大涡模拟入口湍流生成技术及矩五拱形折叠网架结构表面风压研究

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矩五拱形折叠网架结构具有折叠展开迅速、质量轻、可反复使用、便于储存及运输等优点,已广泛应用于军事以及民用等领域。折叠网架结构的特点决定了其对风荷载的作用非常敏感,是结构设计中的控制荷载。目前,我国规范尚未对此类结构的风荷载体型系数给出相应的取值方法,因此,本文对矩五拱形折叠网架结构进行大涡模拟计算并对其表面风压分析研究具有重要的工程应用价值。折叠网架结构位于大气边界层,用大涡模拟(LES)去准确预测风对结构影响的前提之一是湍流入口条件匹配大气边界层(ABL)实际风流动特性。以往对结构风效应的数值模拟大多采用雷诺平均的方法,入口多采用均匀入口或者其入口的脉动风特性与近地的风特性差异较大,得到的结果不是特别精确。因此,一个用于大涡模拟并且可以很好得还原大气边界层风特性的入口湍流方法至关重要。本文介绍了结构抗风研究的方法及理论,并将CFD数值模拟中大涡模拟作为本文进行数值风洞模拟的重要方法。首先针对大涡模拟数值风洞技术,分析湍流脉动风的特性及三种广泛应用的脉动风生成方法,并分析了一种新的入口湍流生成方法:离散再合成随机流动生成法(DSRFG方法)。然后,基于Karman风速谱,通过Matlab编程生成脉动风速时程,并将其成功加入到CFX流场分析软件的入口。接着,用此方法计算方柱及标准高层建筑结构模型来验证本文方法的准确性,证明了本文的方法可以较好的还原大气边界层风特性。最后,用验证的脉动风入口生成方法对矩五拱形折叠网架结构进行数值风洞模拟,并研究其外部流场及表面风压分布特性。在0°风向角下,矩五拱形折叠网架结构表面的平均风压系数沿结构的长轴对称,结构表面大部分受负压,受压面积大约只占结构表面总面积的12.77%;风荷载体型系数最大值为0.81,位于迎风面下部区域,风荷载体型系数最小值为-0.73,位于主体结构靠近迎风面的第一榀框架两侧表面。在90°风向角下,矩五拱形折叠网架结构表面的平均风压系数沿结构的短轴对称,结构表面大部分受负压,受压面积大约占结构表面总面积的24%;风荷载体型系数最大值为0.81,位于迎风面下部正中区域,风荷载体型系数最小值为-0.88,位于主体结构顶部区域。在0°及90°风向角下,规范给出的体型系数与本文给出的风荷载体型系数相差9%~88%、8%~70%。在进行结构抗风设计时,应考虑局部风压比平均风压大的情况,并应避免各种棱角的出现。
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