CN111079330A - 一种考虑流固耦合效应的大跨度膜结构抗风设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大跨度开合结构考虑风致干扰效应的抗风设计方法，首先建立计算模型和计算域；之后，设置求解器，包括流场计算部分和结构域计算部分，流体的计算结果就导入到结构域中，导入流场计算数据到结构场进行流固耦合计算。本发明利用计算机数值模拟方法，以大跨度膜结构自身以及大跨度膜结构在干扰建筑物干扰时的风致干扰效应进行了不同湍流模型不同风向角下流固耦合作用下的风压系数分布规律的研究。基于方面对其进行了全面的模拟试验，对实际工程起到了借鉴作用。
Description
技术领域
本发明属于建筑行业屋盖结构抗风设计领域，具体涉及一种考虑流固耦合效应的大跨度膜结构抗风设计方法。
背景技术
大跨度膜结构凭借丰富多变的外观造型成为大跨度屋盖结构的主要形式之一。国内外许多著名的标志性建筑的结构形式都采用了大跨度膜结构的形式。大跨度膜结构是典型的风敏感结构，风荷载是大跨度膜结构的主要控制荷载。目前国内外大跨度膜结构抗风设计理论尚不成熟，其中风与膜结构的流固耦合作用成为了限制膜结构抗风设计理论发展的瓶颈，成为大跨度膜结构抗风设计亟需解决的重点问题之一。同时在城市化高速进行的今天，大跨度膜结构大多不是独立存在的，其周围的已有建筑或新建建筑会影响大跨度膜结构周围的风场分布，产生风致干扰效应，进而改变膜结构周围的风场分布。但目前对类似膜结构这类柔性建筑物的风致干扰效应的研究还十分有限。为此，本发明研究考虑流固耦合作用的大跨度膜结构的风致干扰效应，揭示大跨度膜结构在周围建筑物干扰下的风压分布特性和流固耦合作用机理，以期对此类柔性建筑的抗风设计和工程实践提出有益的参考。
随着计算机硬件水平的迅速发展和计算流体力学理论的不断完善，数值模拟成了继风洞试验之后的重要研究手段，因此也成为了大跨度等建筑结构抗风研究的重要手段之一。数值模拟法最大的优点就是解决了现场实测法只能研究某种特定的自然条件下的风压分布和风洞试验费用高并且试验需要的时间长等缺陷。数值模拟法可以快捷的改变各种变量，试验精度高，并且可以清楚地显示模拟数据，现在已经成为研究人员应用最为普遍的一种研究建筑结构风压分布的手段。
目前，用数值模拟技术对结构风压特性的研究国内外已有部分学者开展了研究，并取得了一定成果。但是目前国内利用数值模拟的手段研究大跨度膜结构风压分布和风致干扰效应的研究还相对较少。因此，利用数值模拟的手段研究大跨度结构风压分布和风致干扰效应是很有意义的工作。
发明内容
如背景技术所述，目前国内外大跨度膜结构抗风设计理论尚不成熟，其中风与膜结构的流固耦合作用成为了限制膜结构抗风设计理论发展的瓶颈，针对不足，本发明提出一种考虑流固耦合效应的大跨度膜结构抗风设计方法。
一种考虑流固耦合效应的大跨度膜结构抗风设计方法，包括以下步骤：
步骤1：选取大跨度膜结构和干扰建筑，分别建立模型，在ICEM软件中进行网格划分；
步骤2：设置计算域，根据模型尺寸确定合理的计算域尺寸；
所述的一种考虑流固耦合效应的大跨度膜结构抗风设计方法，其特征在于，所述的合理的计算域尺寸为：设计算模型直径为R，大跨度膜结构和干扰建筑物之中的最大高度为Hmax，计算域尺寸为20R×10R×10Hmax，大跨度膜结构屋盖放置在来流方向的三分之一的位置，可以消除人为设置的出口的边界的限制。
步骤3：本发明中对大跨度膜结构在周围无干扰建筑物时风压分布研究中采用ICEM划分为结构化网格，对于周围有干扰建筑物的情况下使用ICEM划分为非结构网格，所有情况下都对靠近模型的部分进行网格加密处理，并且设置增长因子；
所述的一种考虑流固耦合效应的大跨度膜结构抗风设计方法，其特征在于，所述的将大跨度膜结构网格划分的具体方法为：在无干扰建筑物时划分为结构化网格，反之，划分为非结构网格，所有情况下都对靠近模型的部分进行网格加密处理，并且设置增长因子。
