一种基于间隙流作用下高层建筑抗风设计方法

1.本发明属于高层建筑抗风分析与设计的技术领域，尤其涉及一种基于间隙流作用下高层建筑抗风设计方法。


背景技术：

2.随着我国社会经济的快速发展，科学技术不断突破涌新，城市建设也迎来了爆发式的发展，越来越多的建筑物拔地而起，高层建筑更是鳞次栉比，建筑密度越来越大。特别是东部沿海等经济发达地区，人口密度越来越大，土地越发紧张，为了提高土地使用率，建筑物普遍从占地面积上的横向发展向高度上的纵向发展转变，导致世界开始兴建大量的高层建筑物及地标建筑物，并且更多的高层建筑都聚集在经济繁荣区域。同时高层建筑具有结构、经济及文化上的诸多优点，其土地及空间利用率高，缓解了可利用土地资源逐渐减少的困境，在城市现代化进程中起到了举足轻重的作用。同时，从上世纪末开始伴随着建筑材料、结构设计理念和施工方法的不断革新和应用，高层建筑正逐步向轻质、高柔的方向发展，这类结构表现为自振频率低、阻尼小等特性，而对风的敏感性不断增强，在强风作用下，风荷载成为控制超高层建筑结构安全性和舒适性的控制性荷载是高层建筑结构设计的主要控制荷载之一。
3.在大气边界层中，自然风对高层建筑物的气动性作用可以看作三维钝体结构绕流或流固耦合作用等一系列复杂的气动过程。当流体流经静止的钝体结构时，流体会在钝体结构表面发生流动分离、再附及漩涡脱落等现象，会在钝体结周围形成不同的扰流区域及脉动力作用，从而会可能会导致钝体结构的损伤甚至破坏，所以钝体绕流研究在学术领域及实际工程应用中有着极其重要的意义。大部分的非定常分离流动是由钝体结构产生的，钝体结构通常都是以矩形、三角形或者是多边形柱体等周向存在尖角的结构，而非具有流线型结构形式。非定常漩涡脱落致使钝体结构产生涡激振动，当涡脱频率与结构自有频率接近时会发生锁定现象，从而产生共振导致结构破坏，其中最经典案例是1940年塔科马大桥的坍塌，经过事故分析发现，其主要原因是因为卡门涡街导致结构发生了共振。
4.相邻建筑物或其他处于同一流场中的柱体结构将会受到彼此之间尾流结构的相互作用，在很多情况下其在流场中受到的流体作用力极有可能会大于其单独存在时的受力；同时，在实际生活与工程中，由于大自然中风场的存在和风荷载方向的不确定性，更是出于建筑物结构安全性以及居住者的舒适性考虑，高层建筑结构物的设计和施工的难度也将随之增加。而正方形柱作为钝体空气动力学中最常见的钝体模型之一，实际工程中的结构往往是多柱体结构并列、串联或错列排布的方式存在，因此，深入了解多柱体结构在空气动力学中的邻近效应以及结构尾流的流动特性具有十分重要的意义！
5.间隙流会影响高层建筑的流致振动响应，但具体的影响方面未明。除此之外，钝体的间隙距离比也是影响钝体流致振动的重要因素。因此，了解各种因素对钝体旋涡脱落的影响，获取柱体流致振动响应特性和尾流旋涡形态，揭示间隙流以及钝体间隙距离比对双钝体绕流及流致振动的影响机制具有十分重要的基础理论研究意义与实际应用价值。


技术实现要素：

6.基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种基于间隙流作用下高层建筑抗风设计方法，采用数值模拟的方法在亚临界状态下对并列结构的气动特性展开详细研究，分析其流动结构、间隙流偏斜规律、尾涡发展规律、时均与脉动流体力等，探讨间隙比对并列方柱的气动特性影响，了解间隙流对并列方柱的影响机制及间隙流偏斜形成的机制，为高层建筑的抗风设计提供参考依据。
7.为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：
8.本发明提供的基于间隙流作用下高层建筑抗风设计方法，包括以下步骤：
9.s1：根据模型尺寸在icem中建立力学模型并进行网格划分；
