不同高度開洞對(duì)高層建筑風(fēng)特性影響的數(shù)值模擬

本文以fluent軟件和高性能集群作為數(shù)值模擬平臺(tái),通過改變高層建筑物高度進(jìn)行了并行數(shù)值模擬。并對(duì)并行數(shù)值模擬結(jié)果和集群并行計(jì)算效率進(jìn)行了分析,分析結(jié)果表明：隨著建筑物高度的增加,建筑物周圍最大風(fēng)速和最大風(fēng)速比增大,建筑物對(duì)其周圍空氣流動(dòng)的影響增強(qiáng)。在并行計(jì)算中,當(dāng)cpu個(gè)數(shù)相同時(shí),隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加,并行效率呈增加趨勢(shì)但增大的幅度越來越小;當(dāng)網(wǎng)格數(shù)相同時(shí),隨著cpu個(gè)數(shù)增加,并行計(jì)算效率呈減小趨勢(shì)。

基于計(jì)算流體力學(xué)軟件fluent對(duì)不同角部形狀的矩形高層建筑進(jìn)行三維數(shù)值風(fēng)場(chǎng)模擬。首先,選用三種不同的湍流模型realizablek-ε,rngk-ε及雷諾應(yīng)力模型(rsm),對(duì)矩形截面標(biāo)準(zhǔn)高層建筑進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明,與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,除了分離區(qū)等流動(dòng)復(fù)雜的區(qū)域外,數(shù)值模擬能夠較好地反映風(fēng)壓分布狀況。其中,雷諾應(yīng)力模型由于考慮湍流各向異性的影響,與試驗(yàn)結(jié)果最為接近。其次,對(duì)同尺寸下的切角及倒角高層建筑進(jìn)行雷諾應(yīng)力湍流模型下的數(shù)值模擬。結(jié)果表明,角部處理能有效地減小風(fēng)荷載。在側(cè)風(fēng)面,切角與倒角能有效抑制來流分離。在背風(fēng)面,切角能減小尾流寬度與旋渦尺寸,與原模型相比,風(fēng)荷載約降低15%;而倒角建筑由于較好的流線性,尾流寬度與旋渦尺寸降到最小,風(fēng)荷載僅為矩形截面的65%。

為研究湍流積分尺度對(duì)高層建筑風(fēng)荷載大小和分布的影響,研究其合理取值,基于大渦模擬開展了b類地貌不同湍流積分尺度下caarc(commonwealthadvisoryaeronauticalresearchcouncil)標(biāo)準(zhǔn)高層建筑模型繞流模擬,并將模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行了比較.研究結(jié)果表明:大渦模擬能較好地反映高層建筑周圍風(fēng)場(chǎng)繞流特性和表面風(fēng)壓分布.隨著湍流積分尺度的增大,平均運(yùn)動(dòng)的變形率向湍流脈動(dòng)輸入能量,以致平均風(fēng)速降低、湍流強(qiáng)度增大；側(cè)面風(fēng)壓脈動(dòng)性降低15%、分離流附著提前出現(xiàn)；基底扭矩譜和彎矩譜的峰值及高頻段幅值均減?。粚铀雇辛_哈數(shù)在0.4倍建筑高度以下基本相同,隨高度的增加其值下降20%~30%；層平均阻力系數(shù)下降5%~10%；迎風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)平均值下降2%~5%,側(cè)面和背面下降12%~17%.湍流積分尺度對(duì)迎風(fēng)面和側(cè)面上風(fēng)向的風(fēng)壓水平相關(guān)性、層升力和0.8倍建筑高度以下的層阻力相關(guān)性的影響可以忽略.隨湍流積分尺度的增大,風(fēng)壓水平相關(guān)系數(shù)增大,背風(fēng)面增大5%~10%,側(cè)面下風(fēng)向增大15%~25%,0.8倍建筑高度以上層阻力相關(guān)性系數(shù)增大25%~50%.b類地貌湍流積分尺度的調(diào)整系數(shù)為0.4時(shí),計(jì)算得到的風(fēng)荷載與試驗(yàn)結(jié)果趨于一致.

