大跨度膜结构考虑流固耦合作用的风压分布特性研究

作     者：詹宇楠 

作者单位：辽宁工程技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙芳锦

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：大跨度膜结构 流固耦合作用 平均风压分布 湍流模型 脉动风速 

摘      要：大跨度膜结构是典型的风荷载敏感结构,风荷载是其控制荷载。现存荷载规范中对风荷载各项系数取值大部分并不适用于膜结构,目前大跨度膜结构的抗风设计理论尚不完善,风与膜结构的流固耦合作用成为了膜结构抗风设计理论发展的瓶颈,也是膜结构抗风设计中亟需解决的重点和难点问题。随着建筑技术的发展,外型复杂的大跨度膜结构不断涌现,复杂膜结构周围流场分布复杂,进一步加剧了风与膜结构的流固耦合作用的复杂性,因此研究风与复杂大跨度膜结构的流固耦合效应,揭示复杂膜结构在风荷载作用下的风压分布特性,对于完善膜结构的抗风设计有着非常重要的理论意义和工程实践价值。本文基于计算流体力学原理,采用数值模拟手段研究了风荷载作用下几类常见复杂大跨度膜结构的流固耦合作用,具体研究内容包括:1、针对工程中常用的不同复杂形状大跨度膜结构,研究了考虑流固耦合作用时各结构表面平均风压的分布特性。复杂大跨度膜结构的绕流和空气动力作用复杂,其核心在于湍流,湍流问题也是影响风荷载作用下膜结构流固耦合作用的重要因素。为此,本文采用不同湍流模型研究了各复杂结构考虑流固耦合作用时的平均风压分布特性:模拟了包括标准k-ε模型、RNGk-ε模型、Realizable k-ε模型,在不同风速、不同风向角下等条件下各结构表面的平均风压,并与风洞试验结果进行了对比,验证了本文模拟结果的准确性;选取沿风流入方向上的不同分布测点进行对比,得到了平均风压系数曲线,并对风压系数曲线规律进行对比分析,总结得到了不同形状复杂大跨度膜结构的平均风压分布规律。2、利用自回归模型线性过滤器法(AR)模拟出Davenport风速谱,基于fluent软件进行复杂形状大跨度膜结构的脉动风影响下的响应研究。本文得到如下结论:1、不同形状复杂膜结构表面在不同湍流模型下的平均风压系数分布规律大体一致。不同风速对不同形状屋盖表面风压分布规律也无太大影响。其中鞍形屋面在不同风向角下呈现的风压分布规律受风向角影响较大。且受到来流产生的旋涡作用影响也比较大,风压系数都为负值。连续拱形屋盖表面在0°风向角下风压分布规律受屋面形状及漩涡作用影响不大。但在90°风向角作用下屋盖表面风压系数分布受结构表面形状影响极大。波浪形屋盖在0°风向角作用下与连续拱形屋盖受来流影响基本相同,但在尾流影响下屋盖表面末端产生较大旋涡作用。90°风向角下的波浪形屋盖表面同样受到屋盖表面形状影响极大,风压分布规律随屋盖表面形状变化而产生明显变化。波浪形屋盖与连续拱形屋盖表面同会产生局部正压。2、根据三维空间相关脉动风速密度谱得出脉动风作用下三种复杂形状大跨度结构的风压变化规律。