10.s2：确定计算域尺寸，整个计算域采用o-block方法划分的流场网格，并对其柱体周围、垂直向以及尾流区域网格进行加密处理，满足计算对网格分辨率的要求；
11.s3：设置边界条件参数，在workbench中拖入fluent模块，在fluent中检查网格质量，确保不出现负体积；
12.s4：设置模拟的具体边界条件；计算域边界的左面、右面设置为对称边界条件semmetry，底面、上面及方柱表面设置为壁面wall无滑移边界条件，入口采用速度入口，出口采用自由出口；
13.s5：数值模拟计算的具体设置，采用大涡模拟方法进行三维瞬态求解，压力与速度耦合采用simple算法，压力项采用二阶迎风格式；
14.s6：将通过大涡模拟获得的数据与风洞试验数据进行比对分析和验证。
15.进一步的，在步骤s1中，通过ansys软件中icem模块对不同间距比下的并列结构：网格划分采用o-block方法对其进行结构化网格划分。
16.进一步的，在计算域的选取过程中，整体流场范围的大小的给定选取合适的尺寸。
17.进一步的，在步骤s5中，使用二阶中心差分近似所有空间项，采用隐式差分格式，时间导数由二阶精确后向差分近似表示。
18.进一步的，基于大涡模拟方法在亚雷诺数下对三维并列方柱在不同间距比下进行数值模拟，对气动特性展开详细研究，探索间隙流对并列高层建筑绕流特性的影响，分析其流动结构、间隙流偏斜规律、尾涡发展规律、时均与脉动流体力，探讨间隙比对并列方柱的气动特性影响。
19.由上，本发明具有以下有益效果：
20.1、本发明采用数值模拟的方法在亚临界状态下对并列方柱的气动特性展开详细研究，分析并列方柱流动结构、间隙流偏斜规律、尾涡发展规律、时均与脉动流体力等，探讨间隙比对并列方柱的气动特性影响，了解间隙流对并列方柱的影响机制及间隙流偏斜形成的机制。间隙流的偏转是形成宽窄尾流的直接原因，而窄尾流相比于宽尾流具有优势频率和速度，对其所在结构产生不利的影响，为风荷载作用下间隙流对高层建筑的抗风设计提供参考。
21.2、本发明基于风荷载作用下，间隙流导致并列方柱的气动力、风压、速度，涡量以及尾迹区域的速度分布情况。通过改进三维模型，提高计算效率的同时，对计算精度影响较小，缩短了工作时间，节约了计算成本。通过数值模拟获得流场内的流动情况，并与风洞试验和大量数值模拟结果进行对比具有良好的正确性。对于高层建筑结构的抗风设计理论有
着重要意义，为了解风荷载作用下间隙流对高层建筑物绕流影响的实际情况及合理布置提供了参考作用。
22.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
24.图1为计算模型示意图；
25.图2为计算域模型及网格划分示意图；
26.图3为验证算例模拟的升力系数时程曲线图；
27.图4为本发明验证算例与实验数据及模拟结果验证图；
28.图5为具体实施方法中的计算模型图；
29.图6为整体计算域的网格划分情况图；
30.图7为不同间距比气动力系数时程曲线图(左侧：升力；右侧：阻力)，其中(a)为t/d＝0.5；(b)为t/d＝1；(c)为t/d＝1.25；(d)为t/d＝1.5；(e)为t/d＝1.75；(f)为t/d＝2；
31.图8为斯特劳哈尔数st与间距比变化曲线图；
32.图9为不同间距比瞬态涡量云图，其中(a)为t/d＝0.5；(b)为t/d＝1；(c)为t/d＝1.25；
33.图10为不同间距比瞬态速度云图，其中(a)为t/d＝0.5；(b)为t/d＝1；(c)为t/d＝1.25；(d)为t/d＝1.5；
34.图11为不同间距比测点平均速度曲线图；
35.图12为不同间距比瞬态压力云图，其中(a)为t/d＝0.5；(b)为t/d＝1；(c)为t/d＝1.25；(d)为t/d＝1.5；(e)为t/d＝1.75；(f)为t/d＝2；
36.图13为本发明的基于间隙流作用下高层建筑抗风设计方法的流程图。
