典型温室风荷载特性数值模拟研究

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温室是农业设施中主要设施之一。温室环境和结构安全性对农业经济效益和社会效益有直接影响。随着温室的不断发展,除了注重温室环境方面的研究外,结构安全性问题越来越受到人们的重视,针对温室结构安全性的研究也就逐步受到关注。风荷载是引起温室设施发生破坏的常见自然灾害之一,不同形式的温室建筑对风荷载的敏感程度有很大差异,确定温室风压力指标是对大风灾害防御和设施结构优化设计的前提。全面掌握温室表面风荷载分布规律,对温室结构的安全设计以及合理选型十分必要。由于我国地域广泛并且地形地貌复杂,温室结构选型及风荷载计算不能有统一标准和模式。应该因地制宜地选取合适的温室结构形式,并结合当地气候地质条件进行科学合理的计算分析。基于当前计算机技术水平的快速提高,特别是计算流体动力学理论的发展完善,数值模拟技术克服了传统风洞试验工况单一、无法考虑实际结构大尺度及高雷诺数等诸多缺陷,在结构风荷载特性研究中显示出独特的优势。本文首先总结了国内外温室以及计算风工程的发展现状,特别是关于温室风荷载特性方面的研究进展。在总结和分析前人研究成果的基础上,针对几种典型的温室建筑风荷载特性进行数值模拟研究,通过不同工况的计算分析,探讨了不同类型温室表面风压分布规律,为丘陵山区温室结构选型及风荷载取值提供理论依据。本文基于CFD计算平台Fluent软件,对跨度分别为1跨、3跨、5跨和10跨的圆拱型、尖顶型和Venlo型三类温室在0°、30°、60°和90°风向角情况下的表面风压分布规律进行了模拟计算,并求得了相应的风压系数,供温室结构设计时参考。本文主要研究内容及结论如下:(1)本次模拟研究将CFD软件模拟与工程实践研究相结合,以较少的费用和较短的时间获得了有价值的研究结论,是一种经济、有效的研究手段,CFD的优点得到了明显体现。(2)在总结前人研究的基础上,结合我国温室研究的实际情况,本文优先选取了Realizablek-ε湍流模型和B类地貌作为研究的共同基础,通过对比分析得出了在0°风向角和900风向角下,即进风方向与温室迎风面相垂直和相切时,流动分离产生的脱落沿来流方向分布呈柱状涡形式。进风的后方出现负压情况,负压在转角变化大时,负压梯度很大。(3)在同一方向角、相同风力条件下,跨度不同,温室表面风压力系数不同。1跨正压和负压都最大,3跨、5跨和10跨的要小,且这三种跨度相差不大(4)斜风来流是最不利的来流工况,在30°和60°风向角来流情况下,圆拱型、尖顶型和Venlo型温室屋面来流直接接触的转角后方形成了局部高负压区域,且比0°和900明显增大。(5)不同屋盖形式对相同风荷载的敏感性不同。三种不同类型温室中,尖顶型温室对风荷载的敏感程度最小,而圆拱型温室对风荷载的敏感程度最大,Venlo型温室则居于两者之间。
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