**資訊http://www.***.*** **資訊http://www.***.*** **資訊http://www.***.***

植物通過蒸騰作用,與周圍大氣不斷進(jìn)行著熱濕交換,從而調(diào)節(jié)大氣的溫、濕度分布。植被對(duì)太陽輻射的反射和遮擋作用,使得調(diào)節(jié)作用提升到葉面高度附近。植被的高度、覆蓋率、覆蓋面積都會(huì)對(duì)空氣的溫、濕度分布產(chǎn)生不同的影響。利用流體力學(xué)計(jì)算軟件,提出了把建筑室內(nèi)外熱環(huán)境耦合,將植被區(qū)域視為多孔介質(zhì)的方法,初步分析了不同高度植被對(duì)建筑微環(huán)境的空氣溫度及熱量交換的影響規(guī)律,旨在探究各種植被條件對(duì)建筑微環(huán)境的影響。

本文結(jié)合具體工程實(shí)例，對(duì)轉(zhuǎn)換層位置分別在3層、6層和9層這3種模型進(jìn)行對(duì)比分析，探討了轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)置高度對(duì)結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力特性及局部轉(zhuǎn)換梁內(nèi)力等的影響。在分析的基礎(chǔ)上，得出了一些有益的結(jié)論，給出了設(shè)計(jì)建議，對(duì)該類結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值及工程指導(dǎo)意義。

采用經(jīng)過fft算法改進(jìn)的諧波疊加法(waws)及自回歸(ar)模型的線性濾波法對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程模擬.對(duì)2種算法所模擬的風(fēng)速時(shí)程進(jìn)行分析,結(jié)果顯示了風(fēng)速功率譜及相關(guān)函數(shù)的特性,分析結(jié)果說明ar模型中模型階次及時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)風(fēng)速時(shí)程產(chǎn)生較大影響.根據(jù)結(jié)構(gòu)的有限元?jiǎng)恿Ψ治?采用能量相等的原則,即使結(jié)構(gòu)固有頻率段內(nèi)的目標(biāo)譜和模擬譜能量相等,對(duì)風(fēng)速時(shí)程進(jìn)行修正,使模擬風(fēng)速時(shí)程更趨合理.

首先介紹了3種較為常見的脈動(dòng)風(fēng)相干函數(shù)表達(dá)形式,然后基于隨機(jī)振動(dòng)理論在頻域內(nèi)推導(dǎo)了高層結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)的無量綱化解析式,在此基礎(chǔ)上對(duì)采用不同脈動(dòng)風(fēng)相干函數(shù)所得到的高層結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)分析結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,不同脈動(dòng)風(fēng)相干函數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)分析結(jié)果的影響主要體現(xiàn)在共振響應(yīng)部分,采用不考慮頻率項(xiàng)的相干函數(shù)所得到的風(fēng)振響應(yīng)分析結(jié)果要偏大60%左右。最后,對(duì)中國(guó)荷載規(guī)范給出的脈動(dòng)影響系數(shù)ν計(jì)算提出了應(yīng)乘以0.6~0.7折減系數(shù)的建議。

采用火災(zāi)模擬專業(yè)軟件fds對(duì)不同火源位置、不同風(fēng)向條件下火災(zāi)煙氣的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬,測(cè)定典型位置處溫度、速度、co及co2體積分?jǐn)?shù)變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在近地風(fēng)場(chǎng)中,風(fēng)向?qū)ωQ井內(nèi)煙氣蔓延的影響大小順序?yàn)橛L(fēng)>背風(fēng)>側(cè)風(fēng),豎井開口位于迎風(fēng)面時(shí),外界風(fēng)對(duì)豎井內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)影響最大:火源位于中性面以上時(shí),煙氣通過豎井與前室的開口向豎井內(nèi)蔓延,并向下運(yùn)動(dòng);而火源位于中性面以下時(shí),前室內(nèi)煙氣向外部運(yùn)動(dòng),豎井內(nèi)無煙氣流入。

