龙卷风风场及其对建筑物风荷载影响的数值模拟

论文摘要

全球因风所造成的灾害和损失日益严重。据国内外统计资料表明,在所有自然灾害中,因风所造成的灾害和损失居各种灾害之首。对于跨度大,柔性大,自重轻的建筑,风荷载往往是结构设计非常的重要因素。许多研究者对台风、暴流等极端风进行了大量的分析,而对于龙卷风这方面的研究还甚为缺乏。像核电站之类的建筑,一旦破坏将对社会带来极大的损失和次生灾害,但我国现阶段建筑设计规范在龙卷风对结构的影响方面没有给出具体的要求和方法,缺乏指导性和可操作性。因此,研究龙卷风对建筑物的影响显得至关重要。本文基于涡旋的理论知识对龙卷风风场进行分析,然后采用数值模拟的方法,通过CFD计算软件FLUENT 6.3模拟了龙卷风风场,并对影响龙卷风风场的各种参数进行了分析,最后将建筑物加载到龙卷风风场中来研究建筑物表面风压的分布特征。本文主要从龙卷风切向速度和静压的分布方面研究其风场特征。同一高处沿径向分布的切向速度对应一个最大值,该处的半径称为核心半径。核心半径处的切向速度达到最大值,而远离核心半径切向速度会逐渐减小。此外,龙卷风的风压和速度沿高度的变化很小。为了说明模拟的龙卷风风场的合理性,本文将数值模拟沿径向切向风速的分布曲线与理论公式得到的曲线做了对比。为了更深入地研究CFD数值模拟的龙卷风风场,文中通过对影响龙卷风风场的各种因素做了分析。通过改变龙卷风风场的几何尺寸、入口方向和入口初始风速大小对影响龙卷风同一高度处的最大切向风速和核心半径进行了对比分析,以求得更为合适的龙卷风发生装置的数值模拟模型。最后,将建筑物置于龙卷风风场中,得到了并分析了建筑物表面的风压分布规律,力求为民用建筑和核工业建筑的抗龙卷风设计提供技术依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源和背景及研究目的与意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究目的与意义
• 1.2 国内外对龙卷风的研究现状
• 1.2.1 龙卷风等级的划分
• 1.2.2 国内外对龙卷风形成原理的研究
• 1.2.3 国内外对龙卷风模拟的研究
• 1.3 本文的构思与研究内容
• 第2章 龙卷风风场的模拟与分析
• 2.1 引言
• 2.2 CFD 数值模拟的基本理论
• 2.2.1 CFD 软件概述
• 2.2.2 控制方程
• 2.2.3 湍流模型
• 2.2.4 网格划分
• 2.2.5 求解参数设置
• 2.2.6 边界条件
• 2.3 龙卷风风场特性的分析
• 2.3.1 龙卷风数值模型的建立
• 2.3.2 切向速度沿径向的分布
• 2.3.3 切向速度沿高度的分布
• 2.3.4 静压沿径向的分布
• 2.3.5 静压沿高度的分布
• 2.4 龙卷风风场模拟结果与理论公式的对比
• 2.4.1 Rankine 涡的切向速度场
• 2.4.2 DeMaria 参数化气旋模型的切向速度场
• 2.4.3 Jakobsen 参数化气旋模型的切向速度场
• 2.5 本章小结
• 第3章 龙卷风数值模拟的影响因素及建筑物龙卷风荷载的影响
• 3.1 引言
• 3.2 影响龙卷风风场因素的分析
• 3.2.1 入口角度对风场的影响
• 3.2.2 入口速度对风场的影响
• 3.2.3 入流区域高度对风场的影响
• 3.2.4 入流区域半径对风场的影响
• 3.2.5 出流区域半径对风场的影响
• 3.3 龙卷风对建筑物的影响
• 3.3.1 龙卷风中建筑物表面风压的分布
• 3.3.2 建筑物对龙卷风风场的影响
• 3.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