背风面（表面B
实体模式）广告牌表面风压力系数 （顺风向垂直于面板观看，θ=450）
面板半高处局部流速矢量图
实体模式
组合模式
组合模式表面风压分布示例
表面A
表面B
表面C
表面D
图3.5 组合模式广告牌表面风压力系数 （顺风向垂至于面板表面观看, θ=450）
组合模式控制面板设计的风压分布
表面A
表面B
结构风荷载数值模拟研 究
2020年4月30日星期四
目录
1. CFD的应用范围 2. 计算流体动力学基本原理 3. Fluent6.0用于结构静力风荷载计算
的可行性研究 4. 独柱支承广告牌的风荷载 5. 高层开洞建筑测压风洞试验及CFD数值模拟 6. 高层开洞建筑静力风荷载的影响参数分析 7. 两高层建筑间静力风致干扰效应研究
N-S方程：
雷诺时均运动方程
将湍流场看成是平均运动场和脉动运动场的叠加 ： 雷诺平均运动的连续性方程和运动方程：
雷诺应力输运方程及其模式化
完整的雷诺应力输运方程
上述各项依次为：对流、湍流扩散、分子扩散、压力 产生、浮力产生、压力应变、粘性耗散和系统旋转产生项
近 壁 面 分 区
壁面函数法(左)和近壁面模式化法(右)
CFD数值模拟的特点
1. CFD所依赖的控制方程在数学上为一组偏微分方 程；几乎只能通过数值方法得到工程实际问题的 解答。
2. 计算一般必须湍流模型。 1. 3. 数值计算特点： （1）计算节点和单元数量巨大。 （2）必须采用迭代算法求解。 （3）求解方法与问题的具体特点密切相关。 4. CFD的应用还仅限于对流场平均特性的描述。
来流湍流特性通过直接给定湍动能和湍流耗散率值的方式给出 ：
风场模拟中，我国现行规范还没有明确的湍流度要求 ，B、C和D类地貌的湍流强度分别采用澳大利亚规范中第2 、3和4类地貌的。
第三章 Fluent6.0计算静力风荷载的可行性
3.1 Fluent6.0简介
Fluent6.0是美国Fluent.Inc公司推出的大型计算流体动力 学(CFD)商业软件,是全球市场份额最大的CFD商业软件 。
CFD应用举例
1. 1997年Selvam等采用LES对得克萨斯科学研究建筑进 行了数值分析研究，分析采用了三种不同的来流条件 ，结果表明对平均值的预测与实测结果均吻合较好， 但对峰值压力，只有根据实测数据生成脉动来流条件 的数值模拟结果与实测吻合较好。
2. 1999年吴江航等采用CFX5.3(RSM模型)模拟了厦门国 际银行大厦有相邻高层建筑物影响情况下的风压，得 到了与实测在一定程度上较为相符的数值结果。
澳大利亚规范各类地貌下的湍流度近似曲线
根据相关资料给出的湍流度数据表对第1、2、3和 4类地貌数据回归，分别得到了下述表达式：
Z为所论点距底面的高度。 上述回归中的R2 依次为0.9655、0.9784、0.9953和0.9946 。
来流边界条件
入口来流条件：以具有代表性的地貌类别对应的大气 边界层流为来流条件进行计算。模型化后风剖面(模型比 1:S)的表达式为：
3.3立方体和柱体CFD计算
大气边界层流条件下，柱体正面压力系数沿高度变化明显 ；而侧面和背面变化相对比较缓慢，压力分布比较均匀。在数 值上，两者在正面和背面上吻合较好；在顶面上，Baines的结 果未能反映出屋面前缘因漩涡生成和脱落引起的较大风吸力现 象，Fluent则捕捉到了这一现象；对于侧面，试验值大于计算 值。
采用有限体积法，为保证计算过程的数值稳定性，离散化 处理控制方程时采用一阶迎风格式。考虑壁面存在对流场的影 响，对于所研究的具有逆压梯度和回流现象的流场问题，利用 非平衡壁面函数来修正RSM，以使RSM适用于近壁面区域 。
监测12个RSM下的控制方程迭代残余量和广告牌多个表面 的压力系数变化，当所有控制方程的相对迭代残余量均小于 5x10-4且同时监测得到的表面压力系数基本不发生变化时，认为 所得流场进入了稳态。
第一章 CFD的应用范围
计算流体动力学在建筑工程中的应用主要涉及以下几个方面：
1、建筑防火： 规范依据：标准火条件，结构的真实耐火极限与约束条件、
荷载、空间位置及实际火灾特性等有关。火场模拟、大跨结构）
2、建筑灭火： 涉及热、烟的输运和扩散，燃烧化学反应过程等，多相流问
题；工程中用于优化灭火喷头的设计，以便产生灭火效果较好的 水雾。
开洞建筑工程实例
日本NEC大厦
台湾高雄银行
新加坡IBM大厦
南斯拉夫贝尔格莱德 Genex Tower
风工程简史
1. 1889年Gustafu Eiffel是将假设的风荷载作用于结构上。 2. 二十世纪初，空气动力学得以创立。 3. 1940年塔科马窄桥(Tacoma Narrow Bridge) 事件。 4. 六十年代中期，出现了模拟大气边界层气流的结构风工
非平衡壁面函数
壁面函数法中，粘性影响内区不采用网格进行分辨、而 是在壁面和充分发展湍流区之间引入半经验的壁面函数来建 立联系。