以中華城商業(yè)社區(qū)高層建筑群為工程背景,采用rngk-ε湍流模型模擬了建筑群中超高層建筑的表面平均風(fēng)壓分布及周圍風(fēng)環(huán)境,計(jì)算了與風(fēng)洞試驗(yàn)等雷諾數(shù)及增大來流風(fēng)速和模型尺寸提高雷諾數(shù)后的兩類雷諾數(shù)工況,并同風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明,在等雷諾數(shù)情況下,風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的超高層建筑表面風(fēng)壓分布較為一致,數(shù)值差別在15%以內(nèi);數(shù)值模擬與試驗(yàn)雷諾數(shù)相差25倍的工況中,當(dāng)多數(shù)建筑主軸向與來流風(fēng)速成一定角度時(shí),超高層建筑的風(fēng)壓分布及周圍流場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)較一致;當(dāng)多數(shù)建筑主軸向與來流風(fēng)速平行時(shí),尾流中旋渦分布的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)差異明顯,但平均風(fēng)壓分布的數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果略顯差別。

建筑風(fēng)環(huán)境作為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面,其對(duì)于區(qū)域氣候與局部微氣候的影響都不容忽視.本文應(yīng)用基于rngk-ε模型的cfd軟件數(shù)值模擬研究不同的建筑高度差對(duì)建筑周圍風(fēng)場(chǎng)環(huán)境的影響,揭示有利于風(fēng)流動(dòng)的建筑因素,為進(jìn)一步的住區(qū)建筑規(guī)劃提供思路.模擬結(jié)果顯示,在來流風(fēng)速一定雙體建筑高度差不同時(shí),建筑間谷區(qū)風(fēng)速與形成渦旋的中心位置和大小均不同.

對(duì)開洞高層建筑剛性模型進(jìn)行了風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)?；谠囼?yàn)結(jié)果,分析了立面和洞口表面的風(fēng)壓分布規(guī)律,研究了洞口表面脈動(dòng)風(fēng)壓的功率譜。結(jié)果表明:當(dāng)洞口軸線方向與來流方向一致時(shí),迎風(fēng)面洞口附近區(qū)域的平均風(fēng)壓系數(shù)總體上比立面不開洞時(shí)減小,少數(shù)測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)增大,脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)變化較小;背風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)總體上比立面不開洞時(shí)減小,但洞口附近局部平均風(fēng)壓系數(shù)增大可達(dá)40%,脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)的變化規(guī)律與平均風(fēng)壓系數(shù)類似;側(cè)風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)比立面不開洞時(shí)均有不同程度的減小;洞口內(nèi)部為負(fù)風(fēng)壓,脈動(dòng)風(fēng)壓的功率譜與一般高層建筑側(cè)風(fēng)面氣流分離區(qū)域脈動(dòng)風(fēng)壓的功率譜有明顯差異。最后,給出了設(shè)置兩個(gè)洞口時(shí),立面極值風(fēng)壓系數(shù)的影響系數(shù)以及洞口表面極值風(fēng)壓系數(shù)的分布圖。

某沿海超高層建筑高度達(dá)350m,高寬比達(dá)7.6,又處于浙江沿海地區(qū),風(fēng)荷載是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制荷載.數(shù)值模擬了不同風(fēng)向下超高層建筑底部平均風(fēng)合力和合力矩,與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果相近,一般情況兩者差別不大于15%;同時(shí)擬合了該建筑表面的脈動(dòng)風(fēng)壓自譜密度和相干函數(shù)經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式,采用空間隨機(jī)風(fēng)振的cqc方法對(duì)塔樓進(jìn)行了風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)分析,并通過塔樓頂層峰值加速度響應(yīng)和底部靜力等效風(fēng)荷載合力和合力矩的比較與分析,表明高層建筑專用風(fēng)振分析方法在實(shí)際工程中應(yīng)用的可行性.

