其作为流固耦合界面的信息传递平台 将流体分析部分 ()系统板块与结构分析部分 系统板块联立起来 从而实现数值模拟计算中的双向流固耦合作用设置完以上述参数 对两种膜结构在 种不同风速、个风向角下平均风压分布情况进行数值模拟研究分析 得到大跨度膜结构屋盖在竖向平均风作用下、不同工况下膜表面的风压分布数据 湍流模型准确性验证试验 模型的建立及网格的划分为了更好地验证 湍流模型在竖向风作用下数值模拟结果的可靠性和准确性 采用 软件进行模型建立 采用常见的鞍形膜结构作为研究对象 模型尺寸长为 、宽为 、高为 计算域设置长为 、宽为 、高为 将模型放置于距离计算域入口前沿/的位置处 计算模型的网格和周围区域采用结构化网格划分方法加密 求解器设置在边界条件面板中选择和设置边界条件 出口处的边界条件要求为自由流出边界条件 壁面条件要求为非滑移边界条件壁面 面板中要求选择 压力修正方式 扩散项要求设置选择二阶精度的迎风离散格式作为边界条件 在 面板中选择残差收敛 收敛精度设置为 可保证流场的稳定从而保证计算精度 湍流模型模拟结果对比分析 湍流模型所得到的结果和 湍流模型及 湍流模型数值模拟所得到的结果非常接近各个测点的风压系数变化趋于一致 湍流模型对比图如图 所示 通过本次数值模拟方法对比可以验证大涡模拟方法的可靠性及精确性图 湍流模型对比图 竖向平均风作用下的膜结构风压特性 鞍形膜结构屋面风压特性研究()数值模拟计算参数设置选取的计算模型为正投影面正方形的大跨度鞍形膜结构 计算模型四周封闭 模型放置处于距计算 洛阳理工学院学报(自然科学版)第 卷域入口处/处 选取、两个方向角 轴负方向定义为基本方向角 风吹向 轴负方向角度作为角 模型上表面为迎风面 方向角将计算模型结构沿着顺时针方向旋转 角后得到(连续拱形结构均采用以上吹入方向)鞍形计算模型网格划分图如图 所示 计算域示意图如图 所示 三维参考坐标轴定义为:坐标轴、轴方向分别为建筑物模型高度 方向、宽度 方向、长度 方向(连续形结构三维参考坐标轴采用以上共同定义)选取的计算模型为正投影面、矩形的大跨度连续拱形膜结构计算模型为四周封闭 对计算模型结构分别采用 /、/、/三种风速和、两种风向角下共计 种工况下的数值模拟 并对数值模拟结果进行处理分析 图 鞍型膜结构网格划分 图 鞍型膜结构流体域示意图()平均风作用下数值模拟结果及分析对在 /、/、/三种风速以及、两个风向角下的膜结构表面风压分布情况进行数值模拟研究分析 得到鞍型大跨度膜结构在竖向风荷载作用下风压系数分布图如图 所示()风向角 /风速 ()风向角 /风速()风向角 /风速 ()风向角 /风速()风向角 /风速 ()风向角 /风速图 、风向角下的风压系数分布图第 期孙芳锦 等:大涡模拟下两种张拉膜结构的风压特性由图 可知 在 和 风向角下 鞍形膜结构屋盖表面的平均风压系数大部分都为正值 但在索的位置及鞍形膜结构偏右侧区域 屋盖表面部分区域风压系数为负值 在 风向角、风速为 /时 鞍形膜结构表面压力最大值产生在屋面结构左上角处 风压系数随着屋面坡度慢慢减小并由正压渐转向负压形成了一个锥形旋涡区域 风速为 /和 /时 屋盖表面平均风压系数的最大值主要分布在表面最中间凹陷位置区域 整体风压情况呈现出以鞍形膜结构中间凹陷区域为中心向四周扩散的方式 由负压向正压进行变化 且变化梯度较小 在 风向角时 屋盖表面表现的风压系数随着风速的从 /转变到 /时 仍以负压为主 分布于鞍形膜结构屋盖左下侧区域 在风速为 /时 负压区域主要集中分布在鞍形屋盖右侧偏下位置处 此处风压系数最大 并在结构下侧处形成不规整旋涡 因为屋盖表面的气流在竖向风力作用下被缓慢抬高 导致气流分离 尾流到达屋盖的右下角最高点位置处使得风主要以吸力为主 产生分布于结构下侧靠角落位置处漩涡 连续拱形膜结构屋面平均风压特性研究()数值模拟计算参数设置选取的计算模型为正投影面为正方形的大跨度连续拱形膜结构 计算模型四周封闭 模型放置于距计算域入口处/处 选取、两个方向角 风吹入方向与鞍型膜结构一致 结构模型网格划分图如图 所示 其计算流体域示意图如图 所示图 连续拱形膜结构网格划分图 图 结构流体域示意图()平均风作用下数值模拟结果及分析对连续拱型膜结构在 /、/、/三种风速以及、两个风向角下平均风压分布情况进行数值模拟 得到在竖向风荷载作用下的风压系数分布图分别如图 