任意六面體網(wǎng)格系統(tǒng)建筑風(fēng)致干擾數(shù)值模擬

研究品字形建筑群靜力干擾效應(yīng),以及受擾建筑表面風(fēng)壓系數(shù)干擾因子的空間分布,分析建筑相對(duì)位置變化對(duì)靜力干擾效應(yīng)的影響.結(jié)果表明,建筑物串聯(lián)布置且間距較小時(shí),遮擋效應(yīng)明顯;建筑間斜列布置時(shí),靜力干擾效應(yīng)減弱;建筑間并列布置時(shí),容易發(fā)生狹縫效應(yīng).對(duì)于成品字形建筑群,下兩建筑對(duì)上一建筑的干擾效應(yīng)具有遮擋效應(yīng)又有狹縫效應(yīng).受擾建筑表面風(fēng)壓的干擾因子,其分布沿高度和寬度的不同位置而變化顯著.

為研究超高層建筑風(fēng)致內(nèi)壓的干擾效應(yīng),在不同干擾工況下對(duì)一典型開洞超高層建筑進(jìn)行了內(nèi)壓風(fēng)洞試驗(yàn).分析了不同截面寬度、不同高度施擾建筑干擾下的平均與峰值內(nèi)壓干擾因子的分布規(guī)律,并通過功率譜分析,研究了有、無干擾建筑時(shí)脈動(dòng)內(nèi)壓的能量分布.結(jié)果表明:有、無干擾下的超高層建筑風(fēng)致內(nèi)壓近似服從高斯分布;串列布置時(shí),隨著施擾建筑與受擾建筑的截面寬度比的增大,內(nèi)壓干擾因子逐漸減小;在并列布置且側(cè)面開洞時(shí),平均與峰值內(nèi)壓均呈放大效應(yīng),且干擾因子隨著寬度比的增大而隨之增加,峰值內(nèi)壓干擾因子最大值為1.33,此時(shí)若并列間距較小時(shí),旋渦脫落共振峰值消失,但helmhohz共振峰值能量會(huì)被大幅提高;當(dāng)串列布置且施擾建筑高度與開洞所在高度相近時(shí),側(cè)面開洞受擾建筑的峰值內(nèi)壓始終被放大,峰值內(nèi)壓干擾因子最大值為1.12.

在相鄰建筑物的干擾下,受擾高層建筑的風(fēng)荷載與其在孤立狀態(tài)下相比會(huì)有較大的變化。本文采用動(dòng)態(tài)測力天平技術(shù),通過模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究了方形截面高層建筑在周邊另一個(gè)同樣建筑的氣動(dòng)干擾下,其平均、脈動(dòng)和峰值扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載的干擾效應(yīng),分析了建筑物間距、風(fēng)場和風(fēng)向角等參數(shù)的影響。研究表明,高層建筑扭轉(zhuǎn)荷載的干擾效應(yīng)很顯著,b類風(fēng)場0°風(fēng)向角下,峰值扭矩干擾因子ifp可達(dá)2.1,45°風(fēng)向角下更可高達(dá)3.5。最后通過分析受擾模型的基底扭矩譜討論了上游建筑旋渦脫落的影響。

首先采用測力天平模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究了2棟高層建筑間的靜力干擾效應(yīng),得到2個(gè)相同的方形截面建筑在不同相對(duì)位置時(shí)的靜力干擾因子fm.然后基于fluent6平臺(tái)采用rng(renormalizationgroup,重整化群理論)κ-ε湍流模型,計(jì)算了d類地貌風(fēng)場中2棟高寬比均為6的方形高層建筑模型(10cm×10cm×60cm)在串列、并列和偏置狀態(tài)下的靜態(tài)三維流場和風(fēng)荷載;并與風(fēng)洞試驗(yàn)得到的靜力干擾因子進(jìn)行了比較.結(jié)果表明,數(shù)值模擬方法是研究建筑物靜力干擾效應(yīng)的一種有效途徑,相對(duì)于試驗(yàn)方法,數(shù)值模擬更具有優(yōu)勢.

本文根據(jù)線彈性力學(xué)的有限單元法,選用六面體單元,借助fortran90具有模塊化、封裝機(jī)制、自定義等編程特性,開發(fā)線彈性階段的六面體單元計(jì)算程序,為計(jì)算地基沉降提出一種可行、有效的方法.并利用該方法能自行修訂所需參數(shù),以達(dá)到計(jì)算精度要求.最后,通過與ansys軟件計(jì)算模擬地基沉降的結(jié)果比較與分析,驗(yàn)證其可靠性和適用性,并對(duì)比不同節(jié)點(diǎn)六面體單元的精確度.

