倒角和切角措施对方柱表面风荷载影响的大涡模拟研究

来源 :河南工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:initialD2004
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方柱广泛应用于各种建筑、桥梁等结构,是工程领域最为常见的柱体形式之一,由于其断面形式简单且分离点位置确定,一直是计算流体动力学的主要研究对象,方柱绕流问题也是钝体绕流基础问题;气动优化措施是降低该类结构风荷载和风致振动的一种有效方法,因为其相对比较容易通过控制流动分离来降低结构风荷载和控制风致响应,以及改变周围风环境。倒角和切角是方柱流动控制中的两种常用气动措施,本文基于大涡模拟方法,研究倒角、切角措施对方形截面超高层建筑风荷载的影响,从流场角度分析其影响机理,主要内容如下:(1)倒角和切角措施对准三维方柱风荷载影响的大涡模拟研究。对均匀流场中准三维标准方柱进行大涡模拟,分析其表面风压系数和气动力系数变化规律,通过与既有文献试验和数值模拟结果进行对比分析,验证本文数值模拟方法及参数设置的有效性;进行准三维倒角、切角方柱非定常绕流大涡模拟,研究角部处理措施和风向角等对方柱风荷载的影响规律,从方柱周围时均和瞬态流场角度分析其对方柱风荷载的影响机理。研究结果表明:倒角和切角措施均能显著减弱方柱表面风压,风向角改变了方柱表面高压和低压区域的分布,且角部处理措施和风向角均明显改变了方柱周围分离涡的数量、形态、位置及尺寸。(2)紊流边界层风场大涡模拟入流脉动合成方法研究。基于大气边界层自保持边界条件,对Fluent内置涡合成方法进行了参数标定及改进,以紊流边界层风场内三维方形截面超高层建筑为研究对象,进行非定常绕流大涡模拟,从平均风剖面、湍流度剖面、脉动风速谱等风场参数,以及结构表面风压系数等方面,与风洞试验进行对比分析,验证本文大涡模拟入流脉动合成方法的有效性、适用性及精度。结果表明:Fluent内置涡合成方法采用合适的涡量数,结合大气边界层自保持边界条件,作为大涡模拟入流脉动边界条件,可以较准确、便捷地重现紊流边界层风场特性,且能够准确预测结构表面的平均和脉动风压系数分布,是一种有效的大涡模拟入流脉动合成方法。(3)倒角和切角措施及风向角对紊流边界层风场内三维方形截面超高层建筑风荷载影响的大涡模拟研究。采用本文验证过的大涡模拟方法及参数,对经角部处理后的三维方形截面超高层建筑进行大涡模拟,从测点风压系数和结构表面整体风压分布等方面,分析气动外形和风向角对结构表面风荷载的影响规律;结合结构周围时均和瞬时流场分析,研究其影响机理。研究表明:倒角和切角措施及风向角均明显改变了方柱表面风压的大小和分布区域,且改变了方柱侧面分离涡形态、背风面对称涡的涡核心距及涡核心距壁面距离,从而使得结构风荷载有所减小,尤其是结构侧面和背风面区域。
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