论文题目: 高层、大跨结构风压分布特征的数值模拟与分析
论文类型: 硕士论文
论文专业: 结构工程
作者: 杨波
导师: 吕令毅
关键词: 计算风工程,湍流模型,建筑风压,双塔楼建筑,大跨度壳体,流动显示
文献来源: 东南大学
发表年度: 2005
论文摘要: 风洞模拟试验和实地观测是结构风工程研究的传统手段,但它们存在周期长、花费高等许多缺陷。计算风工程是结构风工程领域近年来出现的一个新的分支,它是利用计算流体动力学方法在计算机上模拟结构周围风场变化并求解作用于结构的风荷载。相对于其它研究手段来说,计算风工程的优势在于:首先可以节省大量资金,其次可以模拟自然界中真实的风场,还可以方便地获得实验中不便测量的数据。本文首先推导了结构风压分布模拟的控制方程。自然风可以看成是最一般的流体流动,因此推导了流体动力学的基本方程,包括连续方程、动量方程、能量方程、状态方程和内能表达式。指出近地层大气可以近似地看作是牛顿粘性的不可压缩性流体,从而获得了大气风流动的基本控制方程。由于风的湍流特性,直接利用大气风流动的基本控制方程模拟风的流动不能实现,于是引入了湍流的统计平均方法,推导了描述风湍流时均流动的基本方程,包括连续方程和雷诺方程。为了解决风湍流时均流动基本方程的不封闭性,讨论了计算风工程领域一些常用的湍流模型。通过这些湍流模型,组成了完整的结构风压分布数值模拟的控制方程。然后利用推导出的结构风压分布数值模拟的控制方程,模拟了双塔楼高层建筑的表面风压及其周围风场。介绍了大气边界层风的基本特性,讨论了描述这些基本特性的参数以及相关的经验公式。给出了规范中基本风压的概念以及风速与风压的关系,确定了风压模拟中所需的边界层风的基本特性参数值。然后基于定常的采用RNG k-ε湍流模型的结构风压分布数值模拟的控制方程,对方形截面对称双塔楼高层建筑的表面风压及其周围风场进行了模拟。获得了双塔在不同风向下各表面风压分布特征,以及风压合力和体型系数随风向角的变化规律。最后基于定常的采用RNG k-ε湍流模型的结构风压分布数值模拟的控制方程,对中国国家大剧院顶部壳体的表面风压及其周围风场进行了数值模拟。获得了穹顶表面风压分布的基本特征,以及顶部最大负压力和6个气动力分量随风向角的变化规律。
论文目录:
摘要
ABSTRACT
符号、变量、缩略词等本论文专用术语的注释表
第一章 绪论
1.1 自然界的风及其对结构的作用
1.2 结构风工程的主要研究手段
1.3 计算风工程的研究现状
1.4 高层、大跨结构风压分布特性研究的意义
1.5 本文的主要研究工作
第二章 结构风压分布模拟的控制方程
2.1 流体动力学的基本方程
2.1.1 连续方程
2.1.2 动量方程
2.1.3 能量方程
2.1.4 状态方程
2.1.5 内能表达式
2.1.6 小结
2.2 大气风流动的基本控制方程
2.2.1 牛顿流体本构方程
2.2.2 大气风流动的基本控制方程
2.3 自然风的湍流特性及其工程模拟方法
2.3.1 自然风的湍流特性
2.3.2 风湍流的工程模拟方法
2.4 风湍流时均流动的基本方程
2.4.1 统计平均方法
2.4.2 风湍流时均流动的连续方程和动量方程
2.4.3 风湍流的能量方程
2.4.4 湍流脉动动能方程和湍能耗散率方程
2.5 风湍流时均流动基本方程的封闭问题与湍流模型
2.5.1 风湍流时均流动基本方程的不封闭性
2.5.2 涡粘模型
2.5.3 雷诺应力方程模型
2.6 本章小结
第三章 双塔楼高层建筑的风压分布特性研究
3.1 工程背景
3.2 大气边界层风基本特性的模拟
3.2.1 大气边界层与平均风剖面
3.2.2 风的脉动特性
3.3 规范中的基本风速与基本风压
3.3.1 基本风速
3.3.2 风速与风压
3.4 双塔楼高层建筑的物理模型
3.5 计算模型描述
3.5.1 结构风压分布模拟的控制方程
3.5.2 计算区域
3.5.3 网格划分
3.5.4 边界条件
3.6 模拟结果与分析
3.6.1 数据处理
3.6.2 三种典型风向下双塔表面的压力系数分布
3.6.3 合力和体型系数计算
3.7 本章小结
第四章 国家大剧院壳体表面风压分布预测
4.1 工程概况
4.2 大剧院壳体的物理模型
4.3 计算模型描述
4.3.1 结构风压分布模拟的控制方程
4.3.2 计算区域
4.3.3 网格划分
4.3.4 边界条件
4.4 模拟结果与分析
4.4.1 数据处理
4.4.2 风流动图像
4.4.3 壳体表面风压系数分布图
4.4.4 不同风向下壳体顶部的最大负压
4.4.5 不同风向下6 个气动力分量
4.5 本章小结
第五章 总结与展望
5.1 全文总结
5.2 研究展望
参考文献
作者简介
致谢
发布时间: 2007-06-11
参考文献
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