在建筑風(fēng)場的數(shù)值模擬中,當(dāng)前普遍采用的離散網(wǎng)格多是計(jì)算前一次性布置的固定網(wǎng)格,通常很難適應(yīng)實(shí)際流場變量的變化要求。為提高數(shù)值模擬的精度,基于結(jié)構(gòu)化同位網(wǎng)格系統(tǒng)及控制容積離散微分方程的方法,將適應(yīng)性網(wǎng)格局部加密(amr)的思想引入到采用壓力校正迭代算法的建筑風(fēng)場模擬中,提出了一種半自適應(yīng)的層塊網(wǎng)格加密方法。該方法可結(jié)合誤差分析對(duì)誤差較大的區(qū)域網(wǎng)格實(shí)行自動(dòng)判別并實(shí)施逐層塊狀加密。算例分析表明,該方法能在較高的效益下提高數(shù)值解的精度。

提出將三維地質(zhì)建模技術(shù)與巖土工程數(shù)值模擬相結(jié)合,發(fā)揮三維地質(zhì)建模在刻畫地質(zhì)實(shí)際上的優(yōu)勢,為數(shù)值模擬提供盡可能準(zhǔn)確的地質(zhì)模型;借鑒基于剖面的建模技術(shù),形成了適合于六面體剖分的三維地質(zhì)建模方法;在此基礎(chǔ)上,利用多重映射網(wǎng)格,實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜構(gòu)造巖體六面體網(wǎng)格剖分;將該技術(shù)應(yīng)用到楊村煤礦西淝河左堤下采煤可行性分析研究中,取得了較好的效果。

從建筑群風(fēng)效應(yīng)的角度出發(fā),運(yùn)用數(shù)值模擬方法,結(jié)合風(fēng)洞模型試驗(yàn)對(duì)群體低層四坡屋面房屋周圍的風(fēng)場及表面風(fēng)壓進(jìn)行了計(jì)算和分析,并與雙坡屋面建筑群做比較,在單體數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果有較好吻合的前提下,獲得了有相鄰建筑干擾的情況下,低層四坡屋面房屋的表面風(fēng)壓的變化規(guī)律,為群體建筑的合理建筑形式及結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

在風(fēng)洞中用高頻動(dòng)態(tài)天平研究了兩個(gè)高層建筑間的風(fēng)致干擾效應(yīng)。通過分析上游施擾模型的尾流和動(dòng)態(tài)天平試驗(yàn)中受擾模型的基底彎矩譜,得到了上游建筑的旋渦脫落、上游建筑對(duì)受擾建筑自身渦脫特性的影響以及上游建筑尾流中紊流的增強(qiáng)這三種因素是建筑物風(fēng)致動(dòng)力干擾效應(yīng)的機(jī)理。最后分析了風(fēng)場對(duì)動(dòng)力干擾效應(yīng)的影響。

以sph算法為代表的無網(wǎng)格方法在爆轟波的數(shù)值模擬中具有明顯的優(yōu)勢,采用sph算法模擬高能炸藥水下爆炸爆轟過程,得到了壓力、速度等時(shí)歷曲線.將數(shù)值模擬結(jié)果與理論和實(shí)驗(yàn)方法得到的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,表明sph算法非常適宜處理高能炸藥水下爆炸的極短瞬時(shí)具有大變形和高度非均勻的動(dòng)力學(xué)極端情形,且求解結(jié)果已達(dá)到了較高的精度。

基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)翼型表面的積冰進(jìn)行了數(shù)值模擬研究.通過求解氣體歐拉方程得到翼型的繞流流場,使用穿透型壁面邊界模擬水滴對(duì)翼型表面的撞擊,采用迭代法對(duì)水滴控制方程進(jìn)行數(shù)值求解,得到翼型表面的水滴收集特性;采用不同的積冰凍結(jié)模型模擬霜冰和明冰的凍結(jié)過程;利用冰層時(shí)間推進(jìn)法模擬積冰過程,基于積冰法向生長假設(shè)生成積冰外形.對(duì)naca0012翼型霜冰和明冰的結(jié)冰情況進(jìn)行了預(yù)測研究,通過將冰形預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比說明所提出的積冰模擬方法是有效的,最后分析了積冰對(duì)翼型氣動(dòng)特性的影響.

