建筑结构风荷载与风环境数值模拟仿真研究与工程应用

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1、VoI．1NO．1第1卷第1期2009年9月Sep．2009建筑结构风荷载与风环境数值模拟仿真研究与工程应用杨易金新阳杨立国(中国建筑科学研究院风工程研究中心，北京100013)【摘要】本文首先对建筑结构风工程数值模拟方法的特点做了简明介绍；接着提炼了风工程数值模拟研究的几个基础问题包括湍流模型与数值参数影响、平衡边界层的数值模拟、复杂建筑结构的数值风洞建模等，介绍了这方面的最新研究进展和成果；然后，结合建筑工程实践，概述了风工程数值模拟方法在解决复杂建筑结构风荷载与风环境等问题中研究和应用成果；最后，对风工程数值模拟研究做了展望。其

2、中许多成果为作者在研究和实践中的提炼和总结，对从事建筑结构风工程数值模拟研究具有一定参考价值。【关键词】计算流体动力学；计算风工程；湍流模型；平衡边界层；风荷载；建筑风环境【中图分类号】TU023TP391．9【文献标识码】A【文章编号】1674—7461(2009)(】l一0029—062004)(注：即本文第一作者，下同)。1前言由于钝体分离流动的复杂性，使得采用CFD数值方法进行建筑结构风工程数值模拟仿真面临风洞试验是目前进行复杂建筑结构抗风研究困难，计算结果精度受到诸多因素的影响。风工程的主要手段。除风洞试验这一传统的研究方法

3、外，数值模拟误差基本上可以分为两大类，一类是由于20世纪80年代以来，风工程研究者开始采用基于数值模型本身引起的，如湍流模型的构造、边界条计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics，件的定义等；另一类是由于数值迭代误差引起的，CFD)技术的数值模拟方法来研究大气边界层中的如计算域设置、网格离散方式、离散格式的截断误建筑结构钝体绕流问题，从而形成一门新兴的交叉差、压力一速度解耦算法等。学科——计算风工程(ComputationalWindEngineer—ing，CWE)，并成为近30年来国内外结构风工程研2建

4、筑结构风工程数值模拟技术究的热点。相对于试验研究方法，建筑结构风工程的数值模拟技术具有的优势是明显的：①数值模拟2．1湍流模型与数值参数选择费用省、周期短、效率高；②数值模拟可以方便地变基于通常流线体流动规律适用的湍流模式对化各种参数，以探讨各种参数变化对结构抗风性能于这类特殊的流动现象将可能不再适用。在建筑的影响，这一点在初步设计中极为重要；③基本不风工程数值模拟研究中，如何选取和构造适当的湍受结构尺度和构造的影响，可以尽可能真实地模拟流模型，以准确反映钝体绕流呈现的大范围分离湍实际结构的构造以及所处的大气边界层风场环境；流流动、显

5、著各项异性流动特征将是一个关键的研因为不受模型尺度的影响，因此可以进行全尺度模究问题。拟，克服试验中难以满足雷诺数相似的困难。④数目前在计算风工程研究中，基于雷诺平均值模拟的结果可以利用丰富的可视化工具，提供风(RANS)的湍流模式仍是工程应用的主流。标准k．s洞试验不便或无法提供的绕流流场信息(杨伟，模型由于引人各向同性和涡粘性假设，不能很好地预【基金项目】国家自然科学基金项目(50708014)、国家科技支撑计划(2006BAJ02A05)【作者简介】杨易(1975一)，男，博士，副研究员；E-mail：yangyi@cabrte

6、ch．con30测钝体顶部的分离区和过高预测迎风面顶部湍动能计算风工程数值模拟中平衡边界层的自保持性要生成项，因此，计算风工程界一般都认为标准k—s求，其实质是数学模型中所定义的人流边界条件与模型不太适合模拟钝体绕流流场中的冲撞和分离现采用的模型方程相协调的问题。基于这一新的认象。文献给出了6种湍流模型预测方柱建筑处于识，从RANS方法中最常用的标准k-8湍流模型出流动分离区的顶面上的平均压力系数云图与实测结发，通过理论推导，求出湍流模型方程的近似解；并果的比较J。结果显示，不同湍流模型之间预测的结在此基础上提出一类新的模拟平衡大气边

7、界层的果相差明显；相对而言，RNGk-e模型、SSTk。∞模型来流湍流边界条件'm。，见式(1)一(3)或(4)一和v一f模型模拟方柱顶面分离流动结果较好，较好地(6)式。预测出两边角位置出现的分离角涡，和试验结果较接(1)近。研究非定常的大涡模拟LES、离散涡模拟DES等去⋯湍流模式是今后的发展趋势。除湍流模式的不同外，在建筑结构风工程数值=志丐(2)模拟中，还需要对湍流模式中重要参数的取值进行仔细考虑，其对数值模拟结果的影响同样非常显OJ：=———二士——(3))K、，Cuz七zo著J。此外，非线性对流项离散格式，网格离散和流域设

8、置等数值参数都对计算结果产生影响。=(4)2．2平衡边界层的数值模拟在计算风工程研究中，对大气边界层(atmos．(O——二——(5)Czpheficboundarylayer，ABL)的正确模拟，是数值模拟研究的一项重