步骤4：在界面Boundary Conditions中设置边界条件；在Solution面板中Pressre-Vecolity Coupling Scheme中选择SIMPLEC算法；Solution control面板中控制方程中的对流项选择Second Order Upwind，扩散项采用二阶精度的中心差分格式离散；Monitors面板中选择Residuals，以均方根残差小于10-4作为迭代计算的收敛标准；
所述的一种考虑流固耦合效应的大跨度膜结构抗风设计方法，其特征在于，所述的在界面Boundary Conditions中设置边界条件的具体方法为：将入风口设置为速度入口Inlet，出风口设置成Outlet，计算域的侧壁和顶壁设置成自由滑移壁面(Free SlipWall)，计算域的底面定义为无滑移壁面(No Slip Wall)，大跨度膜结构屋面设置为无滑移壁面(No Slip Wall)，并且定义为流固耦合面(Specific Displancement)。
步骤5：流体计算部分在Fluent中采用雷诺平均法提供的三种不同的湍流模型进行计算，通过对大跨度膜结构屋盖在无干扰建筑时和有干扰建筑物干扰时，不同风向角和不同风速进行模拟，得到不同工况下的大跨度膜结构屋盖风压分布数据；
所述的一种考虑流固耦合效应的大跨度膜结构抗风设计方法，其特征在于，所述的湍流模型为：Standard k-ε模型、RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型。
所述的一种考虑流固耦合效应的大跨度膜结构抗风设计方法，其特征在于，所述的得到不同工况下的大跨度膜结构屋盖风压分布数据的具体方法为：选择有无干扰建筑时，通过控制风向角和风速进行模拟。
步骤6：在结构域计算部分中，在Workbench中定义结构流固耦合界面S-Fsi；在Analysis System中选择Static Structural添加到Project Schematic中，并与FluidFlow(Fluent)中的Solution连接，这样一来流体的计算结果就可以导入到结构域中；在Engineering Data中将添加膜材，并且添加膜材的密度、泊松比以及弹性模量；在Model中的Geometry模块选取Suppress Body选项抑制流域计算，结构场网格选取mesh→insert→sizing，定义网格尺寸。在Fixed Support中CFD Surface中选择S-Fsi流固耦合面；在Imported Load中选择Pressure导入流场计算数据到结构场进行流固耦合计算；
所述的一种考虑流固耦合效应的大跨度膜结构抗风设计方法，其特征在于，所述的流体的计算结果导入到结构域的具体方法为：在Workbench中定义结构流固耦合界面S-Fsi，在Analysis System中选择Static Structural添加到Project Schematic中，并与Fluid Flow(Fluent)中的Solution连接。
步骤7：利用上述数值模拟方法得出的数据，制作风压系数折线图和风压系数云图，并且进行对比分析，从基于不同湍流模型、干扰建筑物与大跨度膜结构之间的间距、风向角和干扰建筑物的数量等方面总结出风致干扰效应对大跨度膜结构风压分布的影响。
所述的一种考虑流固耦合效应的大跨度膜结构抗风设计方法，其特征在于，所述的处理数值模拟方法得出的数据的具体方法为：绘制大跨度膜结构屋盖表面平均风压系数对比图和风压分布云图，通过对比分析得到考虑流固耦合作用的大跨度膜结构表面风压分布，总结考虑流固耦合效应的大跨度膜结构屋盖表面风压分布特性，对不同工况下的大跨度膜结构屋盖，找到最大风压系数负值出现的位置和受风吸力控制的区域。
本发明的有益效果是：
本发明研究考虑流固耦合作用的大跨度膜结构的风致干扰效应，揭示大跨度膜结构在周围建筑物干扰下的风压分布特性和流固耦合作用机理，以期对此类柔性建筑的抗风设计和工程实践提出有益的参考。
