考虑流固耦合效应的风荷载数值仿真计算★

陈谦　焦朗　蔡若楠　武茜　韩丰潇　贾杰*（东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨　150040）



·结构·抗震·

考虑流固耦合效应的风荷载数值仿真计算★

陈谦焦朗蔡若楠武茜韩丰潇贾杰*
（东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨150040）

摘要：使用ANSYS软件，通过改变影响结构流固耦合效应的风速和风向角等主要外界因素，对风荷载下的低层建筑结构进行不同湍流模型的数值模拟，输出计算结果，并与实测数据进行比较，得到风速和风向角对其结构的风致振动特性和流固耦合效应的具体影响规律。

关键词：流固耦合，风荷载，数值模拟

0　引言

目前我国在风工程领域，通常采用等效静力风荷载来考虑风振因素，然而建筑结构与风荷载两者之间是一个相互耦合作用的复杂系统，在研究风荷载对建筑结构的效应时，不能将风荷载仅仅作为一种静荷载来考虑。一般情况下，建筑规模的扩大使得结构遭受破坏的几率增大，然而近年来，低层建筑结构在强风影响下经常因局部损坏而导致整体结构的破坏，造成极大损失。因此，考虑流固耦合效应的前提下，研究风荷载对低层建筑结构的影响有着重要的学术价值和应用前景。

1　流固耦合问题的分析

1.1流固耦合的数值模拟技术

早期对于流固耦合问题的研究，风洞试验是最主要且有效的方法。但近年来，随着计算机性能的增强和计算流体力学（CFD）方法的成长，数值模拟技术逐步开始实用化，突破了试验上物质条件的限制，通过相关力学分析软件，可以建立较符合实际的结构风场，控制风速、风向角等主要外界因素，并同时自动满足关联的其他参数，进行流体动力学方程的数值求解，快速便捷的输出图形结果。

1.2数值模拟技术在国内外的研究状况

表1　近年来流固耦合数值模拟技术的发展状况［2-6］

流固耦合的数值模拟技术，无论在理论研究方面还是在工程应用方面，在国内外都是一个热点问题。但是因其为耦合机理的复杂和CFD计算软件的限制，使得到现在还未能找出一个求解模型，可以包含各种领域的流固耦合问题。只能根据某一类工程实际问题，建立相应模型，进行具体研究，给出解答。近年来国内外机构、学者都针对某一领域进行了研究验证，如表1所示。

2　数值模拟试验

2.1模型建立及流体域网格划分

按照模型的实际尺度建模，根据模型迎风面的尺寸和比例等因素，综合考虑最大阻塞率及流场发展的需要，将流体域的大小设定为145 m×135 m×40 m［7］。模型放置在流体域的1/3处，表面区域采用非结构化网格，外围区域则采用结构化网格，分别设置90°和60°风向角的模型进行计算，见图1，图2。

图1　90°风向角的计算模型

图2　60°风向角的计算模型

2.2流体域边界条件的设定

综合设定流体域边界条件，入口边界采用速度入口边界，主要考虑风剖面和湍流强度，其随高度增加的具体变化见图3。其中，风剖面按我国规范采用指数型，平均风速表达式确定：

其中，zb为标准参考高度，取10 m；z为任一离地高度，m；为标准参考高度zb对应的平均风速，m/s；α为地面粗糙度指数［8］。湍流强度则按日本建议的湍流强度I（z）表达式确定：

其中，zG为梯度风高度，zG= 350 m［9］。另外，出口边界采用自由出流边界，模型表面和地面为无滑移壁面边界，以及边界法向速度为0，任意物理法向量法向梯度为0。

图3　风剖面和湍流强度随高度变化图

2.3进行不同湍流模型的数值模拟

通过ANSYS软件中的计算流体模块，对低层建筑结构分别进行不同湍流模型的数值模拟，此处采用的是基于雷诺平均法（RANS）计算的四种常用湍流模型（k-ε，Shear Stress Transport，SSG Reynold Stress）和分离涡模型（Detached Eddy Simulation），数值模拟完成后，输出具体的数据（模型中轴线上的平均压力系数）及图形结果，见图4～图6，通过和TTU建筑模型（Texas Tech University Building Model）相应实测数据的对比分析，从而得出初步结论（注：该实测数据由美国德克萨斯州理工大学根据实体尺寸模型所测得出）。

图4　90°风向角各种湍流模型中轴线平均压力系数与TTU实测数据的比较

计算时采用量纲为1的平均风压系数Cp以模型顶部高度H处来流动压作为无量纲化的参考风压，表示为：

其中，p为测点风压值；p0为参考高度处的静压强；ρ为空气密度；u0为参考高度处的平均风速［10］。

图5　60°风向角各种湍流模型中轴线平均压力系数与TTU实测数据的比较

图6　TTU建筑表面风压系数等值线图

3　数据分析

根据两者之间数据的对比可以看出，不同风向角条件下，四种湍流模型通过数值模拟运算得出的结果都比较接近，均合理反映了TTU建筑模型实测风压系数的大致走势。其中，在90°风向角条件下，迎流面和背流面的模拟运算数据基本都落在实测数据的范围之内，但屋顶前端和屋檐处的计算结果与实测数据相比较小。在60°风向角条件下，背流面和屋顶处的模拟运算数据基本都落在实测数据的范围之内，但迎流面上的计算结果与实测数据相比较小。通过90°和60°两种风向角条件下的数据分析可以看出，90°风向角条件下最大负压区出现在5 m处，60°风向角条件下最大负压区出现在4 m（即屋檐）处。这说明低层建筑结构在风荷载的作用下，风向角对建筑表面风压分布的影响很大，随着风向角倾斜角度增大，流动分离作用逐渐增强，产生强烈的角锥状涡，风吸力和负风压系数均增大，在其屋檐处尤为明显，对建筑结构安全造成威胁，在进行设计时应予以重点关注。

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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

中图分类号：TU312. 1

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）09-0039-03

收稿日期：2016-01-12★：黑龙江省级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：201510225120）；黑龙江省自然科学基金青年科学基金项目（项目编号：QC2014C043）

作者简介：陈谦（1993-），男，在读本科生；焦朗（1995-），男，在读本科生；蔡若楠（1991-），女，在读本科生；武茜（1993-），女，在读本科生；韩丰潇（1994-），男，在读本科生

通讯作者：贾杰（1980-），男，博士，副教授