基于CFD的体育场挑篷选型研究

王建群,李大浪,黄恒平,张冬兵

（1.中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330031；2.江西省交通科学研究院，江西南昌330038）

基于CFD的体育场挑篷选型研究

王建群1,李大浪1,黄恒平1,张冬兵2

（1.中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330031；2.江西省交通科学研究院，江西南昌330038）

为研究设计初期主要形状参数,对大跨索膜挑篷结构风荷载的影响,采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法,对某挑篷结构初步方案的风荷载及流场进行了数值模拟。通过多类形状参数的比较,认为地形、挑篷倾角及看台的封闭性对结构风荷载及流场分布有较大影响,并给出建议设计参数进行风洞试验。

计算流体动力学；体育场挑篷；风压系数；流场

风洞试验是目前进行复杂建筑结构抗风研究的主要手段,除风洞试验外,风工程研究者开始采用基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)技术的数值模拟方法来研究大气边界层中的建筑结构钝体绕流问题[1]。数值风洞技术(Numerical Wind Tunnel)利用CFD方法在计算机上模拟结构周围风场的变化并求解结构表面的风荷载,是近年来发展起来的一种结构风工程研究方法，并形成了新兴的结构风工程分支—计算风工程学(Computational Wind Engineering,CWE）。相对于试验研究方法,数值模拟技术具有费用省、周期短、效率高等优势,同时可以方便地变化各种参数,以探讨各种参数变化对结构抗风性能的影响,优化结构初步设计方案。随着计算机技术的发展,数值模拟技术已成为辅助传统风洞试验的工具,并且能较理想地模拟结构表面静风荷载[2-3]。索膜结构因其质轻高强、易造型等优点越来越受到设计人员的青睐,但该结构同时具有柔性大、阻尼小的特点,风荷载成为结构设计的主要控制荷载。已有研究者通过CFD进行建筑风荷载的研究，并应用到结构初步设计和风荷载计算方面。金新阳[4]、李晓润[5]等均采用CFD方法对国内某大跨结构初步设计方案优化及结构表面风压系数进行了研究，为结构设计提供参考依据。本文采用CFD方法对某海边体育场的索膜结构挑篷初步方案选型进行了研究。

1 工程概况

某海边体育场需要增加索膜结构的挑篷,其中风荷载是影响结构安全的关键荷载之一。由于外形构造对风荷载取值敏感，本文针对索膜挑篷结构设计考虑的形状参数进行风荷载数值模拟研究,辅助设计人员确定设计形状,进行风洞试验。该体育场为椭圆形,长、短轴分别长252 m、210 m,看台高32.5 m,挑篷长约63 m,体育场周围环境及剖面图如图1、2所示;初步设计考虑的结构形状及影响因素有：挑篷根部看台墙是否封闭、挑篷前端是否折角、挑篷倾角角度、来流上游的地形影响。在CFD计算时挑篷简化为平板,简化后物理模型如图3所示,其中短轴计算工况如表1所示。

图1 体育场环境示意

图2 体育场剖面

图3 CFD计算简化模型

表1 计算工况

2 数值计算方法

2.1 计算模型和网格划分

本文使用CFD商业软件Fluent6.3进行数值计算，采用了实际尺寸建立二维模型,并设置了合理的计算流域。网格划分时使用非结构/结构网格的混合建模策略,对结构表面及附近网格进行了加密,网格大小由内向外按比例递增同时限制最大网格长度[6]。

2.2 边界条件的设定及壁面处理

根据结构周围地形地貌及计算对边界要求的计算,入流面采用速度入口模拟B类大气边界层风剖面,平均风速(ν)剖面按地貌指数α=0.16确定,标准点风速为30 m/s,湍流参数采用湍动能和湍动耗散率ε组合输入,k=0.5(νI)2,ε=0.093/4k3/2/l,其中湍流强度I和湍流积分尺度l参考日本规范得到。大气边界层平均风速剖面、湍流度、湍动能及耗散率如图4所示。入流面参数均采用Fluent提供的UDF(用户自定义函数)功能来实现；出流面采用压力出流边界条件(press-flow);流域顶部及两侧采用自由滑移壁面条件(system);结构表面及地面采用无滑移的壁面条件,由于近壁区湍流发展不充分,选用非平衡壁函数对壁面进行处理。