具体实施方式
37.下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。
38.如图1至图13所示，本发明的基于间隙流作用下高层建筑抗风设计方法，包括以下步骤：
39.步骤1：根据模型尺寸在icem中进行网格划分。
40.本实施方式中，选取不同间距比的并列三维方柱为计算模型；整体网格划分采用结构化网格。
41.步骤2：计算域的选取，计算域为整体流场的大小，对于计算域的选取，为减小阻塞率及边界条件的影响，计算域应尽可能的大些，同时也可以使尾迹充分发展，有效的呈现出方柱周围流场及尾迹结构的详尽信息。但是计算域尺寸也不宜选取的过于大，当计算域尺
寸过大时会导致网格数量增加，从而降低计算效率，浪费不必要的计算资源。一端固定于底面，另一端固定于顶面，两柱体间隙中心与流场入口、两侧对称面的距离均为20d，与流场出口距离为40d。因此，应综合计算结果和计算效率以后，选择合适的计算域尺寸，力争在保证计算精度的同时节约计算成本。
42.步骤3：整体计算域网格划分，采用的形式是局部加密的结构化网格。网格的数量越多，计算需要的计算时间资源越大。但值得注意的是，并非网格数量越多，计算越精确。需要做到的是选取合适的网格数量，在保证计算精度的同时，尽量节约计算成本。例如本发明的叶片旋转区域属于物理量变化剧烈的区域，采取了局部网格加密，目的是提高该计算区域的计算精度。但对于一些非敏感区域单纯地提高网格密度，并不能显著提高计算精度，却会显著增加计算开销。因此，在网格计算过程中，要有目的地增加局部网格密度，而不是对整体进行加密。整个计算域采用o-block方法划分的流场网格，网格总数约为500万左右。并对其柱体周围、垂直向以及尾流区域网格进行了加密处理，从而满足计算对网格分辨率的要求。
43.步骤4：设置边界条件参数；在workbench中拖入fluent模块，在fluent中检查网格质量，确保不出现负体积。与icem网格模块相连，点击update,进行更新，若模块后面有对号出现则表示更新成功。双击fluent里的set up进行仿真，网格导入成功后先对网格的质量进行检查，然后再开始设置各项模拟参数。
44.fluent模拟中，具体计算参数设置如下：选择瞬态计算，在湍流模型中选取les大涡模拟，在材料里，直接为默认的空气，设置对称边界，设置计算步长为1000步，分别设置入口风速为3.2m/s进行数值模拟计算。然后在monitors里选择监测阻力系数监控曲线，边计算的同时边关注残差曲线，看是否收敛。
45.设置模拟的具体边界条件，计算域边界的左面、右面设置为对称边界条件semmetry，底面、上面及方柱表面设置为壁面wall无滑移边界条件。入口采用速度入口，出口采用自由出口。
46.数值模拟计算的具体设置，采用大涡模拟方法进行三维瞬态求解，压力与速度耦合采用simple算法，压力项采用二阶迎风格式。使用二阶中心差分近似所有空间项。采用隐式差分格式，时间导数由二阶精确后向差分近似表示。整个求解过程在空间和时间上都是二阶精度的。
47.基于大涡模拟方法在亚雷诺数下对三维并列方柱在不同间距比下进行数值模拟，对其气动特性展开详细研究，探索间隙流对并列高层建筑绕流特性的影响，分析其流动结构、间隙流偏斜规律、尾涡发展规律、时均与脉动流体力等，探讨间隙比对并列方柱的气动特性影响，了解间隙流对其的影响机制及间隙流偏斜形成的机制，探讨间隙比对并列方柱的气动特性影响，为高层建筑的抗风设计提供参考依据。
48.步骤5：将大涡模拟数据与风洞试验数据及模拟数据进行对比，从而证明大涡模拟的正确性及精确性。
49.本实施方式中，数值模拟计算是基于计算流体力学，用于模拟仿真流图真实的流动情况。计算流体力学的基本思路是将连续物理量离散化为有限离散节点集合，建立离散方程并求解到近似解，模拟流体流动情况。计算流体力学从基本物理出发，扩展了实验研究范围，缩减了研究成本。数学物理模型如下：