隨著海島城市高層建筑興建量的與日俱增,由此而產(chǎn)生的風(fēng)環(huán)境已不可輕視。文中主要選用k-ξ湍流模型,應(yīng)用cfd數(shù)值方法模擬高層建筑風(fēng)環(huán)境的分布情況,從而分析風(fēng)環(huán)境對(duì)建筑的影響和建筑對(duì)人的舒適感的影響。為今后的高層、超高層建筑的設(shè)計(jì)施工及現(xiàn)有建筑的環(huán)境改善提供一個(gè)有效的參考平臺(tái)。

針對(duì)我國(guó)現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范規(guī)定的削角和凹角兩種角沿修正形式,進(jìn)行了7種截面形式高層建筑模型的風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)。定義角沿修正比為單個(gè)角沿沿主軸方向投影長(zhǎng)度與全截面在同一方向投影長(zhǎng)度之比,分析了角沿修正比對(duì)建筑風(fēng)荷載的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:截面采用角沿修正是減小矩形截面建筑順風(fēng)向和橫風(fēng)向風(fēng)荷載的有效方式;截面采用角沿修正比為10%的凹角修正時(shí),建筑順風(fēng)向風(fēng)力系數(shù)平均值和均方根值降低最多;截面采用角沿修正比為20%的凹角修正時(shí),橫風(fēng)向風(fēng)力系數(shù)均方根值降低最多;從頻域來看,角沿修正對(duì)順風(fēng)向風(fēng)力功率譜影響不大,而隨著角沿修正比的增大,橫風(fēng)向風(fēng)力功率譜譜峰對(duì)應(yīng)的折算頻率將向高頻部分移動(dòng)。

推導(dǎo)了脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)高層建筑結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)的計(jì)算公式.算例表明土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)高層建筑風(fēng)振加速度響應(yīng)有明顯影響.一般而言,在軟土地基上土-結(jié)構(gòu)相互作用使高層建筑風(fēng)振時(shí)加速度增加,從而增加了人體的不舒適感,甚至有可能影響到高層建筑的使用功能,故在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起重視.

對(duì)一球形高層建筑在有和沒有曲殼裙房情況下的表面風(fēng)壓分布進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析。結(jié)果表明,曲殼裙房對(duì)主體高層建筑的風(fēng)荷載有著較顯著的影響。裙房縮小了球形建筑迎風(fēng)面和背風(fēng)面的正風(fēng)壓區(qū)域,最大正風(fēng)壓略有減小;裙房較大程度地提高了球形建筑側(cè)風(fēng)面和頂面的負(fù)風(fēng)壓數(shù)值,整體結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載趨于增大,風(fēng)壓分布趨于不均勻。由于裙房的影響,在球面背風(fēng)區(qū)下側(cè)還觀察到了明顯的對(duì)稱渦列。在對(duì)不同風(fēng)向角下的風(fēng)壓分布規(guī)律進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,還給出了建筑物在最不利風(fēng)向角下的最不利剖面上的風(fēng)壓系數(shù)分布曲線。

結(jié)合某高層建筑施工實(shí)際工程,運(yùn)用midas軟件建立真三維數(shù)值模型,模擬高層建筑基坑分塊、分層開挖卸載和建筑施工加載整個(gè)施工全過程對(duì)臨近既有隧道的影響,通過隧道洞周收斂、隧道豎向位移、水平位移、變形曲率和襯砌產(chǎn)生的附加應(yīng)力變化,對(duì)隧道安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合,得出隧道處于安全工作狀態(tài)的結(jié)論。

