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《风荷载的CFD数值模拟》可供建筑结构设计人员、建筑科学研究人员和高等院校土木工程专业的师生参考使用。
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顾磊和潘亮等编著的《风荷载的CFD数值模拟》以体育场和膜结构为例,详细介绍了用计算流体力学(CFD)数值模拟法来分析计算复杂体型大跨度空间结构的风荷栽体形系数方面的内容。全书共分3个部分:第1部分舍第1章,介绍了风荷栽标准值的计算、湍流特性和计算流体力学CFD基础理论;第2部分含第2章~第4章。进行了4种典型体型体育场罩棚风场的CFD模拟,归纳出风压系数取值图供设计选用,总结了罩棚风压分布规律,分析了罩棚倾角和连接开缝时风荷栽的影响,并以奥运网球中心为例进行了详细剖析;第3部分含第5章~第7章,分别是常见的单片膜结构以及它们的组合体的风荷载CFD模拟,归纳出风压系敷取值圈供设计选用,最后给出了两个复杂膜结构分析实例。
中国规定的基本风压w0 以一般空旷平坦地面、离地面10米高、风速时距为10分钟平均的最大风速为标准,按结构类别考虑重现期(一般结构重现期为30年,高层建筑和高耸结构为50年,特别重要的结构为100年)...
门钢规范前面有该规范的适用条件,除此之外用荷载规范,一家之言^_^
对建筑的影响是使建筑产生侧向变形,风大时产生振动,(主要是对高层建筑的影响)。主要由基本风压,风压高度变化系数,风荷载体形系数,风振系数。这些系数和所在地的风的大小,建筑高度,建筑的外形,和地区粗糙度...
建筑结构风荷载数值模拟研究
介绍了线性滤波法和谐波叠加法两种脉动风时程的模拟方法。并利用Madab语言,编制了谐波叠加法脉动风速时程数值模拟程序。通过对某211.5m高的框架剪力墙结构算例分析,结果表明:脉动风速的大小随高度的增大而逐渐减小,结构下部风振作用的脉动特性强于上部:不同高度之间的脉动风速时程相关性随着它们之间的距离越近相关性越好;不同工况下同一高度处脉动风速时程随着基本风压的提高而提高;Davenport目标功率谱与文章模拟功率谱的在高频区的高度吻合可为高层建筑结构风振响应分析提供精度保证。
球形建筑风荷载及风流场的数值模拟
采用数值模拟方法对一处于设计方案阶段的球形高层建筑的表面风压及周围风流场进行了计算分析,获得了该类建筑与典型钝体高层建筑所不同的风压分布特性及周围风流场特性,例如球面背风区下侧的对称涡漩脱落现象,背风区中心线附近的局部正压作用等。在对不同风向角下的风压分布规律进行分析的基础上,给出了建筑物在最不利风向角下的最不利截面上的风压系数分布曲线,为该建筑方案抗风性能的鉴定及最终方案的确定提供了依据。
CFD在暖通空调工程的应用始于1974年,国外在这方面发展较快,目前国内也有一些大学或科研机构在对此进行研究。就其研究方向而言,主要可分为两方面:基础研究和应用研究。目前,美国、欧洲、日本等发达国家对CFD的基础和应用研究都处于领先水平,我国的清华大学等也有较为独特的研究方向。下面简要介绍。
目前CFD在暖通空调工程的应用基础研究方面,主要有如下新动态:
(1)室内空气流动的简化模拟:美国MIT,从描述空调风口入流边界条件的方法、湍流模型等方面进行研究,以对室内空气流动进行简化模拟;中国清华大学,研究空调风口入流边界条件的新方法、湍流模型以及数值算法,建立室内空气流动数值模拟的简捷体系;
2)室内外空气流动的大涡模拟:美国MIT、日本东京大学,研究大涡模拟这一高级湍流数值模拟技术在室内外空气流动模拟中的应用,目前已经开始尝试用于建筑小区和自然通风模拟等;
(3)室内空气流动模拟和建筑能耗的耦合模拟:美国MIT,通过将简化的CFD模拟方法和建筑能耗计算耦合对建筑环境进行设计;
(1)自然通风的数值模拟:美国MIT、香港大学等,主要借助大涡模拟工具研究自然通风问题;
(2)置换通风的数值模拟:美国MIT、丹麦Aalborg大学、中国清华大学等,如地板置换通风、座椅送风等;
(3)高大空间的数值模拟:中国清华大学等,以体育场馆为主的高大空间的气流组织设计及其与空调负荷计算的关系研究;
(4)VOC散发的数值模拟:美国MIT等,借助CFD研究室内有机散发污染物在室内的分布,研究室内IAQ问题;
