《首都博物馆建筑空气动力学计算》由会员分享，可在线阅读，更多相关《首都博物馆建筑空气动力学计算（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、北京大学硕士毕业论文1首都博物馆建筑空气动力学计算计算机处理风工程问题正朝着“价格便宜量又足”的方向发展。如今的计算水平已经能够解决相当一部分建筑空气动力学问题。尤其是在西方发达国界，计算流体力学的方法解决建筑空气动力学已经得到工程界的认可，已经有了相应的行业标准。在这些国家当中，应用计算的手段研究建筑中的问题已占相当大比例，而在我国建筑业还滞留在传统的模式当中，接受计算流体力学建筑设计的单位几乎空缺。要我国的建筑设计单位了解，认可计算流体力学解决建筑空气动力学问题这种方法对国民经济建设是很重要的。这样的工作需要从事流体实验和计算的流体力学工作者的共同努力才可能。北大力学系计算流体力学组配合空
2、气动力学试验是应用 CFD 软件完成首都博物馆的建筑空气动力学计算。1.1.1 问题的背景首都博物馆结构造型新颖，美观。但是其结构设计的重要载荷风载荷却无法从理论和经验获得，在现行的规范中也难以查到。为此需要进行专门的风洞试验或者计算，以获得风荷载，为抗风设计提供重要依据。图 4-2 首都博物馆效果图1.1.2 求解的过程1.1.2.1 几何建模据建筑制图或者结合 CAD 资料进行建筑物（这里包含周边环境）的三维几何建模（使用 Gambit 作为生成几何外形工具）北京大学硕士毕业论文2图 4-3 博物馆几何外形图 4-4 博物馆及周围环境几何在图 4-3 和 4-4 中，中间蓝色的部分是博物馆
3、，其他为周围环境（以博物馆为中心直径 500 米内）的三层楼以上的建筑物。博物馆前面就是长安街。在进行建筑空气动力学相关的计算中，这一步占整个工作时间的 80%以上，因为建筑物的形状可能非常复杂，对于不是经常阅读建筑制图的力学工作者来说，需要有比较好的空间想象能力。1.1.2.2 网格生成据建立的三维建筑物几何模型利用 Gambit 对要求求解的区域进行网格划分（为了让计算机能够进行处理所必要的空间离散）北京大学硕士毕业论文3图 4-5 博物馆附近面网格图 4-6 博物馆以及周围环境的面网格要实现数值风洞流场求解的全部功能，必须基于可用于复杂外形的可靠的、实用的网格划分。因此，建筑物的几何建模
4、及某些复杂结构的网格生成对数值模拟的结果起着很重要的作用，意义重大但又繁琐。进行空间网格的离散是整个计算最关键的部分，网格质量不好，计算收敛的情况必定不会太好，甚至不收敛；就算收敛了，误差也很可能相当大。在生成表面网格的时候，必须避免表面网格的重叠、间隙等；在生成体网格的时候，尽量避免几何模型中的尖角 17。如果生成体网格的时候尖角不可避免，就不得不对几何体的外形作一些小小的修改。在 FLUENT 的前处理软件 Gambit 中，这样的修改必须手工进行，但是 ICEM-CFD 是可以自动完成这样的修改的。这个项目的计算网格很难形成，其中最困难的地方是南北屋檐的镂空结构。北京大学硕士毕业论文4这
5、两个镂空结构类似百叶窗，其叶厚度大约 30 厘米，叶的间距大约也为 30 厘米，叶片长度大约 150 米，叶片数量为各 5 个。这样的结构是放在 2000 米*4000 米*300 米的大环境中，实在难以形成疏密恰当的，高质量网格。我们在处理这个困难的时候，参考了实验的做法。实验也是无法完全按照相似性给出此镂空结构的几何，他们是使用的纱窗代替，同时给出透气率 50%。仔细查阅FLUENT 手册，发现 FLUENT 中有一多孔介质可以给出与纱窗类似的透气率。于是把镂空结构形成两个大的块体，按照多孔介质给出性质。这样处理以后网格成功生成。在图 4-5 中，可以非常明显的看到 FLUENT 使用多重
6、网格法加速收敛。1.1.2.3 设置流场的边界条件类型设置边界条件中需要用 C 语言插入一段代码，用以实现对于大气边界层速度剖面的模拟。 （在附录中有一段模拟大气边界层速度剖面的代码）1.1.3 FLUENT 进行计算获得结果在这个项目中，我们采用的是耦合解算器（对于低速流动传统上使用的是分离解算器，但是尝试分离解算的时候没有获得收敛结果） ，隐式格式，定常流动。流体介质就是空气，参数都使用缺省值。因为弗劳德数很大在相关的实验中没有模拟重力，所以我们在计算中没有加入重力项。湍流模型方面的是 k-e加非平衡近壁面条件，计算主方程采用的是二阶迎风格式。获得结果的部分数据在下面的图形中标出图 4-7