近年來大量超高層建筑結(jié)構(gòu)與風(fēng)荷載相關(guān)的研究工作相繼開展,取得了很多有意義的成果。文章以某超高層建筑為例進(jìn)行了研究,在隨機(jī)風(fēng)致振動(dòng)影響下,敘述了風(fēng)荷載特性與脈動(dòng)風(fēng)荷載的數(shù)值模擬方法。采用matlab軟件分析了結(jié)構(gòu)在x、y兩個(gè)不同方向在脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下的時(shí)程響應(yīng),為提高結(jié)構(gòu)的安全舒適使用性能以及為該結(jié)構(gòu)的風(fēng)振控制設(shè)計(jì)提供了依據(jù)和參考。

柵格翼是采用一種蜂房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的升力面和控制面,和傳統(tǒng)舵面相比具有鉸鏈力矩小、能在較大攻角下保持升力等特點(diǎn),并得到了越來越廣泛的應(yīng)用。由于柵格尾翼的特殊結(jié)構(gòu),網(wǎng)格生成具有很大的難度。本文采用了結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格的辦法,在彈體和柵格翼的物面附近區(qū)域,生成適合粘性計(jì)算的大長寬比的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,彈體網(wǎng)格和柵格翼網(wǎng)格之間采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行填充,滿足非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格交接面的完全對(duì)接。本文基于結(jié)構(gòu)/非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格體系采用有限體積方法求解ns方程,對(duì)不同舵偏角下的柵格翼構(gòu)形進(jìn)行了數(shù)值模擬,并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)數(shù)值方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

基于移動(dòng)最小二乘法近似函數(shù)和以有限元網(wǎng)格作為積分背景網(wǎng)格的無網(wǎng)格法理論,對(duì)板料沖壓成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,利用罰函數(shù)法引入本質(zhì)邊界條件處理成形過程中的接觸摩擦問題,并將模擬結(jié)果與有限元法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明:無網(wǎng)格伽遼金法的計(jì)算結(jié)果與有限元法計(jì)算結(jié)果基本吻合,無網(wǎng)格伽遼金法作為新興的數(shù)值計(jì)算方法,具有前后處理簡單,精度高等特點(diǎn),為板料沖壓成形的數(shù)值模擬提供了一種有效的新方法。

無網(wǎng)格法數(shù)值模擬基于變分原理,采用權(quán)函數(shù)來擬合真實(shí)解,因此,權(quán)函數(shù)的構(gòu)造形式至關(guān)重要。無網(wǎng)格法不需要網(wǎng)格單元,只需具體的節(jié)點(diǎn)信息,是一種很有前途的數(shù)值模擬方法。在已有研究工作的基礎(chǔ)上提出一種復(fù)雜河道平面區(qū)域布點(diǎn)算法,利用該方法生成的離散節(jié)點(diǎn)可直接用于無網(wǎng)格法數(shù)值模擬計(jì)算,也可以進(jìn)一步利用各種網(wǎng)格化方法,由散點(diǎn)生成無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。為了控制散點(diǎn)分布密度,引入了密度控制函數(shù)。區(qū)域布點(diǎn)算法的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是點(diǎn)包含算法,給出了一種既簡便又易于實(shí)現(xiàn)的算法。應(yīng)用實(shí)例檢驗(yàn)了所提出的方法的可行性,并編制了fortran語言環(huán)境下的自動(dòng)生成程序。

采用無網(wǎng)格算法對(duì)二維非定常膛口流場進(jìn)行了數(shù)值模擬.將膛口計(jì)算域進(jìn)行點(diǎn)云離散,采用曲線擬合計(jì)算傳播導(dǎo)數(shù),用hllc格式計(jì)算數(shù)值通量,運(yùn)用龍格庫塔法時(shí)間推進(jìn),得到了一系列隨時(shí)間順序的數(shù)值計(jì)算結(jié)果,描述了膛口流場的形成發(fā)展過程,清楚地顯示了流場波系結(jié)構(gòu)的變化并對(duì)其進(jìn)行了分析.計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符,表明該數(shù)值計(jì)算方法可行,并且具有很好的激波捕捉能力和激波分辨率.

為了解決流固耦合問題中的物體大幅度運(yùn)動(dòng)帶來的困難,采用ale(arbitrarylagrange-euler)動(dòng)網(wǎng)格方法跟蹤自由表面上浮體的運(yùn)動(dòng)。計(jì)算表明:浮體在無粘流體中的垂蕩與彈簧-物體的振動(dòng)模型理論解符合得較好;浮體在粘性流體中的自由橫搖為阻尼運(yùn)動(dòng),其橫搖角度隨時(shí)間的增加而減小,且在不同初始角度下運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的固有周期相當(dāng)。在有外力力矩激勵(lì)時(shí),外力力矩的周期與系統(tǒng)的固有周期相當(dāng)時(shí)浮體橫搖運(yùn)動(dòng)趨于共振狀態(tài),運(yùn)動(dòng)幅度最大。計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了計(jì)算程序的可靠性與精度。本文方法為ale方法應(yīng)用于流體-多浮體耦合運(yùn)動(dòng)分析奠定了基礎(chǔ)。