图4 计算域入流条件

2.3 计算模型

湍流模型采用RNG k-ε模型,对流项的离散格式采用二阶迎风格式,压力—速度耦合方程的解法采用SIMPLE算法[7]。

2.4 数据处理

定义平均风压系数为：

式中：pi为测点的平均风压值；ρ为空气密度,νs为标准高度的风速[8]。

本项目计算平均风压系数时,参考风速均为37.7 m/s。

3 数值模拟结果

采用CFD方法计算出的上下游挑篷顶底面风压系数及总风压系数如图5所示。其中：垂直挑篷表面向外(吸力)为负,向里(压力)为正;上下表面风压叠加后的风压系数方向定义同上表面一致。挑篷风压系数表示垂直其表面的压力(或吸力)与来流风的速度压的比值,横坐标为水平方向的坐标,挑篷Ra坐标0点为挑篷根部位置,挑篷Rb坐标0点为挑篷顶点位置。

图5 风压系数分布

其中工况1、2(墙是否封闭)相较,工况2(墙不封闭)上游挑篷上下表面风压系数(绝对值)均略有减小,但总风压系数相差并不明显；而下游挑篷下表面风压系数(绝对值)及总风压系数有明显减小。

其中工况2、3、4(挑篷倾角变化)相比,上下游挑篷上表面风压系数随挑篷倾角变化较为明显;工况4 (倾角20°)上下游挑篷总风压系数(绝对值)均较工况3(倾角10°)大。

当挑篷前端有折角时,对折角处局部风压分布有影响,但对整个挑篷风压影响不大;而在来流上游处地形变化时,对挑篷风压系数大小有影响,而对风压分布影响较小。

工况2、8的流线及涡脱图如图6所示。从两种工况流线分布来看,挑篷倾角对涡脱分布影响明显,势必会引起风压分布及脉动强度不一致。

图6 流场分布

4 结论

通过CFD对索膜挑篷结构初步设计时,多类形状参数对结构风荷载影响的数值模拟研究认为：看台与挑篷根部不封闭,能有效地减小某些风向角的风荷载;挑篷前端折角对结构风荷载分布影响较小;地形对结构风荷载分布影响明显,在计算结构风荷载时需要合理模拟结构周边地形;选择挑篷10°左右倾角进行结构设计,并采用风洞试验了解风压分布及脉动风对结构影响。

[1] 顾明.土木结构抗风研究进展及基础科学问题[M]//国家自然科学基金委员会工程与科材科学部.建筑、环境与土木工程.北京：科学出版社,2006：382-403.

[2] 杨伟.基于RANS的结构风荷载和响应的数值模拟研究[D].上海：同济大学,2004.

[3] 张冬兵.矩形截面建筑风荷载雷诺数效应数值模拟研究[D].武汉：武汉大学,2010.

[4] 金新阳,杨易,盛平,等.新广州火车站大跨屋盖结构风荷载风洞试验与数值模拟研究[J].建筑结构,2009(12)：55-58.

[5] 李晓润,吴昌栋,李悦,等.双拱大跨屋盖结构风载的数值模拟研究[J].同济大学学报,2011(8)：101-104.

[6] 张冬兵,梁枢果，陈寅，等.大型煤气柜风荷载的风洞试验及数值模拟[J].实验流体力学，2010，24(6)：47-51.

[7] 王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社,2004.

[8] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50009-2012建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012．

Study on Canopy Roof Model Selection Based on CFD Stadium

WANG Jianjun1,LI Dalang1,HUANG Hengping1,ZHANG Dongbing2

(1.China Nerin Engineering,Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China;2.Jiangxi traffic science research institute, Nanchang,Jiangxi 330038,China)

In order to study form parameter at primary design period and its impact on wind load of large span membrane canopy structure,Computational Fluid Dynamics is used for study.Make numerical simulation for wind load and fluid flow of primary selection scheme of a certain canopy roof structure.Terrain,canopy roof dip angle and closure of bleachers will have influence on structure wind load and flow field distribution through comparison of multiclass form parameter.In addition,some design parameters are given for wind tunnel test.

CFD;stadium canopy roof;coefficient of wind pressure;flow field

TU312+．1

B

1004-4345(2014)05-0059-03

2014-04-21

王建群(1979—),男,工程师,主要从事建筑结构设计工作。