(5)洁净室的数值模拟:中国清华大学等;对型式比较固定的洁净室空调气流组织形式进行数值模拟,指导工程设计;2100433B
CFD用于解决以下几类暖通空调工程的问题。
通风空调空间的气流组织直接影响到其通风空调效果,借助CFD可以预测仿真其中的空气分布详细情况,从而指导设计。通风空调空间通常又可分为:普通建筑空间,如住宅、办公室、高大空间等;特殊空间,如洁净室、客车、列车及其它需要空调的特殊空间。利用CFD设计的某体育馆高大空间和某空调客车内部的气流组织结果中,用色调的暖冷表示温度的高低,矢量箭头的长短表示速度的大小,将空调空间内的流场形象直观地表示出来。
建筑外环境对建筑内部居者的生活有着重要的影响,所谓的建筑小区二次风、小区热环境等问题日益受到人们的关注。采用CFD可以方便地对建筑外环境进行模拟分析,从而设计出合理的建筑风环境。而且,通过模拟建筑外环境的风流动情况,还可进一步指导建筑内的自然通风设计等。
暖通空调工程的许多设备,如风机、蓄冰槽、空调器等,都是通过流体工质的流动而工作的,流动情况对设备性能有着重要的影响。通过CFD模拟计算设备内部的流体流动情况,可以研究设备性能,从而改进其更好地工作,降低建筑能耗,节省运行费用。
CFD是一种模拟仿真技术,在暖通空调工程中的应用主要在于模拟预测室内外或设备内的空气或其他工质流体的流动情况。以预测室内空气分布为例,目前在暖通空调工程中采用的方法主要有四种:射流公式,Zonal model,CFD以及模型实验。
由于建筑空间越来越向复杂化、多样化和大型化发展,实际空调通风房间的气流组织形式变化多样,而传统的射流理论分析方法采用的是基于某些标准或理想条件理论分析或试验得到的射流公式对空调送风***流的轴心速度和温度、射流轨迹等进行预测,势必会带来较大的误差。并且,射流分析方法只能给出室内的一些集总参数性的信息,不能给出设计人员所需的详细资料,无法满足设计者详细了解室内空气分布情况的要求;
Zonal model是将房间划分为一些有限的宏观区域,认为区域内的相关参数如温度、浓度相等,而区域间存在热质交换,通过建立质量和能量守恒方程并充分考虑了区域间压差和流动的关系来研究房间内的温度分布以及流动情况,因此模拟得到的实际上还只是一种相对"精确"的集总结果,且在机械通风中的应用还存在较多问题。
模型实验虽然能够得到设计人员所需要的各种数据,但需要较长的实验周期和昂贵的实验费用,搭建实验模型耗资很大,有文献指出单个实验通常耗资3000~20000美元,而对于不同的条件,可能还需要多个实验,耗资更多,周期也长达数月以上,难于在工程设计中广泛采用。
另一方面,CFD具有成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工况等独特的优点,故其逐渐受到人们的青睐。由表1给出的四种室内空气分布预测方法的对比可见,就目前的三种理论预测室内空气分布的方法而言,CFD方法确实具有不可比拟的优点,且由于当前计算机技术的发展,CFD方法的计算周期和成本完全可以为工程应用所接受。尽管CFD方法还存在可靠性和对实际问题的可算性等问题,但这些问题已经逐步得到发展和解决。因此,CFD方法可应用于对室内空气分布情况进行模拟和预测,从而得到房间内速度、温度、湿度以及有害物浓度等物理量的详细分布情况。
进一步而言,对于室外空气流动以及其它设备内的流体流动的模拟预测,一般只有模型实验或CFD方法适用。表1的比较同样表明了CFD方法比模型实验的优越性。故此,CFD方法可作为解决暖通空调工程的流动和传热传质问题的强有力工具而推广应用。
比较项目:
1、射流公式 |
2、ZONALMODEL |
3、CFD |
4、模型实验 |
|
房间形状复杂程度 |
简单 |
较复杂 |
基本不限 |
基本不限 |
对经验参数的依赖性 |
几乎 |
完全 |
很依赖 |
一些不依赖 |
预测成本 |
最低 |
较低 |
较昂贵 |
最高 |
预测周期 |
最短 |
较短 |
较长 |
最长 |
结果的完备性 |
简略 |
简略 |
最详细 |
较详细 |
结果的可靠性 |
差 |
差 |
较好 |
最好 |
适用性 |
机械通风,且与实际射流条件有关 |
机械和自然通风 |
一定条件机械和自然通风 |
机械和自然通风 |