50.流动控制方程：在进行数值模拟计算过程中需要遵循流动控制方程，即遵循物理质量守恒定律，包括质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。
51.质量守恒方程：即任何流体流动时都遵循质量守恒定律，质量守恒定律用数学式表达为，单位时间内流体微元中增加的质量等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。
[0052][0053]
其中，t表示时间；u，v，w表示x，y，z方向上的速度分量。
[0054]
在流场模拟中宏观表现为入口流体进入总量等于出口流体流出总量，认为流体是不可压缩流体，当流体处于稳定状态时，密度不随时间变化。
[0055]
则上式(1)可变为下式(2)，称为连续方程。
[0056][0057]
动量守恒方程：动量守恒定律(navier-stokes定律)为微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元上的各种力之和。按照动量守恒定律，可导出x,y和z三个方向的动量守恒方程。
[0058]
x方向：
[0059]
y方向：
[0060]
z方向：
[0061]
式中，p为微元体上的压力；τ
xx
，τ
xy
和τ
xz
表示因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力τ的分量；fy和fz表示微元体上的作用力；
[0062]
能量守恒方程：能量守恒定律可表述为：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体积力与表面力对微元体所做的功。由于在水平轴风力机的数值模拟过程中，认为空气是不可压缩流体，同时忽略流体温度传递，仅进行流场分析，因此不需要考虑能量守恒方程。
[0063]
大涡模拟方法中采用低通滤波函数将流场中的每个瞬时变量φ将其分成两个部分：大尺度的平均分量和小尺度分量φ
′
。大尺度的平均分量部分被称为滤波后的变量，该变量是空间域上的平均分量不是时间域上的平均分量。大涡模拟方法的运动控制方程是滤波函数处理后的瞬时状态下的navier-stokes方程及连续方程。滤波方程如下：
[0064][0065]
其中g(x,x
′
)为滤波函数；v为控制体积所占几何空间的大小，v为坐标所在处的控住体积内空间坐标的变化范围。在大涡模拟中，通过滤波函数把流场中每个物理量分成两
部分：大尺度平均分量和小尺度分量φ
′
，关于瞬时变量的表达式可以写成如下：
[0066][0067]
式中，d为流动区域，是实际流动区域中的空间坐标，是滤波后的大尺度空间上的空间坐标。通过式(7)的滤波函数处理的瞬时navie-stokes方程及连续方程如下：
[0068][0069][0070]
式(8)及(9)构成大涡模拟方法的基本控制方程。式(8)中带有上划线的变量为滤波后的场变量，τ
ij
的表达式为：
[0071][0072]
τ
ij
被定义为亚格子尺度应力(subgrid-scale streese，简称sgs)它体现了小尺度涡的运动对所求解的大尺度湍流运动方程的影响。亚格子尺度模型大涡模拟(les)是在数值计算中通过瞬时navier-stokes方程求解了大尺度湍流运动部分，通过引入亚格子尺度应力建立亚格子模型，来描述小尺度涡对湍流中大尺度涡的影响，建立亚格子模型的目的是为了使方程(8)和(9)达到封闭可解的目的，所以亚格子模型在大涡模拟方法中具有极其重要的地位。最早该模型由smagorinsky提出，假定亚格子模型应力的表达具有下面形式：