非平衡壁面函数的主要出发点是：(1)采用Launder和 Spalding提出的平均速度对数律强烈依赖于压力梯度；(2)双 层模式思想被用于近壁面湍流动能相关量的计算。
在平均流场和湍流具有较大梯度和变化的复杂流场(包含 分离、再附和冲击等现象)中，非平衡壁面函数可以给出更好 的数值模拟结果。
独立墙体的风压系数取值，各国规范建议值不尽相同 ，在一些情况下存在较大的差异。早期根据均匀流场情况 下的试验结果给出的CP如表3-2所示
对于b/c=∞的平板，CP计算平均值为与表3-2吻合较好的 2.02。文献93针对两个实际墙体(b/h分别为10和18)进行 了实测研究，测点沿竖向分别布置在距墙体端部5h和9h 处，实测得到的CP平均值为1.581。文献93采用Phoenix 软件(κ－ε模型)计算得到的CP为1.59；本文Fluent6.0 (κ－ε和RSM模型)得到的结果分别为1.57和1.612。
壁面和出口边界条件及网格划分示意
计算域出口条件：湍流充分发展，流场任意物理量沿出口 法向的梯度为零， 即：
计算域壁面(针对风洞)及研究对象表面：无滑移 ；
右图为本章方柱体 (1:1:8)计算域利用对称 性以后的网格划分示意 图(仅示出计算域对称面 和底面上的网格)。
3.2 独立墙体和悬空讯号牌
对b/h不是很大的独立墙体和与地 面间隙较大的悬空广告牌，Fluent结果 与试验结果吻合较好。b/h较大时， Fluent结果显示的平均压力系数CP随b/h 的变化趋势与该文献试验结果恰好相 反。在最不利来流方向角下，墙体端 部总体平均最大风压系数Fluent计算值 为3.0, 与实测得到的结果吻合较好。
3、采暖与通风 4、建筑风环境设计：峡谷效应对行人的影响等。 5、结构所受风荷载分析与研究
1、空气无时不与我们同在，空气的流动就是我们通常所 说的风。风对处于其中的结构均存在荷载作用。对于超高层 建筑，风载效应可达总效应的50％以上。
2、风工程的研究方法包括现场实测、实验室模拟(主要 是风洞模拟)和理论分析（包括数值计算）。当前主要的研究 手段仍为实验室模拟 。
三块面板组成的 独柱支承广告牌
4.1 平行面板组成的独柱支承广告牌
广告牌示意
实 体 模 式 计 算 结 果
θ=00情况取半边区域进行计算，利用了对称性；CPA 、CPB分别为表面A、B上的平均压力系数，CMT为风载所致 绕面板中心竖轴的扭矩系数。
实体模式控制面板设计的风压分布
迎风面（表面A ）
雷诺应力方程模型(RSM)的特点
(1) 较为通用，计算量大。是最为复杂的经典湍流模型 。 (2)可以考虑雷诺应力方向性的影响。 (3)模型本身只适用于流场核心区，必须引入壁面函数 以使RSM在近壁面区域具有适用性（非平衡壁面函数 Non equilibrium wall functions)。
数值求解技术及收敛标准
Fluent结果与文献26的试验结果吻合较好，说明 Fluent6.0 完全可以用于高层建筑静风荷载干扰效应的分析研究。
本章小结
1.只有当控制方程的迭代残余量少于指定值，且所研究 对象各表面的压力系数基本不发生变化时，才可认为流场进 入了稳态。
2.现有的一些风洞试验结果间还存在不一致的地方，还 有待进一步进行研究或验证。
相关文献和CFD计算表明，在侧面上，来流侧的风吸力系 数应该大于另一侧的，由此可以推断：Baines在报告试验结果 时，可能将侧面风压分布中的来流方向标反了.
大量试验得到的无限长方柱体的阻力系数为2.0左 右。R.Frankie, W.Rodi采用RSM模型(应用了壁面函数) 得到平均阻力系数为2.15。 采用LES方法，文献95得到 的平均阻力系数只有1.65左右。
程专用风洞。 5. 1974年，the Journal of Wind Engineering创刊。 6. 1975年成立“国际风工程协会”(International Association
for Wind Engineering，简称IAWE) 。 7. 第8届ICWE (1991)上几篇CFD论文得以入选论文集。 8. 国内对风工程的研究起步相对较晚。
Fluent6.0按非稳态问题计算得到的长时段后的阻力 系数在1.60~1.92之间变化，平均值1.76, 较试验值偏低 。这一方面说明了无限长方柱体绕流问题的复杂性，另 一方面也暗示采用相同的方法，具体的算法和网格等因 素也会对最终计算结果产生影响。
两建筑风致干扰效应算例
1.施扰和受扰模型尺寸均为 100x100x600mm, 风洞断面1.8x1.8m ，B类地貌。 2. IFm定义为受干扰后的基底覆力矩 与未受干扰的倾覆力矩之比。
组合模式 广告牌表面风压力系数 （顺风向垂至于面板表面观看,θ=500）
3. 目前已有科学工作者开始用CFD研究风—结构相互作 用问题，Tetsuro Tamura等对几何形状相对简单的柱体 气动弹性行为进行了CFD研究，成功地再现了柱体各 种振动和失稳现象(结构本身简化为用弹性元件支承的 刚体)。