通过数值模拟得到考虑流固耦合作用的大跨度膜结构表面风压分布。总结考虑流固耦合效应的大跨度膜结构屋盖表面风压分布特性。并且分析大跨度膜结构屋盖表面的风压分布，对不同工况下的大跨度膜结构屋盖，找到最大风压系数负值出现的位置和受风吸力控制的区域并以此为基础，与周围有干扰建筑物的大跨度膜结构屋盖风压分布进行对比分析，从而起到对实际工程的借鉴作用。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中流固耦合分析计算过程数值模拟流程图；
图2为本发明具体实施方式中目标建筑和干扰建筑物模型图；
其中，(a)为干扰建筑物图；(b)为大跨度膜结构屋盖图；
图3为本发明具体实施方式中流场网格划分模型图；
图4为本发明具体实施方式中风向角示意图；
其中，(a)为0°风向角图；(b)为45°风向角图；
图5为本发明具体实施方式中有一个干扰建筑的流场网格划分图；
其中，(a)为0°风向角图；(b)为45°风向角图；
图6为本发明具体实施方式中有两个干扰建筑的流场网格划分图；
其中，(a)为0°风向角图；(b)为45°风向角图；
图7为本发明具体实施方式中结构场网格；
图8为本发明具体实施方式中流场计算结果作用于结构场矢量图图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施例加以详细的说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
请参考图1，图一所示为本发明数值模拟简要流程图。本发明提出一种考虑流固耦合效应的大跨度膜结构抗风设计方法，包括以下步骤：
步骤1：选取大跨度膜结构和干扰建筑，分别建立模型，在ICEM软件中进行网格划分；
本实施例的目标建筑为半球形大跨度膜结构，干扰建筑为矩形建筑，分别建立模型，在ICEM软件中进行网格划分。模型按照1：100的比例进行缩小，具体流场模型尺寸见表1，结构模型见图2。
表1流场模型尺寸
步骤2：设置计算域，根据模型尺寸确定合理的计算域尺寸；
计算域尺寸的大小对流场分析结果的准确度有着重大的影响，因此根据模型尺寸确定合理的计算域尺寸有利于提高数值模拟的计算精度。设计算模型直径为R，大跨度膜结构和干扰建筑物之中的最大高度为Hmax。为了有效避免出口流体回流导致数值模拟不收敛，通常计算域长度选取20R，计算域宽度选取10R,高度选取10Hmax，按照上述尺寸建立计算域，计算域尺寸为20R×10R×10Hmax，通过计算可得阻塞率小于0.03，满足计算要求。根据有关资料显示，大跨度膜结构屋盖放置在来流方向的三分之一的位置处有利于湍流的充分发展，可以消除人为设置的出口的边界的限制。
表2外流场尺寸表
步骤3：本发明中对大跨度膜结构在周围无干扰建筑物时风压分布研究中采用ICEM划分为结构化网格，对于周围有干扰建筑物的情况下使用ICEM划分为非结构网格，所有情况下都对靠近模型的部分进行网格加密处理，并且设置增长因子；
对大跨度膜结构在周围无干扰建筑物时风压分布研究中采用ICEM划分为结构化网格，对于周围有干扰建筑物的情况下使用ICEM划分为非结构网格，所有情况下都对靠近模型的部分进行了网格加密处理，并且设置增长因子，使网格由模型向外逐渐由密集变为稀疏，这样一来既可以保证计算精度，又可以提高计算速度。结构化和非结构化网格划分见图3。
步骤4：在界面Boundary Conditions中设置边界条件；在Solution面板中Pressre-Vecolity Coupling Scheme中选择SIMPLEC算法；Solution control面板中控制方程中的对流项选择Second Order Upwind，扩散项采用二阶精度的中心差分格式离散；Monitors面板中选择Residuals，以均方根残差小于10-4作为迭代计算的收敛标准；
