大跨镂空网格屋盖风荷载数值模拟研究

采用CFD数值模拟方法对大跨空间镂空网格屋盖结构风荷载进行了研究。首先,通过屋盖节段模型的风洞天平测力试验和数值模拟的对比,验证了数值模拟方法及结果的有效性;然后,着重对比分析了光伏板布置和底部建筑对屋盖风荷载的影响,并结合屋盖周围流场进行了影响分析;最后,给出了屋盖结构的整体风荷载和风压分布,并与屋盖原方案结果进行了对比。结果表明:CFD数值模拟方法可较好地应用于预测大跨镂空网格屋盖结构的平均风荷载。屋盖结构整体以水平风荷载为主;竖向风荷载主要为向上的风吸力,有利于结构的整体受力;屋盖表面存在较明显的局部风压不均匀现象,特别是下表面存在较大范围的局部风吸力,这些位置可能会引起光伏板的局部破坏;相对于光伏板布置,底部建筑对屋盖整体和局部风荷载均有显著影响,不仅增加了屋盖整体的竖向风吸力,而且也增大了屋盖下表面局部位置的风吸力。

上游切角对串列双方柱气动性能影响研究

串列双方柱气动干扰效应与方柱本身的绕流特征有很大的关系,方柱角部局部外形变化将对串列双方柱的气动干扰效应产生明显的影响,相关的研究仍较少。采用基于雷诺平均SST k-ω湍流模型的二维非定常绕流数值模拟方法,研究了上游方柱无、有切角(切角率10%)对串列双方柱气动性能的影响,通过间距比为2.0时无切角工况的数值模拟结果与文献试验结果的对比,验证了模拟方法及参数设置的有效性;根据升、阻力系数的对比分析,确定了上游无、有切角时串列双方柱的气动力突变临界间距比分别为4.6和4.1;对两临界间距比情况的无、有切角串列双方柱,分别进行了基于空间平均的三维非定常绕流大涡模拟,从风压分布角度详细分析了上游方柱切角处理对串列双方柱气动性能的影响,从方柱周围的时均和瞬态流场角度进行了机理分析。上游方柱切角后,在剪切层发生分离再附,尾流变窄,旋涡脱落更趋复杂,引起流场流态的变化,风压分布受到影响,方柱升、阻力系数降低,临界间距缩短。

倒角切角对方柱气动性能影响的大涡模拟研究

倒角和切角措施对方柱的气动力及流场影响很大,常作为方柱流动控制的手段,采用大涡模拟方法,以雷诺数22000的方柱为研究对象,考虑了角部措施(角部变化率10%)的影响,对均匀流场下标准方柱、倒角和切角方柱周围流场及气动性能进行了模拟研究。通过将标准方柱大涡模拟结果与相关文献的试验和数值模拟结果对比,验证了该方法及参数取值的有效性;研究分析了倒角和切角措施对方柱风压分布和气动力的影响,并着重从时均流场和瞬态流场角度分析了角部处理措施对方柱气动性能的影响机理。结果表明,倒角和切角措施对方柱表面风压分布和气动力均有一定影响,其中对方柱表面流动分离区的风压系数影响更为显著。采用角部处理措施后,方柱前缘角区的流动分离受到影响,分离剪切层扩散角更小,侧面的分离涡更贴近壁面,从而在方柱侧面形成再附,尾流变窄,旋涡脱落频率成分更为复杂,使得方柱的平均阻力系数更小,气动力脉动强度更弱,旋涡脱落频率更高、强度更弱。

Smagorinsky常数对扁平箱梁气动特性大涡模拟的影响研究

作为大涡模拟(LES)的唯一模型参数,经验Smagorinsky常数(C_(S))与特定的流动条件有关。为研究扁平箱梁气动特性LES的合理C_(S)取值,开展了C_(S)值在0.032~0.7范围以及动态亚格子黏性模型的多工况LES模拟,通过与风洞试验结果的对比,分析了主梁气动特性随C_(S)值的变化。研究认为:C_(S)值不同时主梁表面压力和气动力的平均值差别不明显,其结果也与风洞试验吻合良好;但C_(S)值的变化对主梁表面压力和气动力的均方根(RMS)值影响明显,结果也与风洞试验存在较大差异,C_(S)值增大导致气动力脉动降低甚至无脉动;LES采用动态亚格子黏性模型无法给出主梁涡脱和表面压力的合理估计。在0.064≤C_(S)≤0.27区间,LES均能给出与风洞试验一致的主梁涡脱单频和St值估计;从捕捉流动的非定常特性考虑,建议C_(S)在上述范围内取小值。研究认为,C_(S)增大导致亚格子湍流黏性增大,流动的耗散作用增强,降低了LES对非定常湍流特性的捕捉能力,导致模拟的气动力脉动量减小。

不同角部外形方柱涡激振动数值模拟研究

基于分区交错算法,通过数值模拟研究倒角、切角(角部修正率为10%)对方柱横风向涡激振动的影响,其中以来流平均风速和方柱边长定义的雷诺数为22000。采用Newmark-β算法求解结构运动方程,流体域采用SST k-ω湍流模型,网格更新采用弹簧光滑法,在Fluent软件平台采用UDF编程实现方柱涡激振动的数值模拟计算。首先,通过静止和运动标准方柱数值模拟结果与文献实验和数值模拟结果对比,验证所采用数值模拟方法及参数设置的有效性;然后,分析折减风速6.0~10.0内倒角、切角措施对方柱气动力和流固耦合振动响应的影响。结果表明:3种方柱均出现“锁定”现象,与标准方柱相比,切角和倒角方柱发生“锁定”现象的折减风速范围及振幅均有所增大,这是由于角部处理影响气流的流动分离,改变背风面分离涡及周围流场,进而影响涡旋脱落频率和气动力所致。