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截圆柱形充气膜结构风荷载数值模拟

发布时间:2021年10月26日 点击数:1011

1.引言

作为一种新型的结构形式,充气膜具有造型美观、经济性好、施工周期短、易于实现大跨度等优点。同时,利用其密闭和用空气支承的特点,可以实现室内空气的净化,给人们提供健康的室内运动场地,因而近年来充气膜结构应用越来越多。然而,柔性的充气膜结构对风荷载十分敏感[1-3],风荷载在其设计中往往起到控制作用。而现行荷载规范中的风荷载体形系数不能满足工程设计应用的需要。

研究结构风荷载的方法主要有风洞试验、数值模拟和理论分析。其中风洞试验周期长、费用昂贵,难以实现多参数分析;理论分析对诸多风场流动问题均很难得到理论解析解[4-6],所以数值模拟分析是研究结构风荷载的有力工具。本文运用CFD数值模拟技术对截圆柱形充气膜结构常用的一种形状进行刚性模型、定常绕流的数值模拟,研究其风荷载的分布特性,以解决该种结构三维计算的风荷载输入问题[7-9]。

2.圆筒状充气膜结构绕流特性的数值模拟

2.1.计算模型的建立

(1)结构模型

充气膜结构造型为空间曲面,其曲面形式难以用函数表示。本文首先通过有限元软件ANSYS 14.5对膜结构找形,确定充气膜结构形状,然后将其导入到流场域中,用专用工具GAMBIT完成流体域的网格划分,从而建立起充气膜结构绕流问题的计算模型。采用有限元法进行膜结构找形时,膜面采用shell 63单元,其有限元模型如图1所示。

(2)流域模型

根据充气膜结构的尺寸60m×30m×15m,将流场计算域尺寸取600m×600m×200m,流域设置满足阻塞率<3%的要求,以消除计算域的设置对模型附近流动状态的影响。除了阻塞率的要求,计算域的构筑还涉及到所考察的建筑物在流域中的位置,如出流的位置太靠近所研究的建筑物模型,则流动可能还没有达到完全发展状态,甚至可能因建筑物阻挡而形成尾流回流区,使得完全自由出流的边界条件不能得到满足,因此研究中将膜结构置于整个流域沿流向的1/3位置处[10,11],其流域模型如图2所示。

图1 结构有限元模型。

图1 结构有限元模型。   下载原图


图2 截圆柱形充气膜结构流场透视图。

图2 截圆柱形充气膜结构流场透视图。   下载原图


截圆柱形充气膜结构膜面曲率较大,为了兼顾计算精度与效率,选用四面体非结构网格,网格划分方式采用尺寸函数,以膜面为源面,进而扩展到整个流域,膜面最小网格尺寸0.4m,增长率1.08,整体流域的网格数量达220万,流场网格划分如图3所示。

图3 截圆柱形充气膜结构流场网格划分。

图3 截圆柱形充气膜结构流场网格划分。   下载原图


2.2.计算参数

(1)边界条件

入口边界条件选用速度入口并按B类地貌风速剖面进行取值

 


其中,粗糙度指数α=0.16,Vz为高度z处风速,Zb为标准参考高度,取值Zb=10m。Vb为标准参考高度Zb处的风速,取Vb=15m/s。

入口处采用的湍流强度I、湍流积分尺度l、湍流动能k和湍流耗散率ε根据湍流特性采用如下表达式[12]:

 


式中,常数Cu=0.09,标准参考高度Zb=5m,梯度风高度Zg=350m。

入口边界的风速剖面Vz,湍流动能k和湍流耗散率ε采用Fluent提供的UDF编程与Fluent作接口实现。

(2)出口及壁面边界条件

出口边界条件为自由流出,任意物理量沿出口法向梯度为0。流场顶部和两侧选用对称边界条件,相当于自由滑移壁面,膜结构表面和地面均为无滑移壁面。

(3)湍流模型及计算参数

湍流模型选用k-εRNG模型,流场求解方法选用SIMPLEC,控制方程中对流项的离散采用二阶迎风格式[13-15],结果收敛标准为残差控制在10-3,风压系数基本稳定。

