矩形截面建筑风荷载雷诺数效应数值模拟研究.pdf

分类号TU973+.2密级
UDC编号10486

武汉大学

博士学位论文

矩形截面建筑风荷载雷诺数效应

数值模拟研究

研究生姓名：张冬兵

指导教师姓名、职称：梁枢果教授

学科、专业名称：防灾减灾工程及防护工程

研究方向：结构风工程

二零一零年十一月

ADissertationSubmittedtoWuhanUniversity
infulfillmentofrequirements
forDoctorDegreeofEngineering

InvestigationonReynoldsnumbereffectsofwindloadson
rectangularhigh-risebuildingsbynumericalsimulation

ByZhangDong-bing

Majorsubject：DisasterPreventionand
MitigationandProtectiveEngineering
Supervisor：LiangShu-guo

SchoolofCivilandArchitecturalEngineering
WuhanHubei430072,P.R.C
November2010

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学位论文作者(签名)：

年月日

摘要

风洞试验是当前风工程研究和工程应用中可靠并广泛采用的研究手段，但随
着数值模拟研究方法的发展和普及，数值模拟也成为风工程研究的重要手段。特
别是风洞中无法模拟实际风场中的高雷诺数，雷诺数效应引起的风洞试验误差一
直是风工程界关注的重大研究课题，圆截面柱体的雷诺数效应已经引起风工程界
的重视，而对于有尖锐棱角的钝体，传统观点认为可以忽略其雷诺数效应。本文
采用基于Fluent软件的数值模拟方法研究了数值计算中钝体雷诺数效应的基础
问题及其工程应用；在一定雷诺数范围内针对不同宽长比矩形断面柱体风压特性
的数值模拟和风洞试验结果进行了系统的对比研究，本文主要工作如下：
1．数值模拟了TTU标模表面风压，计算过程中网格划分会强烈影响计算结
果的准确性，本文采用基于雷诺平均的湍流模型对多种网格进行了计算，讨论了
网格划分关键因素：离壁面第一层网格长度、壁面网格法向延伸率对计算结果的
影响。
2．根据风洞测试数据拟合了B、C、D类地貌风剖面的湍动能边界条件，并
在计算域中验证了基于k湍流模型的多种边界条件的自保持性。计算发现入
口边界条件中风速剖面的自保持性优于湍动能及耗散率剖面，对数律拟合的边界
条件的自保持性在近地面要优于指数律；
3．采用谐波叠加法和线性滤波法模拟B类脉动风速场，并对比分析了计算
效率和精度。把人工模拟的B类风速时程作为入流条件，采用大涡模拟(LES)计
算风场特性，在计算域内流场时、频域特性有很好的自保持性。
4．在风洞试验雷诺数下，对比了采用数值模拟和风洞试验方式得到的单、
群体建筑表面平均风压。通过增大风速和模型尺寸的方式提高雷诺数后进行了数
值模拟工况的对比，当结构为流线体时，结构表面风压及流场分布将发生变化；
但群体建筑中具有尖锐棱角的钝体表面风压分布并不随雷诺数而变化，而某些风
向角下流场会出现差别；
5．采用RNGk湍流模型计算了多种宽长比矩形模型表面风压及流场分
布，考虑的来流条件有：5%均匀紊流，15%均匀紊流及B类风场，并同风洞试
验相应雷诺数工况的模型表面风压分布进行了对比分析，总结了多种宽长比模型
的平均风压分布随雷诺数的变化规律，分析了来流条件对各雷诺数工况模型表面
平均风压及流场分布的影响。
6．采用LES模拟了均匀来流及5%均匀紊流中，0º风向角下多种宽长比矩
形模型的风压特性及流场分布，分析了一定雷诺数范围内模型的风压特性及顺、
横风向力谱的卓越频率随雷诺数的变化规律，并与相应雷诺数的风洞试验结果进
行了对比；在所计算的雷诺数工况中雷诺数变化对宽长比1:3矩形柱体表面风压
特性及流场分布影响明显。采用LES计算了B类风场中宽长比1:1方柱模型的
多种雷诺数工况，并同风洞试验结果进行对比；在所计算的雷诺数工况中模型平
均风压特性及顺、横风向谱的卓越频率随雷诺数变化不明显。
7．矩形断面模型可以采用改变尺寸和风速得到等雷诺数的工况，本文采用
LES计算了0º风向角下均匀来流中，宽长比为1:1，1:3，2