等效移动龙卷风场对建筑物的作用研究

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龙卷风是一种伴随高速旋转的具有漏斗状云柱的强风涡旋,具有远超常规风的强大破坏力。自然界中的龙卷风都具有平移速度,平移速度对龙卷风场及其对建筑物的作用有明显的影响,对建筑结构在考虑平移速度的龙卷风中所受到的作用进行详细研究具有很现实的意义。由于其发生概率较其他风灾要低,目前我国《建筑结构荷载规范》中尚未包含抗龙卷风设计的相关要求。但是,在重大工程设计(如核电站)时,则必须明确考虑龙卷风侵袭的影响。本文主要采用CFD数值模拟技术,综合滑移网格和动网格的各自优势,利用动网格法和滑移交界面分割技术,实现考虑平移速度的龙卷风场数值模拟,并借助此模型对典型双坡屋面的风荷载进行了数值研究,研究成果可以为龙卷风的风场特性及其对建筑物作用的后续研究提供一定的参考,也可为重大工程结构的抗龙卷风设计提供一定的依据和技术支撑。  基于CFD数值模拟技术,参考国内规范对龙卷风的规定,利用商业应用软件FLUENT6.3建立了龙卷风数值模拟装置,并遵照运动相对性原理,保持龙卷风场数值模拟器静止,令建筑物以特定速度平移,以此来研究考虑平移速度的龙卷风场模型对建筑物的作用,并将此种风场称之为等效移动龙卷风场,进而对等效移动龙卷风场数值模拟的正确性进行了验证。为验证等效移动龙卷风场研究方法的可行性,针对龙卷风场的圆形风场区域的特点,将动网格和滑移网格技术有机结合,成功去除滑移墙,以计算流体区域代替建筑物所在区域,对改进后的龙卷风场进行数值模拟计算,再根据现有参考资料和数值模拟结果,从典型特征参数、最大气压降以及涡旋轮廓曲线等几个方面,对文中的等效移动龙卷场数值模拟的正确性验证进行了较为详尽的验证。  基于CFD数值模拟技术,对典型双坡屋面(00,150,300和600)的风荷载进行计算,探讨了在等效移动龙卷风作用下不同坡角的双坡屋面模型的风压分布特征;与不考虑平移速度的龙卷风场模型相比,在等效移动龙卷风中双坡屋面风荷载的变化和差异;此外,分析了双坡屋面模型在等效移动龙卷风场中的不同位置处表面风压的变化,提出了在龙卷风场中存在风压激增区的概念,通过对比发现,风压激增区现象在等效移动龙卷风场中更加明显。  针对目前建筑形式日新月异的现状,为进一步研究龙卷风对不同形式的建筑物的作用机理,研究了洞口设置对高层建筑龙卷风荷载的影响。首先,不考虑龙卷风的平移速度的影响,针对三种典型风向角(300,450和600)进行了数值模拟研究,根据模拟结果分别研究了不同风向角下在风场不同位置处、以及洞口设置位置对建筑物龙卷风荷载的影响,并将开洞模型与全封闭模型的龙卷风荷载行进了对比分析;最后,针对最不利风向角(450)和洞口设置位置(下开洞)的工况,进行了考虑龙卷风平移速度的开洞高层建筑风荷载数值模拟,并与前文计算结果进行比较分析平移速度对开洞高层建筑龙卷风荷载的影响。
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