基于FLUENT的建筑物风沙两相流场数值模拟

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1、--摘要摘要我国是沙尘天气频发地区，据粗略统计，我国每年因风沙危害造成的直接经济损失高达540亿元人民币。近年来，人们越来越意识到风沙研究的重要性。20世纪80年代，有研究者开始对风沙运动过程进行数值模拟，目前已提出了形式各异的模型。对于超高，大跨和轻质建筑物，结构对风作用的敏感性大大增强，致使风荷载成为此类建筑控制设计的主要荷载之一。目前，土木工程领域利用CFD方法研究风沙共同作用下建筑物表面的风荷载还非常少见。本文正是基于商业CFD软件FLUENT，对风沙共同作用下建筑物周围风场作了数值模拟。在建筑物静风荷载的模拟研究中，首先确定了湍流模拟方法——剪切应力模型(SST

2、)。然后分别对两种典型模型：AIJ模型和CAARC模型的数值模拟结果与风洞试验结果进行了对比分析，得出数值模拟结果与风洞试验结果有很好的一致性，证明了利用CFD方法模拟建筑物表面风压的准确性。在建筑物风沙荷载的模拟研究中，首先，根据我国建国四十多年来的风沙天气统计报告，选用北京地区和甘肃地区发生的最大沙尘暴统计结果，确定了大气气溶胶的质量浓度极大值，沙粒的折算粒径，沙粒密度等。其次，在静风荷载结果的基础上加入第二相(颗粒相)，假设沙粒浓度均匀分布，沙粒相与气体相没有相对滑移，且沙粒相与气体相单向耦合，即沙粒相对气体相无作用。最后，根据模拟结果进行对比分析：根据沙粒浓度不同

3、，风速不同，对AIJ模型和CAARC模型的表面风压以及沙粒沉积进行了研究，验证了CFD在模拟两相流方面的可行性。关键词计算风工程；数值模拟；风沙两相流；表面风压；FLUENT-I------哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractChinaisaregionoffrequentsandstormweather,accordingtotheroughly statistics,theannualdamagecausedbysandstormsagainstdirecteconomiclossesis upto5.4billionyuan.Moreandmorepeop

4、leareawareoftheimportanceof sandstormresearch.Inthe1980s,someresearchershavestartedtoresearchethe sandstormmovementnumericalsimulation.Inthecurrent,manymodelformshave beenproposed.Forhigh,long-spanbuilding,thewindeffectonthethestructureshas beengreatlyenhanced,resultinginwindloadcontrolde

5、signofbuildingsasone majorload.Atpresent,inthecivilengineeringfield,theuseofCFDmethodsto studytheeffectsofWind-Blown-Sandloadonthesurfaceofbuildingsisveryrare. ThisarticleisbasedoncommercialCFDsoftwareFLUENT,researchingofthe numericalsimulationofwindloadsonthesurfaceofbuildingandWind-Blow

6、n-Sand TwoPhaseFlowfieldaroundthebuilding.Inthecaseofthenumericalsimulationofwindloadsonthesurfaceof building,firstofall,determiningthesimulationofturbulencemodel-shearstress model(SST).Secondly,AIJmodelCAARCmodelandnumericalsimulationresults ofwindtunneltestsandtheresultswerecomparedanda

7、nalyzedtheresultsof numericalsimulationandwindtunneltestresultshaveagoodconsistencytoprove thattheuseofCFDsimulationofthesurfaceofbuildingstheaccuracyofthewind. Inthecaseofthenumericalsimulationoftheloadofwind-blown-sandtwo phaseflowofbuilding,firstofall,accordingto