7、 首都博物馆轮廓图（屋顶为压力系数云图）北京大学硕士毕业论文5图 4-8 首都博物馆屋顶压力系数云图1.1.4 计算结果和实验结果的比较在计算完结以后，我们北大力学系顾志福教授处获得了“首博新馆风荷载风洞模拟实验报告” 。仔细比较实验和计算的结果，发现计算和实验的结果符合得很好。在实验中，屋顶最大压力系数为 0.257。获得此最大压力系数的测压孔编号 1R10，其位置在椭圆柱北侧。在计算中，我们算得的最大压力系数为0.26。计算中获得此最大压力系数的位置和实验的位置完全相同。在实验中，屋顶最小压力系数为-0.915。获得此最小压力的测压孔编号为 6R9，其位置为圆柱正西侧偏北一点的地方。我们计
8、算获得的最小压力系数-0.94，这个值产生的地方恰好是实验产生最小压力系数值的地方。除了在这些最值点，在屋顶别的地方，计算和实验的差别也非常小。可以说，计算和实验获得的结果符合得非常好。 15图 4-9 和表 4-1 分别给出了对应风洞试验的测压孔布置和相应压力系数。（用符号在下图中标出压力最大点和最小点的位置）北京大学硕士毕业论文6图 4-9 首都博物馆屋顶测压孔布置（只保留最大和最小压力点数据，其他从建）1 2 3 4 5 6 7 8 9 10R1 -0.42 -0.326 -0.329 -0.374 -0.272 -0.306 -0.263 -0.257 -0.234 -0.235R2
9、-0.414 -0.366 -0.361 -0.396 -0.302 -0.272 -0.211 -0.272 -0.19 -0.245R3 -0.5 -0.4 -0.356 -0.257 -0.299 -0.317 -0.245 -0.312 -0.208 -0.294R4 -0.454 -0.089 -0.414 -0.308 -0.212 -0.359 -0.254 -0.217R5 -0.506 -0.066 -0.441 -0.369 -0.224 -0.35 -0.257 -0.214R6 -0.4 -0.243 -0.465 -0.366 -0.16 -0.393 -0.254
10、-0.294R7 -0.174 -0.468 -0.32 -0.069 -0.489 -0.352 -0.349R8 0.02 -0.447 -0.293 -0.674 -0.358 -0.373R9 0.14 -0.45 -0.236 -0.915 -0.425 -0.251R10 0.257 -0.208 -0.042 -0.893 -0.373 -0.263R11 0.189 0.03 -0.042 -0.654 -0.343 -0.3R12 0.16 0.094 0.03 -0.685 -0.29 -0.297R13 0.083 -0.16 -0.61 -0.447 -0.284 -0
11、.248R14 -0.017 -0.033 -0.2 -0.312 -0.309 -0.237R15 -0.408 -0.263 -0.226R16 -0.146 -0.24311 12 13 14 15 16 17 18 19R1 -0.269 -0.146 -0.111 -0.123 -0.298 -0.169 -0.251 -0.14 -0.146R2 -0.15 -0.123 -0.129 -0.271 -0.282 -0.348 -0.163 -0.131R3 -0.168 -0.146 -0.169 -0.245 -0.195 -0.126R4 -0.162 -0.142 -0.1
12、89 -0.212 -0.195 -0.123R5 -0.174 -0.152 -0.179 -0.205 -0.166 -0.123R6 -0.15 -0.169 -0.179 -0.222 -0.199 -0.117R7 -0.214 -0.172 -0.146 -0.288 -0.191 -0.12R8 -0.217 -0.156 -0.104 -0.354 -0.213 -0.154R9 -0.193 -0.149 -0.063 -0.414 -0.243 -0.127R10 -0.182 -0.172 -0.136 -0.267 -0.148R11 -0.315 -0.202 -0.
