川崎前锋vs名古屋鲸八结果:CFD在風荷載計算中的應用

流體機械 袁健 鹽城工學院

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  風荷載是結構抗風設計中的主要荷載,而現場實測、風洞試驗、數值模擬是獲取風荷載數據的主要方法。文章介紹了作用于結構上的大氣邊界層內風的特性、風荷載的特點以及風荷載的研究方法,討論了在數值模擬中引入湍流模型的必要性,指出了目前計算流體動力學在結構風荷載計算中的進展并對今后的研究方向進行了展望。

  1940 年美國的Tacoma 懸索橋在平均風速僅為18.8 m/s 的大風作用下垮塌[1],引發了對風荷載及風響應的深入研究,到20 世紀60 年代中期,逐步形成了一門新的學科———風工程學。具體地說,它包括三個方面的研究內容:(1)結構風工程;(2)車、船風工程;(3)環境風工程。在風工程學科中,結構風工程問題作為學科發展的起源,始終處于核心的地位。

1、大氣邊界層內近地風特性

  大氣邊界層內風特性的研究是結構風工程研究的基礎。大氣邊界層內近地層的氣流是一種隨機的湍流流動,目前僅對100 m 高度以下的地表層的風特性比較了解,通常將其分為平均風特性和脈動風特性來進行研究。對結構風荷載有重要影響的風特性參數有:平均風速剖面、脈動風的湍流強度、湍流積分尺度、脈動風功率譜密度函數、脈動風的空間相關函數。經過對不同高度風速的大量實測研究,一般認為平均風速沿高度的變化大體符合指數規律。大氣湍流是引起脈動風的重要原因,一般通過湍流強度和湍流積分尺度來描述,湍流強度反映了一定高度下脈動風速均方根與平均風速的比值,湍流積分尺度是氣流中湍流旋渦平均尺寸的量度。

  在應用隨機振動理論計算脈動風速時,脈動風功率譜是必要的資料,目前國際上通用的功率譜有Davenport 譜、Harris 譜、Simiu 譜、Kaimal 譜。其中Davenport 譜、Harris 譜是通過不同離地高度的實測值取平均得到,所以不能反映風譜和高度變化,實際是10 m高度處的脈動風速譜。Simiu 譜、Kaimal 譜考慮了近地表層中湍流積分尺度隨高度發生的變化,它們屬于中性大氣穩定度下的功率譜,其譜峰及峰值頻率不盡相同。我國規范和工程應用上一般采用Davenport 風速譜。

2、結構風荷載及研究方法

  對于天線來說,風壓是最主要的荷載。風荷載是一種具有隨機性的動荷載,由于結構阻塞大氣邊界層氣流的運動引起。在某一地點,風荷載是時間t 和坐標x(高度)的隨機函數,而且往往具有非平穩性。一段時間以來,國內外利用隨機函數理論來研究隨機荷載作用下結構的振動,但是隨機性相當復雜,在解決實際問題時一般予以適當簡化。

  由于大多數工程結構表現為鈍體,結構風工程研究的重點是鈍體空氣動力學,風繞結構的流動是湍流、分離流和三維流動,因此結構所受風荷載分別來自:來流的脈動、分離的剪切層、再附著的尾流脈動等。此外,結構風致振動也可能引起附加荷載。風荷載一般包括順風向力、橫風向力和扭轉力矩,并具有以下特點:

  (1)風荷載與空間位置及時間有關,受地形、地貌、周圍建筑環境等因素影響;

  (2) 風荷載與結構的幾何外形相關,結構不同部分對風敏感程度不同;

  (3)具有顯著非線性特征的結構,風荷載可能產生流固耦合效應;

  (4)結構尺寸如果在多個方向比較接近,風荷載還需要考慮空間相關性。

  工程設計計算中風荷載一般以風壓來表示。確定風荷載的主要手段有現場實測、風洞試驗和數值模擬等,如表1 所示。

表1 天線風荷載研究方法比較

天線風荷載研究方法比較

  風洞試驗、現場實測與數值模擬方法相結合,可發揮各自的優勢。一方面,測試結果與數值模擬所得的數據相互對照,可驗證數值模擬方法的有效性與精度,同時減少風洞試驗次數與現場測試工作量;另一方面,以風洞試驗數據或實測資料為基礎,獲得脈動風速時程曲線,這是進行脈動風荷載計算的必要條件。

6、結束語

>  隨著結構工程向長大化、高聳化、輕柔化以及外形復雜化發展,對風的敏感程度也越來越強,風荷載計算及其與結構間復雜的相互作用對結構抗風設計提出了巨大挑戰,CFD 的飛速發展為結構風工程的研究帶來了巨大的變革。為了解決在復雜環境下復雜結構的風荷載數值計算問題, 對現有的數值模擬理論和方法還應進行精細化的改進和發展。

  CFD 對結構平均風荷載的計算結果已經達到實用化程度,而對脈動風荷載進行計算的LES 才剛剛起步。由于大氣邊界層近地風特性的復雜性,要在結構風工程領域完全依靠數值風洞計算風荷載從而進行結構優化設計,還需要結構工程、風工程、計算力學、氣象學、計算機硬件技術等相關領域的進一步結合與發展。

參考文獻

  [1] Davenport A G. The missing links [A]. Wind Engineering into 21st Century[C].Balkema:[s.n.],1999.
  [2] 蘇銘德,黃素逸.計算流體動力學基礎[M]. 北京:清華大學出版社.1997.
  [3] Selvem P R. Computation of pressures on Texas Tech University building using large eddy simulation[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,1997.