[0073][0074]
式(11)中，是亚格子尺度湍动粘度，在有的文献中推荐使用以下的计算：
[0075][0076]
其中：
[0077][0078]
式(13)中，δi代表沿轴i方向的网格尺寸，cs是smagorinsky常数。cs通过kolmogorov常数ck来计算，即cs在实际应用中发现应取一个更小的值，从而减小亚格子尺度应力的扩散影响，在近壁面影响明显。所以van driest应按下式进行修正cs：
[0079][0080]
式中，y

表示到壁面的最近距离，a

是半经验常数，一般情况下取25.0。c
s0
是van driest常数取0.1。
[0081]
通过模拟计算，可以观察到方柱尾流区域中心线处的平均压力曲线，从中可以观
察到方柱尾流区域内中心线处的平均压力与直接模拟(dns)、大涡模拟(les)及隐式大涡模拟(iles)所得到的平均压力值非常接近，变化规律基本一致。充分地表明了本文数值模拟结果的正确性及有效性。
[0082]
表1单方柱计算结果验证
[0083][0084]
通过模拟计算，发现les方法可以得到相对准确的湍流运动中的物理性质，对于选取计算功能更强的模型虽有帮助，但出于综合于计算时间，计算效率的考量似乎必要不大。不论是在大风速还是小风速的情况下，采用les方法都可以清晰的捕捉到流场，涡量信息情况。
[0085]
通过模拟计算发现，在间距比为0.5≤t/d＜2时，并列方柱会间歇的呈现间隙流偏置形成宽窄尾流。在双频模态下随着间距比的增大阻力系数大小的交替变化越频繁，即偏流现象逐渐增强，而每一次的间隙流偏转都会引起气动力突变，致使间隙流偏转方方柱更高的涡脱频率和平均阻力系数。在过渡模态下随着间距的增加间隙流偏转频率下降，并且间隙流偏转时长也大大缩短。阻力系数每次大幅度变化与之相应的升力系数会出现非稳态现象。当间距比为t/d≥2时双频模态消失，两方柱间的相互干扰减弱，两方柱尾流中出现周期性漩涡脱落，形成两个平行涡街。。
[0086]
通过模拟计算，发现在间距比为0.5≤t/d≤1时，由于间隙流发生偏转导致柱体出现两种涡脱频率，低频对应宽尾流高频对应窄尾流。在间距比1.25≤t/d＜2时观察到三种涡脱频率，低频对应宽尾流高频对应窄尾流，而中间频率对应间隙流不发生偏斜时涡脱频率，在间距比为t/d≥2时间隙流不再发生偏转，并列两方柱间的干扰效应逐渐消失。
[0087]
通过流场瞬时涡量云图，给出了不同工况下间隙流偏转时涡量分布及间隙流偏转方向，发现间隙流的偏转主要动力源自通过间隙的高动量流体产生的动力驱动和在方柱后侧低压区压力差产生的压力驱动。
[0088]
通过模拟计算，通过瞬时速度场发现，当尾流由两条不同宽度涡街组成时，窄尾流较宽尾流具有明显速度优势，窄尾流的速度恢复速度比宽尾流的速度恢复快，速度恢复与自由流流体进入为流的夹带效应有关，窄尾流的外部剪切层比宽尾流的外部剪切层向尾流输送更多的自由流体，而间隙流主要被引导到窄尾流中有助于尾流中速度的恢复。在瞬时
压强场中发现，在间隙流偏置流态下整个压强场呈现非对称分布，窄尾流较宽尾流据有明显的压力优势。当流态进入耦合涡脱模态后整个瞬时压强场成对称分布。
[0089]
本发明基于风荷载作用下，间隙流导致并列方柱的气动力、风压、速度，涡量以及尾迹区域的速度分布情况。通过改进三维模型，提高计算效率的同时，对计算精度影响较小，缩短了工作时间，节约了计算成本。通过数值模拟获得流场内的流动情况，并与风洞试验和大量数值模拟结果进行对比具有良好的正确性。对于高层建筑结构的抗风设计理论有着重要意义，为了解风荷载作用下间隙流对高层建筑物绕流影响的实际情况及合理布置提供了参考作用。
[0090]
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。