高層建筑(群)風(fēng)效應(yīng)與地貌條件相關(guān),分析掌握其內(nèi)在關(guān)系是建筑布局規(guī)劃和抗風(fēng)設(shè)計(jì)的重要前提?；诶字Z時(shí)均模擬方法(rans),引入具有分離流預(yù)測(cè)優(yōu)勢(shì)的sstk-ω湍流模型,以某高層建筑單體及群體風(fēng)場(chǎng)為對(duì)象,模擬4類地貌條件下的風(fēng)效應(yīng)場(chǎng),側(cè)重分析人行高度(2m)風(fēng)速場(chǎng)以及建筑立面的風(fēng)壓分布特性。分析結(jié)果表明,地貌除對(duì)人行高度的風(fēng)速場(chǎng)影響明顯外,對(duì)高層建筑表面風(fēng)壓系數(shù)影響也較為可觀,實(shí)際工程應(yīng)適當(dāng)考慮地貌效應(yīng)。

通過建立高層辦公建筑物理模型,采用大渦模擬方法進(jìn)行數(shù)值模擬,研究不同風(fēng)向條件下室外風(fēng)對(duì)高層建筑疏散通道煙氣運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律。結(jié)果表明:室外風(fēng)可以稀釋走廊煙氣中co的濃度,加快煙氣排出;煙氣在樓梯間的運(yùn)動(dòng)由于受到多種因素影響,情況較為復(fù)雜,迎風(fēng)時(shí),室外風(fēng)對(duì)于樓梯間煙氣排出和人員疏散具有積極的作用,背風(fēng)時(shí)則相反。因此高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加大走廊中可開啟外窗的面積,將設(shè)有外窗的樓梯間設(shè)置在該地區(qū)常年主導(dǎo)風(fēng)向一側(cè)。

立面開洞是建筑實(shí)踐中的常見現(xiàn)象，至今，國(guó)內(nèi)外有關(guān)洞口設(shè)置對(duì)高層建筑風(fēng)荷載影響的研究還很少。洞口形狀、位置及開洞率等都是影響建筑靜力風(fēng)荷載的因素，借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(cfd)大型商業(yè)軟件fluent6．0，進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬分析，研究了相對(duì)風(fēng)壓和基底傾覆力矩系數(shù)與開洞率間的關(guān)系，給出了中部和下部開口情況下的相關(guān)方程。同時(shí)探討了底部開洞情況下。洞內(nèi)風(fēng)速的增大效應(yīng)與洞口大小和來流方向之間的關(guān)系。所得結(jié)論可供工程研究和抗風(fēng)設(shè)計(jì)參考。

計(jì)算風(fēng)工程作為風(fēng)洞試驗(yàn)的補(bǔ)充技術(shù),已得到越來越多的應(yīng)用,但是使用rns方法進(jìn)行非定常計(jì)算精度低,而大渦模擬可對(duì)大尺度漩渦直接求解,可以得到較精確的模擬結(jié)果。因此對(duì)超高層建筑進(jìn)行了多工況的cfd大渦模擬,研究不同風(fēng)向角下建筑表面風(fēng)荷載的變化規(guī)律,并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,簡(jiǎn)要闡述了建筑體型對(duì)風(fēng)荷載的影響。將大渦模擬得到的非定常風(fēng)壓時(shí)程作為結(jié)構(gòu)激勵(lì),采用頻域法計(jì)算高層建筑的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng),根據(jù)慣性風(fēng)荷載方法,求解結(jié)構(gòu)的等效靜力風(fēng)荷載,并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比分析表明,大渦模擬技術(shù)可以很好地模擬建筑表面風(fēng)荷載,并可以克服測(cè)點(diǎn)布置、不同步測(cè)試帶來的系統(tǒng)誤差;頻域法分析得到的等效靜力風(fēng)荷載與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果基本一致,可以將本文方法計(jì)算得到的風(fēng)荷載作為設(shè)計(jì)依據(jù)。