所示 风向角下 连续拱形膜结构屋盖表面的风压分布情况呈现自有分布特性 三种不同风向角下 连续拱形膜结构屋盖表面的风压系数值和梯度变化表现为随着风速变大而增加的趋势 在 时连续拱形膜结构屋盖表面的平均风压系数分布情况为大多数是正值 风力作用起风压力作用 但局部有负压旋涡的情况出现()风向角 /风速 ()风向角 /风速()风向角 /风速 ()风向角 /风速 洛阳理工学院学报(自然科学版)第 卷()风向角 /风速 ()风向角 /风速图 不同风向角不同风速下的风压系数分布图在 风向角时 风压系数值最大值分布在连续拱形膜结构屋盖表面第四个起拱处的正中央部分 并且膜结构表面的风压系数沿着连续拱形膜结构的起拱最高点向四周逐渐减小的趋势进行扩散 在 风向角时 风压均值系数大多为正值 且分布于连续拱形膜结构的起拱处位置 在结构的沟槽部分及边处出现部分负压区域 风力作用以风压力形式为主 不论风速值大小 来流的尾流在流经拱形膜结构的沟槽区域处 气流抬升且流动不畅而形成不规则椭圆形旋涡吸力区域 都在形面之间的沟槽部分上出现了漩涡现象 结 语在两种不同风向角下 随着风速的增大 鞍形膜结构屋盖表面的平均风压系数也随之增大 对于鞍形膜结构而言 来流方向角作用角度不同 鞍形膜结构屋盖表面的风压分布情况也有所变化 风向角时 主要以吸力为主 在 风向角时 气流在高度不一致的鞍型膜结构的表面发生分离 从而导致膜结构表面出现负压漩涡 说明竖向风的作用效果明显 在设计和工程实践中不容忽视 对于连续拱形膜结构而言 风向角时 最大风压系数绝对值出现在屋盖表面的第四个起拱区域处 在 风向角时 最大风压系数值出现连续拱形屋面表面的起拱拱峰位置处 不论哪种风向角下 负压漩涡区域均是出现在连续拱形膜结构拱形之间的沟槽处 是由于气流在此处流动不畅而形成的 且风压系数绝对值均随着风速的增加而逐渐变大 两种膜结构屋盖的表面风压系数均是随着风速的增加而增加 且在竖向风作用下的膜结构表面的风压系数与其他风向角下的风压系数是一个数量级的 竖向风对于此类大跨膜结构表面的作用影响应当予以重视参考文献:孙芳锦张大明殷志祥.索膜结构在竖向脉动风影响下的风振响应研究.钢结构():.闫渤文马晨燕赵乐等.强台风下带挑檐双坡低矮房屋风荷载特性大涡模拟方法适用性研究.工程力学():./():.孙芳锦殷志祥顾明.强耦合法在膜结构风振流固耦合分析中的程序实现与应用.振动与冲击():.向阳沈世钊李君.薄膜结构的非线性风振响应分析.建筑结构学报():.李秋胜李建成.热带气旋中竖向风攻角对双坡低矮房屋屋面风压的影响.湖南大学学报(自然科学版)():.周颖.双层网壳屋盖的风振响应和风振系数研究.天津:天津大学:.郑德乾顾明张爱社等.单体 方形截面建筑绕流的大涡模拟.振动与冲击():.王辉张鑫胡正生等.大跨裙摆屋盖脉动风荷载特性数值模拟研究.应用力学学报():.朱容宽柯世堂.考虑中尺度台风影响的大跨度航站楼屋盖风压特性研究.振动与冲击():.():.庄达民孟宪海.室内气流分布的大涡模拟.空气动力学学报():.潘毅饶明航周祎等.流固耦合作用下膜结构振动频率研究.建筑结构学报.().张兆顺.湍流大涡数值模拟的理论和应用.北京:清华大学出版社:.王玲玲.大涡模拟理论及其应用综述.河海大学学报(自然科学版)():(下转第 页)第 期林 东 等:电驱动后桥机电耦合分析参考文献:沈丹玺.汽车行业未来的四大趋势及八个变化方向.重型汽车():.于永初.节能与新能源汽车技术路线图引领中国汽车产业发展.汽车工艺师():.杨雨番.电动汽车电驱动系统机电耦合动力学及减振控制策略研究.重庆:重庆理工大学:.赵心颖林飞杨中平等.高速列车牵引传动系统机电耦合振动特性研究.铁道学报():.刘文生李文.牵引电机传动装置振动特性仿真分析.铁道学报():.赵怀耘刘建新翟婉明.异步牵引电机谐波转矩对机车动力学的影响.西南交通大学学报():.于蓬章桐孙玲等.集中驱动式纯电动车动力传动系统扭转振动研究.振动与冲击():.刘必华宋田堂林连华等.纯电动汽车传动系统扭振特性灵敏度分析及优化.传动技术():.葛帅帅杨雨番郭栋等.电动汽车电驱动系统机电耦合动态特性研究.重庆理工大学学报():.林利红陈小安周伟等.永磁交流伺服精密驱动系统机电耦合振动特性分析.振动与冲击():.():/.:(责任编辑:翟智卫)(上接第 页)(.):.()/.:(责任编辑:黄广霞)