基于FLUENT的建筑物风沙两相流场数值模拟

论文摘要

我国是沙尘天气频发地区,据粗略统计,我国每年因风沙危害造成的直接经济损失高达540亿元人民币。近年来,人们越来越意识到风沙研究的重要性。20世纪80年代,有研究者开始对风沙运动过程进行数值模拟,目前已提出了形式各异的模型。对于超高,大跨和轻质建筑物,结构对风作用的敏感性大大增强,致使风荷载成为此类建筑控制设计的主要荷载之一。目前,土木工程领域利用CFD方法研究风沙共同作用下建筑物表面的风荷载还非常少见。本文正是基于商业CFD软件FLUENT,对风沙共同作用下建筑物周围风场作了数值模拟。在建筑物静风荷载的模拟研究中,首先确定了湍流模拟方法——剪切应力模型(SST)。然后分别对两种典型模型:AIJ模型和CAARC模型的数值模拟结果与风洞试验结果进行了对比分析,得出数值模拟结果与风洞试验结果有很好的一致性,证明了利用CFD方法模拟建筑物表面风压的准确性。在建筑物风沙荷载的模拟研究中,首先,根据我国建国四十多年来的风沙天气统计报告,选用北京地区和甘肃地区发生的最大沙尘暴统计结果,确定了大气气溶胶的质量浓度极大值,沙粒的折算粒径,沙粒密度等。其次,在静风荷载结果的基础上加入第二相(颗粒相),假设沙粒浓度均匀分布,沙粒相与气体相没有相对滑移,且沙粒相与气体相单向耦合,即沙粒相对气体相无作用。最后,根据模拟结果进行对比分析:根据沙粒浓度不同,风速不同,对AIJ模型和CAARC模型的表面风压以及沙粒沉积进行了研究,验证了CFD在模拟两相流方面的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源与研究背景
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究背景
• 1.2 计算风工程的研究现状
• 1.3 风沙运动数值模拟的研究现状
• 1.3.1 风沙流数值模拟
• 1.3.2 沙波纹数值模拟
• 1.3.3 沙丘数值模拟
• 1.3.4 粉尘运动数值模拟
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 风沙两相流场数值模拟研究
• 2.1 引言
• 2.2 风沙两相流概述
• 2.2.1 沙粒的运动特性
• 2.2.2 风沙流结构特征
• 2.3 气相流场的数值模拟
• 2.3.1 流场的基本控制方程
• 2.3.2 湍流模型
• 2.4 混合相的数值模拟
• 2.4.1 气固两相流数学模型
• 2.4.2 FLUENT多相流模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 典型建筑模型风沙两相流场数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 我国沙尘暴天气背景
• 3.2.1 沙尘暴天气时空分布特征
• 3.2.2 沙尘暴天气大气气溶胶特征
• 3.3 AIJ模型风沙影响的数值模拟
• 3.3.1 几何建模
• 3.3.2 计算流域的确定
• 3.3.3 网格单元的选择
• 3.3.4 边界条件的选取
• 3.3.5 湍流模型及两相流模型
• 3.3.6 求解参数的设置
• 3.3.7 数值模拟结果与对比分析
• 3.4 CAARC模型风沙影响的数值模拟
• 3.4.1 数值建模及求解参数的选取
• 3.4.2 数值模拟结果与对比分析
• 3.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1
• 致谢