步骤4.1：风从x轴负方向向正方向吹来。在界面Boundary Conditions中设置边界条件，将入风口设置为速度入口Inlet，出风口设置成Outlet，计算域的侧壁和顶壁设置成自由滑移壁面(Free Slip Wall)，计算域的底面定义为无滑移壁面(No Slip Wall)，大跨度膜结构屋面设置为无滑移壁面(No Slip Wall)，并且定义为流固耦合面(SpecificDisplancement)。
步骤4.2：在Solution面板中Pressre-Vecolity Coupling Scheme中选择SIMPLEC算法。Solution control面板中控制方程中的对流项选择Second Order Upwind，扩散项采用二阶精度的中心差分格式离散。Monitors面板中选择Residuals，以均方根残差小于10-4作为迭代计算的收敛标准，此时流场内进入稳定状态，能够保证计算精度。
步骤5：流体计算部分在Fluent中采用雷诺平均法提供的三种不同的湍流模型进行计算，通过对大跨度膜结构屋盖在无干扰建筑时和有干扰建筑物干扰时，不同风向角和不同风速进行模拟，得到不同工况下的大跨度膜结构屋盖风压分布数据；
流体计算部分在Fluent中采用雷诺平均法提供的三种不同的湍流模型：Standardk-ε模型、RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型进行计算，通过对半球形的大跨度膜结构屋盖在无干扰建筑时和有干扰建筑物干扰时，0°、45°两种风向角(图4为风向角示意图)和10m/s、15m/s和20m/s三种风速进行模拟，得到不同工况下的大跨度膜结构屋盖风压分布数据。干扰建筑物位于大跨度膜结构屋面流场的上游位置并且设置了0.5m、1m、2m三种大跨度膜结构屋面与干扰建筑物的间距(图7为)。选取0°和45°两种风向角，0°风向角从X轴负方向吹向正方向，风通过干扰建筑物后水平吹向大跨度膜结构屋面结构。通过将干扰建筑物旋转45°实现45°风向角，45°风向角下，风从X轴负方向吹向正方向，风通过旋转了45°的干扰建筑后水平吹向大跨度膜结构屋面结构。测点沿着风吹入的方向在大跨度膜结构屋面的中轴线按照100毫米的间距均匀布置，共10个。
步骤6：在结构域计算部分中，在Workbench中定义结构流固耦合界面S-Fsi；在Analysis System中选择Static Structural添加到Project Schematic中，并与FluidFlow(Fluent)中的Solution连接，这样一来流体的计算结果就可以导入到结构域中；在Engineering Data中将添加膜材，并且添加膜材的密度、泊松比以及弹性模量；在Model中的Geometry模块选取Suppress Body选项抑制流域计算，结构场网格(图5)选取mesh→insert→sizing，定义网格尺寸。在Fixed Support中CFD Surface中选择S-Fsi流固耦合面；在Imported Load中选择Pressure导入流场计算数据到结构场进行流固耦合计算(图6)；
步骤7：利用上述数值模拟方法得出的数据，制作风压系数折线图和风压系数云图，并且进行对比分析，从基于不同湍流模型、干扰建筑物与大跨度膜结构之间的间距、风向角和干扰建筑物的数量等方面总结出风致干扰效应对大跨度膜结构风压分布的影响。
本发明具体实施例的研究依据半球形的大跨度膜结构屋盖在不同数量和不同间距的干扰建筑物干扰时大跨度膜结构屋盖的风压分布特性研究展开，从基于不同湍流模型、干扰建筑物与大跨度膜结构之间的间距、风向角和干扰建筑物的数量等方面对其进行了全面的模拟试验，主要研究成果有以下几个方面：