13、298 -0.324 -0.187R12 -0.199 -0.152 -0.215 -0.434 -0.166R13 -0.205 -0.205 -0.265 -0.275 -0.199R14 -0.166 -0.162 -0.185R15 -0.299 -0.151 -0.149R16北京大学硕士毕业论文7表 4-1 首都博物馆屋顶测压孔实验压力系数1.2 有无大气边界层的流场对比1.3 北京电视中心综合业务楼及其演播中心为例图 4-10 北京市电视中心造型设计方案根据北京市朝阳区气象资料统计：当地平均最大风速为 20 米/秒。基本风压为 0.35N/m2。对于北京电视中心这样一个具有超高层
14、的整体结构和其顶部的玻璃幕造型以及周边裙楼的玻璃幕墙等，均属于复杂的结构外形。在其结构设计中重要的荷载之一 风荷载，无论从理论上或经验中难以从现行规范中查找到准确答案。在电视中心的顶部有一个直升机停机坪，如果在停机坪上有比较大的负压，停机坪就容易被风“吸掉” 。另外，对于矩形切角玻璃幕上面的压力也比较关心。为此对北京电视中心综合楼群开展风荷载风洞模拟实验研究，用该楼群的缩尺相似模型在大气边界层风洞模拟实验研究，来获取主体高楼和裙楼的风荷载有关数据，为抗风结构设计提供依据。在进行模型实验的同时我们也进行了数值模拟，并且把模型实验的结果和数值模拟的结果进行了对比。1.3.1 求解的过程我们最后用于
15、计算的网格使用 ICEM-CFD 生成。这个软件也是国外最新计北京大学硕士毕业论文8算流体力学教科书推荐使用的前处理软件。因为北京电视中心和首都博物馆的前处理以及计算过程相似，所以这里对于前处理和计算部分只列出结果。图 4-11 北京电视台几何外形以及网格（整体）图 4-12 北京电视台几何外形以及网格（停机坪、矩形切角玻璃幕）1.3.2 相关实验介绍因为我们将把计算结果和实验的结果进行对比，下面我们简单介绍一下这个项目的实验情况。为了实现北京电视中心建筑物所处当地近地面大气边界层地理环境，本实验使用北京大学实验段为宽 3 米、高 2 米、长 32 米大气边界层风洞来模拟北京电视中心风荷载实验
16、。截面积 2 米3 米的风洞是目前国际上风工程实验段中通用尺寸，由于该风洞实验段较长，可以使大气边界层充分发展，在模型所在位置达到所要求的剪切速度剖面和相应的湍流强度。 16图 4 给出了本实验风洞模拟大气边界层剪切速度剖面和湍流度沿高度的分布。北京大学硕士毕业论文9图 4-14 大气边界层平均速度和湍流度分布*在计算中加入大气边界层的方法首先，我们来看几个计算结果的 Path Line 图：图 4-18.1 来流方向为均匀速度时垂直向 Path Line 图0.0 10 20 30 40 50 60 700.1.203.450.67.80.10.20.30.40.5 U/0Z/ U/0IuIu北京大学硕士毕业论文10图 4-18.3 来流按大气边界层给出速度剖面时垂直向 Path Line 图上面给出的四幅图分别是来流为均匀速度和来流按照大气边界层给出速度剖面时的垂直和水平方向 Path Line 图。为了对比均匀来流和来流
