考慮流固耦合效應的風荷載數值仿真計算★

陳謙　焦朗　蔡若楠　武茜　韓豐瀟　賈杰*（東北林業大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱　150040）

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·結構·抗震·

考慮流固耦合效應的風荷載數值仿真計算★

陳謙焦朗蔡若楠武茜韓豐瀟賈杰*
（東北林業大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱150040）

摘要：使用ANSYS軟件，通過改變影響結構流固耦合效應的風速和風向角等主要外界因素，對風荷載下的低層建筑結構進行不同湍流模型的數值模擬，輸出計算結果，并與實測數據進行比較，得到風速和風向角對其結構的風致振動特性和流固耦合效應的具體影響規律。

關鍵詞：流固耦合，風荷載，數值模擬

0　引言

目前我國在風工程領域，通常采用等效靜力風荷載來考慮風振因素，然而建筑結構與風荷載兩者之間是一個相互耦合作用的復雜系統，在研究風荷載對建筑結構的效應時，不能將風荷載僅僅作為一種靜荷載來考慮。一般情況下，建筑規模的擴大使得結構遭受破壞的幾率增大，然而近年來，低層建筑結構在強風影響下經常因局部損壞而導致整體結構的破壞，造成極大損失。因此，考慮流固耦合效應的前提下，研究風荷載對低層建筑結構的影響有著重要的學術價值和應用前景。

1　流固耦合問題的分析

1.1流固耦合的數值模擬技術

早期對于流固耦合問題的研究，風洞試驗是最主要且有效的方法。但近年來，隨著計算機性能的增強和計算流體力學（CFD）方法的成長，數值模擬技術逐步開始實用化，突破了試驗上物質條件的限制，通過相關力學分析軟件，可以建立較符合實際的結構風場，控制風速、風向角等主要外界因素，并同時自動滿足關聯的其他參數，進行流體動力學方程的數值求解，快速便捷的輸出圖形結果。

1.2數值模擬技術在國內外的研究狀況

表1　近年來流固耦合數值模擬技術的發展狀況［2-6］

流固耦合的數值模擬技術，無論在理論研究方面還是在工程應用方面，在國內外都是一個熱點問題。但是因其為耦合機理的復雜和CFD計算軟件的限制，使得到現在還未能找出一個求解模型，可以包含各種領域的流固耦合問題。只能根據某一類工程實際問題，建立相應模型，進行具體研究，給出解答。近年來國內外機構、學者都針對某一領域進行了研究驗證，如表1所示。

2　數值模擬試驗

2.1模型建立及流體域網格劃分

按照模型的實際尺度建模，根據模型迎風面的尺寸和比例等因素，綜合考慮最大阻塞率及流場發展的需要，將流體域的大小設定為145 m×135 m×40 m［7］。模型放置在流體域的1/3處，表面區域采用非結構化網格，外圍區域則采用結構化網格，分別設置90°和60°風向角的模型進行計算，見圖1，圖2。

圖1　90°風向角的計算模型

圖2　60°風向角的計算模型

2.2流體域邊界條件的設定

綜合設定流體域邊界條件，入口邊界采用速度入口邊界，主要考慮風剖面和湍流強度，其隨高度增加的具體變化見圖3。其中，風剖面按我國規范采用指數型，平均風速表達式確定：

其中，zb為標準參考高度，取10 m；z為任一離地高度，m；為標準參考高度zb對應的平均風速，m/s；α為地面粗糙度指數［8］。湍流強度則按日本建議的湍流強度I（z）表達式確定：

其中，zG為梯度風高度，zG= 350 m［9］。另外，出口邊界采用自由出流邊界，模型表面和地面為無滑移壁面邊界，以及邊界法向速度為0，任意物理法向量法向梯度為0。

圖3　風剖面和湍流強度隨高度變化圖

2.3進行不同湍流模型的數值模擬

通過ANSYS軟件中的計算流體模塊，對低層建筑結構分別進行不同湍流模型的數值模擬，此處采用的是基于雷諾平均法（RANS）計算的四種常用湍流模型（k-ε，Shear Stress Transport，SSG Reynold Stress）和分離渦模型（Detached Eddy Simulation），數值模擬完成后，輸出具體的數據（模型中軸線上的平均壓力系數）及圖形結果，見圖4～圖6，通過和TTU建筑模型（Texas Tech University Building Model）相應實測數據的對比分析，從而得出初步結論（注：該實測數據由美國德克薩斯州理工大學根據實體尺寸模型所測得出）。

圖4　90°風向角各種湍流模型中軸線平均壓力系數與TTU實測數據的比較

計算時采用量綱為1的平均風壓系數Cp以模型頂部高度H處來流動壓作為無量綱化的參考風壓，表示為：

其中，p為測點風壓值；p0為參考高度處的靜壓強；ρ為空氣密度；u0為參考高度處的平均風速［10］。

圖5　60°風向角各種湍流模型中軸線平均壓力系數與TTU實測數據的比較

圖6　TTU建筑表面風壓系數等值線圖

3　數據分析

根據兩者之間數據的對比可以看出，不同風向角條件下，四種湍流模型通過數值模擬運算得出的結果都比較接近，均合理反映了TTU建筑模型實測風壓系數的大致走勢。其中，在90°風向角條件下，迎流面和背流面的模擬運算數據基本都落在實測數據的范圍之內，但屋頂前端和屋檐處的計算結果與實測數據相比較小。在60°風向角條件下，背流面和屋頂處的模擬運算數據基本都落在實測數據的范圍之內，但迎流面上的計算結果與實測數據相比較小。通過90°和60°兩種風向角條件下的數據分析可以看出，90°風向角條件下最大負壓區出現在5 m處，60°風向角條件下最大負壓區出現在4 m（即屋檐）處。這說明低層建筑結構在風荷載的作用下，風向角對建筑表面風壓分布的影響很大，隨著風向角傾斜角度增大，流動分離作用逐漸增強，產生強烈的角錐狀渦，風吸力和負風壓系數均增大，在其屋檐處尤為明顯，對建筑結構安全造成威脅，在進行設計時應予以重點關注。

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Numerical simulations of the wind load with fluid-structure interaction★

Chen Qian Jiao Lang Cai Ruonan Wu Xi Han Fengxiao Jia Jie*
（College of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China）

Abstract：In this paper，the software of ANSYS is used to analyze the fluid-structure interaction. It changes the main external factors effecting fluid-structure interaction in wind-induced vibration of wind speed and direction angles. Then it has the numerical simulation of the low-rise building structure under the wind load and outputs the calculation result. The result of wind-induced vibration characteristics and the rules of influence of fluid-structure interaction with wind speed and wind angles are summarized by the comparison with real measured data.

Key words：fluid-structure interaction，wind load，numerical simulation

中圖分類號：TU312. 1

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）09-0039-03

收稿日期：2016-01-12★：黑龍江省級大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：201510225120）；黑龍江省自然科學基金青年科學基金項目（項目編號：QC2014C043）

作者簡介：陳謙（1993-），男，在讀本科生；焦朗（1995-），男，在讀本科生；蔡若楠（1991-），女，在讀本科生；武茜（1993-），女，在讀本科生；韓豐瀟（1994-），男，在讀本科生

通訊作者：賈杰（1980-），男，博士，副教授