3.圆筒状充气膜结构风荷载分布特性

本文分析了不同风向角0°,30°,60°,90°时结构风压系数的分布特性。由于实际工程中截圆柱形充气膜结构为封闭式,故可直接测得结构的风压系数。0°和90°风向角工况下计算模型和边界条件关于流向对称,数值模拟的结果整体上也成对称分布,初步验证了数值模拟的合理性。风压系数的定义如下:

 


圆筒状充气膜结构计算模型如图4所示

图4 圆筒状充气膜结构计算示意图。

图4 圆筒状充气膜结构计算示意图。   下载原图


不同风向角作用下的截圆柱形充气膜面风压系数分布详图如下所示:

图5 0°风向角风压系数等值线图。

图5 0°风向角风压系数等值线图。   下载原图


如图5所示,当风向角为0°时,截圆柱形充气膜结构的迎风面是流动发生碰撞、分离的区域,该区域在靠近地面的部分为正压区,最大值为0.35,然后逐渐向两侧和顶面过渡到负压区,并在顶面和两侧拐角处形成极值负压区,其极大值达-1.01,这是由于气流在这些区域出现了分离,在分离后出现了较大的负压涡流。随着气流远离迎风面,碰撞作用和分离作用减弱,膜面压力系数从极值负压区逐渐减小,直至形成背风膜面无压区。

图6 30°风向角风压系数等值线图。

图6 30°风向角风压系数等值线图。   下载原图


如图6所示,当风向角为30°时,膜面压力系数的变化总体趋势基本和0°时相近:迎风面底部正压区最大值为0.36,然后向负压区过渡,在顶部区域和拐角处形成极值负压区,其值为-1.0,不过和0°时相比,顶部的极值负压区范围明显减小,随后风压系数逐渐减少,整个膜面大部分为负压区。

图7 60°风向角风压系数等值线图。

图7 60°风向角风压系数等值线图。   下载原图


如图7所示,风向角为60°时膜面压力系数的变化趋势和30°时基本相同,但和30°时的风压系数相比,在较高点处的极值负压区消失,而在背风面形成无压区。

图8 90°风向角风压系数等值线图。

图8 90°风向角风压系数等值线图。   下载原图


图9 0°和90°时横剖面的风压系数分布图。

图9 0°和90°时横剖面的风压系数分布图。   下载原图


图1 0 0°和90°时纵剖面的风压系数分布图。

图1 0 0°和90°时纵剖面的风压系数分布图。   下载原图


如图8所示,风向角为90°时,膜面相对于顺风向对称,所以风压系数对称分布,变化也比较平缓,从迎风面底端的极值正压区,其值为0.36,过渡到负压区,在拐角点处形成极值负压区,其值为-0.9,背风面都是负压区。

根据以上不同风向角的膜面风压系数分布图,可以画出结构横剖面和纵剖面这两个典型剖面的风压系数分布如图9和图10。

由上图可以看出,风向角对膜面风压系数的影响特别明显。在风荷载作用下,截圆柱形充气膜结构只有在迎风面底端受到压力(正值),在膜面顶端和两侧受到吸力(负值),并且0°时,膜面顶端有较大区域的极值负压区,在膜面迎风面背部,几乎过渡到了无压区。90°时纵剖面的变化趋势和0°时横剖面的变化趋势差距较大,原因是由于0°时横剖面是半圆形的,无棱角,比较圆滑,不存在风的分离、再附现象,而风向90°时在两侧靠近顶端存在曲率的变化,风场在此处会发生分离、再附、漩涡等一系列复杂的流动的情况,使得膜面顶端的压力系数增大,因此在进行膜面设计时应严格找形和裁剪,尽量做到膜面的圆滑过渡。

4.结论

本文采用CFD数值模拟方法对圆筒状充气膜结构表面风荷载分布进行了数值模拟。系统研究了风向角对膜面风压分布的影响,主要结论如下:

(1)风向的变化对截圆柱形充气膜结构风荷载分布起着十分显著的作用。不同风向角下,膜面极值负压区分布范围不同,因此在设计时,要对迎风面底端的极值正压区和膜面顶部的极值负压区给予足够重视。

(2)在离迎风面最近的两个拐角处,容易发生分离现象,形成极值负压区,故设计时尽量保证此处的圆滑过渡,避免形成极值负压区。

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