結(jié)合低層民房風(fēng)荷載及抗風(fēng)性能的研究,基于reynolds時(shí)均n-s方程,采用由標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模型擴(kuò)展的rngk-e模型,對(duì)一幢低層雙坡屋面單體房屋和由六幢該類房屋組成的群體建筑的周圍風(fēng)場及表面風(fēng)壓進(jìn)行了數(shù)值模擬。數(shù)值模擬采用具有良好適應(yīng)性的四面體單元進(jìn)行計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分,頂點(diǎn)中心格式的有限容積法進(jìn)行控制微分方程的離散,simple壓力校正迭代算法實(shí)現(xiàn)對(duì)非線性離散化方程的求解。在單體計(jì)算結(jié)果和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果有較好吻合的前提下,重點(diǎn)獲得了群體效應(yīng)下低層雙坡屋面房屋表面風(fēng)壓的分布規(guī)律和特征。

本文采用數(shù)值模擬方法預(yù)測由近地三維流動(dòng)風(fēng)引起的建筑物的表面風(fēng)壓。文中運(yùn)用一種擴(kuò)展的ｋ－ε紊流封閉模型，導(dǎo)得了穩(wěn)態(tài)流動(dòng)風(fēng)的統(tǒng)一形式的控制微分方程。采用控制容積法對(duì)微分方程作了離散，ｓｉｍｐｌｅｃ壓力校正迭代算法實(shí)現(xiàn)了非線性離散化方程的求解。實(shí)例計(jì)算與分析比較表明，本文的模擬方法改善了對(duì)建筑物側(cè)風(fēng)面和頂面風(fēng)壓值的預(yù)測。

本文采用數(shù)值模擬方法預(yù)測由近地三維流動(dòng)風(fēng)引起的建筑物的表面風(fēng)壓。文中運(yùn)用一種擴(kuò)展的ｋ－ε紊流封閉模型，導(dǎo)得了穩(wěn)態(tài)流動(dòng)風(fēng)的統(tǒng)一形式的控制微分方程。采用控制容積法對(duì)微分方程作了離散，ｓｉｍｐｌｅｃ壓力校正迭代算法實(shí)現(xiàn)了非線性離散化方程的求解。實(shí)例計(jì)算與分析比較表明，本文的模擬方法改善了對(duì)建筑物側(cè)風(fēng)面和頂面風(fēng)壓值的預(yù)測。

采用可實(shí)現(xiàn)的k-ε湍流模型,對(duì)處于b類地貌風(fēng)場中由4棟復(fù)雜體型高層建筑組成的建筑群進(jìn)行了靜力風(fēng)荷載和風(fēng)場的數(shù)值模擬,計(jì)算得出了群樓周圍的流場分布和建筑表面各測點(diǎn)的風(fēng)壓,與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果比較表明:數(shù)值模擬方法具有較好的精度,可用于兩個(gè)以上的復(fù)雜體型高層建筑群樓的靜力干擾研究。著重討論了復(fù)雜體型高層建筑物之間的靜力干擾效應(yīng),結(jié)果表明:串列布置時(shí),上游建筑對(duì)下游建筑的迎風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面都有影響;而并列布置時(shí),靜力干擾作用只發(fā)生在相鄰建筑物的側(cè)風(fēng)面,對(duì)相鄰建筑物的迎風(fēng)面影響很小;靜力干擾效應(yīng)隨高度有顯著的變化,尤其對(duì)高低錯(cuò)落的建筑群,表現(xiàn)為明顯的三維效應(yīng)。

采用作者等人開發(fā)的基于deform-3d與pro/engineer的網(wǎng)格行重構(gòu)技術(shù),對(duì)典型大斷面空心鋁合金工業(yè)型材分流模擠壓全過程(包括焊合過程)進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明,采用某企業(yè)的現(xiàn)行模具設(shè)計(jì)方案,擠壓初始階段,型材兩側(cè)焊合面率先產(chǎn)生焊合,中間部位焊合面的焊合相對(duì)滯后,導(dǎo)致擠出型材斷面的中間位置金屬流量不足,同時(shí)模芯出現(xiàn)彈性偏移,易造成壁厚超差;擠壓穩(wěn)態(tài)階段,?？赘浇筒牡淖罡邷囟葹?20℃、焊合室內(nèi)的靜水壓力約為a6005鋁合金屈服強(qiáng)度的5~10倍、模芯彈性偏移量為0.43mm,基本滿足型材擠出溫度、焊合質(zhì)量及壁厚尺寸公差的要求。