(1)通过数值模拟得到了考虑流固耦合作用的半球形的大跨度膜结构表面风压分布。总结了考虑流固耦合效应的大跨度膜结构屋盖表面风压分布特性。并且分析大跨度膜结构屋盖表面的风压分布，对不同工况下的大跨度膜结构屋盖，找到最大风压系数负值出现的位置和受风吸力控制的区域并以此为基础，与周围有干扰建筑物的大跨度膜结构屋盖风压分布进行对比分析，从而起到对实际工程的借鉴作用。
(2)研究了一栋施扰建筑物干扰的并且采用不同间距时大跨度膜结构屋盖表面风压规律和风致干扰效应的影响。得到了施扰建筑物与大跨度膜结构在间距500mm、1000mm和2000mm时的大跨度膜结构的表面风压分布特性。发现随着大跨度膜结构与施扰建筑物之间间距的增大，遮挡效应逐渐减小，干扰效应随着干扰距离的增大而减小。并且与无干扰建筑物时的风压分布特性进行对比，发现大跨度膜结构屋盖在间距500mm、1000mm和2000mm时，整体风压分布形态变化显著。并且随着间距的增大，屋盖结构的风压系数逐渐增大且0°风向角时风压分布形态趋近于无干扰建筑物时。不同风向角对大跨度膜结构风压分布影响很大。
(3)研究了两栋施扰建筑物干扰的大跨度膜结构表面风压分布特性和风致干扰效应的影响。研究了在Sx/b＝2时，Sy＝4b和8b时(定义干扰建筑物之间的间距为Sx，干扰建筑物与大跨度膜结构之间的间距为Sy)，屋盖表面的风压分布特性。发现两种间距下，屋盖表面整体风压系数都小于无干扰建筑时，在Sy＝4b时，风压分布形态与无干扰建筑物相比时存在较大差异，但在Sy＝8b时，屋盖表面的风压分布形态与无干扰建筑物时的整体分布相近。并且得到了这两种间距下的大跨度屋盖结构表面的风压分布特性，找出了屋盖结构表面的最大风吸力出现的区域，并且对比了两种间距下的大跨度屋盖结构的表面风压系数和无干扰建筑物时屋盖结构的风压系数分布，发现无论有无干扰建筑物的干扰，屋盖结构顶部都处于风吸力的控制下，并且在Sy＝4b时0°风向角风吸力强度大于无干扰建筑物时。
(4)针对数值模拟中基于雷诺平均法的三种湍流模型进行分析。发现三种湍流模型对大跨度膜结构屋盖风致干扰效应存在较小差异但是对风致干扰效应影响不明显。
(5)针对0°和45°风向角作用时对大跨度膜结构屋盖的影响做了全面分析。发现在一栋干扰建筑物干扰下，间距为500mm和1000mm的情况下，屋盖结构表面的风压系数分布受到的风向角的影响较大，并且45°风向角下屋盖结构受到的风致干扰效应更为突出。而当间距到2000mm时，屋盖结构表面的风压系数分布受到的风向角的影响减小，屋盖结构表面的风压分布在整体形态上与无干扰建筑物时很大区域上相近。同时发现在两栋并排干扰建筑物干扰下，Sx/b＝2，Sy＝4b时，屋盖表面的风压系数分布受风向角影响更大，并且45°风向角下，干扰效应更为显著。
Claims (8)
1.一种大跨度开合结构考虑风致干扰效应的抗风设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：选取大跨度膜结构和干扰建筑，分别建立模型，在ICEM软件中进行网格划分；
步骤2：设置计算域，根据模型尺寸确定合理的计算域尺寸；
步骤3：本发明中对大跨度膜结构在周围无干扰建筑物时风压分布研究中采用ICEM划分为结构化网格，对于周围有干扰建筑物的情况下使用ICEM划分为非结构网格，所有情况下都对靠近模型的部分进行了网格加密处理，并且设置增长因子；
步骤4：在界面Boundary Conditions中设置边界条件；在Solution面板中Pressre-Vecolity Coupling Scheme中选择SIMPLEC算法；Solution control面板中控制方程中的对流项选择Second Order Upwind，扩散项采用二阶精度的中心差分格式离散；Monitors面板中选择Residuals，以均方根残差小于10-4作为迭代计算的收敛标准；
步骤5：流体计算部分在Fluent中采用雷诺平均法提供的三种不同的湍流模型进行计算，通过对大跨度膜结构屋盖在无干扰建筑时和有干扰建筑物干扰时，不同风向角和不同风速进行模拟，得到不同工况下的大跨度膜结构屋盖风压分布数据；
