数值风洞中索膜结构风荷载分布特性研究

论文摘要

本文运用数值风洞技术进行了索膜结构刚性模型绕流风场的模拟,分析了其表面风荷载分布特性。数值模拟依托CFX软件平台,基于雷诺平均模拟(RANS)方法进行。本文首先阐述了索膜结构所处的大气边界层的特性和钝体绕流的基本特性,然后论述了数值风洞方法的基本理论和CFD数值模拟的过程。再以美国德克萨斯理工大学风工程场地试验室所进行的TTU标准模型现场实测试验作为参考,建立TTU模型绕流风场的实尺度数值计算模型,通过把计算结果与现场实测数据进行对比,验证了数值风洞方法的可行性与正确性。最后针对三种典型体型的索膜结构——鞍形、伞形、脊谷式,进行了刚性模型绕流风场的数值模拟,分析了不同风向角、不同矢跨比和不同跨高比对膜面风荷载分布的影响,总结了其风压分布规律,并给出了相应的膜面风压系数分布图供工程设计参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文研究背景
• 1.2 大跨度结构风荷载特性的研究方法
• 1.2.1 现场实测方法概述
• 1.2.2 风洞试验方法概述
• 1.2.3 理论分析方法概述
• 1.2.4 CFD 数值模拟方法概述
• 1.2.5 风荷载数据库技术概述
• 1.3 索膜结构风荷载分析的研究现状
• 1.3.1 时域分析方法
• 1.3.2 风洞试验方法
• 1.3.3 流固耦合分析方法
• 1.4 论文研究意义
• 1.5 本文的研究工作
• 2 索膜结构风荷载分析的数值风洞方法
• 2.1 引言
• 2.2 大气边界层特性描述
• 2.2.1 平均风剖面
• 2.2.2 湍流风剖面
• 2.3 钝体绕流的基本特性
• 2.3.1 边界层与分离
• 2.3.2 大跨度屋盖结构的绕流特性
• 2.4 数值计算的基本理论
• 2.4.1 粘性流动的基本方程
• 2.4.2 控制方程的数值计算方法
• 2.5 CFD 数值模拟过程
• 2.5.1 计算域设置
• 2.5.2 网格划分
• 2.5.3 湍流的数值模拟
• 2.5.4 边界条件及近壁面的处理
• 2.5.5 求解方法和收敛控制
• 2.6 流固耦合数值模拟技术讨论
• 2.6.1 动网格技术
• 2.6.2 流固耦合交界面处的数值传递
• 2.7 CFD 数值模拟的可信度问题
• 3 TTU 标准模型试验的数值模拟研究
• 3.1 TTU 标准模型试验简介
• 3.2 TTU 标准模型数值模拟
• 3.2.1 计算域设置及网格划分
• 3.2.2 湍流模型及边界条件
• 3.2.3 求解方法与收敛控制
• 3.2.4 结果对比
• 3.3 本章小结
• 4 鞍形膜结构的风荷载分布特性
• 4.1 引言
• 4.2 计算模型的建立
• 4.2.1 建模方法
• 4.2.2 建模过程
• 4.3 模型参数
• 4.4 数值模拟结果及分析
• 4.4.1 风向角对膜面风荷载分布的影响
• 4.4.2 矢跨比对膜面风荷载分布的影响
• 4.4.3 跨高比对膜面风荷载分布的影响
• 4.5 本章小结
• 5 伞形膜结构的风荷载分布特性
• 5.1 引言
• 5.2 数值模拟结果及分析
• 5.2.1 平面形状为正方形
• 5.2.2 平面形状为正六边形
• 5.3 本章小结
• 6 脊谷式膜结构的风荷载分布特性
• 6.1 引言
• 6.2 模型参数
• 6.3 数值模拟结果及分析
• 6.3.1 风向角影响
• 6.3.2 矢跨比影响
• 6.3.3 跨高比影响
• 6.4 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 本文的结论
• 7.2 研究展望
• 攻读硕士学位期间以发表的学术论文及科研成果
• 致谢
• 参考文献