CFD在风荷载计算中的应用

流体机械 袁健 盐城工学院

  风荷载是结构抗风设计中的主要荷载,而现场实测、风洞试验、数?#30340;?#25311;是获取风荷载数据的主要方法。文章介绍了作用于结构上的大气边界层内风的特性、风荷载的特点以及风荷载的研究方法,讨论了在数?#30340;?#25311;中引入湍流模型的必要性,指出了目前计算流体动力学在结构风荷载计算中的进展并对今后的研究方向进行了展望。

  1940 年美国的Tacoma 悬索桥在平均风速仅为18.8 m/s 的大风作用下垮塌[1],引发了对风荷载及风响应的深入研究,到20 世纪60 年代中期,逐步形成了一门新的学科———风工程学。具体地说,它包括三个方面的研究内容:(1)结构风工程;(2)车、船风工程;(3)环境风工程。在风工程学科中,结构风工程问题作为学科发展的起源,始终处于核心的地位。

1、大气边界层内近地风特性

  大气边界层内风特性的研究是结构风工程研究的基础。大气边界层内近地层的气流是一种随机的湍流流动,目前仅对100 m 高度以下的地表层的风特性比较了解,通常将其分为平均风特?#38498;?#33033;动风特性来进行研究。对结构风荷载有重要影响的风特性参数有:平均风速剖面、脉动风的湍流强?#21462;?#28237;流积分尺?#21462;?#33033;动风功率谱密度函数、脉动风的空间相关函数。经过对不同高度风速的大量实测研究,一般认为平均风速沿高度的变化大体符?#29616;?#25968;规律。大气湍流是引起脉动风的重要原因,一般通过湍流强度和湍流积分尺度来描述,湍流强度反映了一定高度下脉动风速均方根与平均风速的比值,湍流积分尺度是气流中湍流旋涡平均尺寸的量?#21462;?/p>

  在应用随机振动理论计算脉动风速时,脉动风功率谱是必要的资料,目前国际上通用的功率谱有Davenport 谱、Harris 谱、Simiu 谱、Kaimal 谱。其中Davenport 谱、Harris 谱是通过不同离地高度的实测值取平均得到,所以不能反映风谱和高度变化,实际是10 m高度处的脉动风速谱。Simiu 谱、Kaimal 谱考虑了近地表层中湍流积分尺度随高度发生的变化,它们属于中性大气稳定度下的功率谱,其谱峰及峰值频率不尽相同。我国规范和工程应用上一般采用Davenport 风速谱。

2、结构风荷载及研究方法

  对于天线来说,风压是最主要的荷载。风荷载是一种具有随机性的动荷载,由于结构阻塞大气边界层气流的运动引起。在某一地点,风荷载是时间t 和坐标x(高度)的随机函数,而且往往具有非平稳性。一?#38382;?#38388;以来,国内外利用随机函数理论来研究随机荷载作用下结构的振动,但是随机性相?#22791;?#26434;,在解决实际问题时一般予以?#23454;?#31616;化。

  由于大多数工程结构表现为钝体,结构风工程研究的重点是钝体空气动力学,风绕结构的流动是湍流、分离流和三维流动,因此结构所受风荷载分别来自:来流的脉动、分离的剪切层、再附着的尾流脉动?#21462;?#27492;外,结构风致振动也可能引起附加荷载。风荷载一般包括顺风向力、横风向力和扭转力矩,并具有以下特点:

  (1)风荷载与空间位置及时间有关,受地形、地貌、周围建筑环境等因素影响;

  (2) 风荷载与结构的几何外形相关,结构不同部分对风敏感程度不同;

  (3)具有显著非线性特征的结构,风荷载可能产生流固耦合效应;

  (4)结构尺寸如果在多个方向比较接近,风荷载还需要考虑空间相关性。

  工程设计计算中风荷载一般以风压来表?#23613;?#30830;定风荷载的主要手段有现场实测、风洞试验和数?#30340;?#25311;等,如表1 所?#23613;?/p>

表1 天线风荷载研究方法比较

天线风荷载研究方法比较

  风洞试验、现场实测与数?#30340;?#25311;方法相结合,可发挥各自的优势。一方面,测试结果与数?#30340;?#25311;所得的数据相互对照,可验证数?#30340;?#25311;方法的?#34892;?#24615;与精度,同时减少风洞试验次数与现场测试工作量;另一方面,以风洞试验数据或实测资料为基础,获得脉动风速时程曲线,这是进行脉动风荷载计算的必要条件。

6、结束语

>  随着结构工程向长大化、高耸化、轻柔化以及外形复杂化发展,对风的敏感程度也越来越强,风荷载计算及其与结构间复杂的相互作用对结构抗风设计提出了巨大挑战,CFD 的飞速发展为结构风工程的研究带来了巨大的变革。为了解决在复杂环境下复杂结构的风荷载数值计算问题, 对现有的数?#30340;?#25311;理论和方法还应进行精细化的改进和发展。

  CFD 对结构平均风荷载的计算结果已经达到实用化程度,而对脉动风荷载进行计算的LES 才刚刚起?#20581;?#30001;于大气边界层近地风特性的复杂性,要在结构风工程领域完全依靠数值风洞计算风荷载从而进行结构优化设计,还需要结构工程、风工程、计算力学、气象学、计算机硬件技术等相关领域的进一步结合与发展。

参考文献

  [1] Davenport A G. The missing links [A]. Wind Engineering into 21st Century[C].Balkema:[s.n.],1999.
  [2] 苏铭德,黄素逸.计算流体动力学基础[M]. 北京:清华大学出版社.1997.
  [3] Selvem P R. Computation of pressures on Texas Tech University building using large eddy simulation[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,1997.