步骤6：在结构域计算部分中，在Workbench中定义结构流固耦合界面S-Fsi；在Analysis System中选择Static Structural添加到Project Schematic中，并与FluidFlow(Fluent)中的Solution连接，这样一来流体的计算结果就可以导入到结构域中；在Engineering Data中将添加膜材，并且添加膜材的密度、泊松比以及弹性模量；在Model中的Geometry模块选取Suppress Body选项抑制流域计算，结构场网格选取mesh→insert→sizing，定义网格尺寸；在Fixed Support中CFD Surface中选择S-Fsi流固耦合面；在Imported Load中选择Pressure导入流场计算数据到结构场进行流固耦合计算；
步骤7：利用上述数值模拟方法得出的数据，制作风压系数折线图和风压系数云图，并且进行对比分析，从基于不同湍流模型、干扰建筑物与大跨度膜结构之间的间距、风向角和干扰建筑物的数量等方面总结出风致干扰效应对大跨度膜结构风压分布的影响。
2.根据权利要求1所述的一种考虑流固耦合效应的大跨度膜结构抗风设计方法，其特征在于，所述的合理的计算域尺寸为：设计算模型直径为R，大跨度膜结构和干扰建筑物之中的最大高度为Hmax，计算域尺寸为20R×10R×10Hmax，大跨度膜结构屋盖放置在来流方向的三分之一的位置，可以消除人为设置的出口的边界的限制。
3.根据权利要求1所述的一种考虑流固耦合效应的大跨度膜结构抗风设计方法，其特征在于，所述的将大跨度膜结构网格划分的具体方法为：在无干扰建筑物时划分为结构化网格，反之，划分为非结构网格，所有情况下都对靠近模型的部分进行网格加密处理，并且设置增长因子。
4.根据权利要求1所述的一种考虑流固耦合效应的大跨度膜结构抗风设计方法，其特征在于，所述的在界面Boundary Conditions中设置边界条件的具体方法为：将入风口设置为速度入口Inlet，出风口设置成Outlet，计算域的侧壁和顶壁设置成自由滑移壁面(FreeSlip Wall)，计算域的底面定义为无滑移壁面(No Slip Wall)，大跨度膜结构屋面设置为无滑移壁面(No Slip Wall)，并且定义为流固耦合面(Specific Displancement)。
5.根据权利要求1所述的一种考虑流固耦合效应的大跨度膜结构抗风设计方法，其特征在于，所述的湍流模型为：Standard k-ε模型、RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型。
6.根据权利要求1所述的一种考虑流固耦合效应的大跨度膜结构抗风设计方法，其特征在于，所述的得到不同工况下的大跨度膜结构屋盖风压分布数据的具体方法为：选择有无干扰建筑时，通过控制风向角和风速进行模拟。
7.根据权利要求1所述的一种考虑流固耦合效应的大跨度膜结构抗风设计方法，其特征在于，所述的流体的计算结果导入到结构域的具体方法为：在Workbench中定义结构流固耦合界面S-Fsi，在Analysis System中选择Static Structural添加到Project Schematic中，并与Fluid Flow(Fluent)中的Solution连接。
8.根据权利要求1所述的一种考虑流固耦合效应的大跨度膜结构抗风设计方法，其特征在于，所述的处理数值模拟方法得出的数据的具体方法为：绘制大跨度膜结构屋盖表面平均风压系数对比图和风压分布云图，通过对比分析得到考虑流固耦合作用的大跨度膜结构表面风压分布，总结考虑流固耦合效应的大跨度膜结构屋盖表面风压分布特性，对不同工况下的大跨度膜结构屋盖，找到最大风压系数负值出现的位置和受风吸力控制的区域。
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