大跨建筑周围各向异性流场及屋面瞬态风荷载的数值模拟

The long-span roof structures are characterized by lightweight, flexibility and low self-vibration frequency. And they are sensitive to wind loading, which is usually one of the dominant structural loading on the roof design. The wind loading distributions are not only determined by upstream flow fluctuations, but also the turbulence characteristics, which are featured by the flow over long-span roof structures with various geometrical shapes. It is therefore imperative to study the complex transient wind loading distributions on the long-span roof structures. In order to achieve the aforementioned, numerical simulation method is adopted in this research, which will take the account of time-series wind velocity inflows, strong anisotropic turbulence flow around structures, unsteady nature of wakes and vortex shedding over long-span roofs. Transient inflow conditions, improved nonlinear eddy viscosity assumptions and modified sub-grid scale models will be introduced in RANS and LES simulations to predict wind loading distributions on the long-span roof structures. The corresponding results will be validated by wind-tunnel experiments from practical engineering projects. And numerical simulation platform will be developed to evaluate the turbulence flow characteristics and wind loadings on long-span roof structures. This research project mainly focuses on the key issues and provides wind loads guides during the long-span roof structures designs.

大跨度屋盖结构具有质量轻、柔性大、自振频率低等特点，因而风荷载成为屋盖结构设计的控制荷载之一。屋盖表面的风压分布不但与来流的脉动特性有关，还受到结构自身特征湍流的影响，因此对大跨屋盖结构瞬态风荷载的研究是非常复杂却十分必要的。针对大跨屋盖结构的风荷载分布特点，考虑大气边界层气流的特性、绕流场的强各向异性以及非稳态等重要因素；采用瞬态来流条件、修正非线性涡粘假定和改进亚格子模型，基于雷诺平均和大涡模拟方法，研究大跨度屋盖结构的风荷载分布；再以实际工程结构为背景，进行数值模拟和相关风洞试验结果的对比和验证；建立大跨度屋盖结构风荷载特性评估的数值平台。通过本项目的研究，重点解决大跨屋盖结构风荷载的关键问题与难点，为屋盖机构抗风设计提供依据和保障。

大屋盖结构具有质量轻、柔性大、自振频率低等特点，因而风荷载成为屋盖结构设计的控制荷载之一。屋盖表面的风压分布不但与来流的脉动特性有关，还受到结构自身特征湍流的影响，因此对大跨屋盖结构瞬态风荷载的研究是非常复杂却十分必要的。针对大跨屋盖结构的风荷载分布特点，考虑大气边界层气流的特性、绕流场的强各向异性以及非稳态等重要因素。. 基于小波包方法开发面向大涡模拟技术的瞬态来流条件，用来作为模拟大屋盖结构的绕流场；采用格林函数求解脉动压力表达式，作为边界处脉动压力与压力速度耦合项的模型；基于浸入体方法理论，采用雷诺平均和大涡模拟方法模拟大屋盖结构的风荷载分布；再以实际工程结构为背景，进行数值模拟和相关风洞试验结果的对比，验证了新方法的有效性和正确性。. 通过本项目的研究，完成高精度、适用于多尺度流场的大涡来流条件，用于生成不同尺度和频谱特性的湍流来流；通过选取适当的格林函数求解脉动压力、压力-速度耦合项，用来研究大屋盖表面脉动压力与脉动速度场相关性分布以及其对近壁流动的影响；基于上述入口条件和脉动压力处理方法，采用浸入体理论与标准数值模拟技术，分别进行平屋盖和曲面屋盖的流场与风压场分布，并与相关风洞试验结果进行对比分析，获得不同类型大屋盖的特征风压。. 本项目的研究成果具有重要实际价值，项目成果解决了大屋盖瞬态流场分析的关键问题，建立大屋盖结构风荷载特性评估的数值平台，重点解决大屋盖结构风荷载的关键问题与难点，为后续柔性屋盖风致效应分析提供流场平台和技术储备。