一种基于大涡模拟在竖向脉动风荷载作用下的膜结构抗风优化方法

技术领域

本发明涉及建筑行业结构抗风分析的技术领域，尤其涉及一种基于大涡模拟在竖向脉动风荷载作用下的膜结构抗风优化方法。

背景技术

目前大跨度膜结构的风压特性研究方法主要有现场实测，风洞试验及数值模拟三种方法。现场实测是最为直接有效的方法，依据对结构的实时监测从而得到真实的数据结果，但此方法因周期长、费时费钱、人力物力需求量大，且不能预前进行，现场实测有一定的局限性。风洞实验试验费用高，周期长，很难保证试验模型是抗风性能最好的模型，对于监测点的布置以及风压的同步测定等问题上有不足之处。数值模拟法与上述两种方法相比，具有周期短、费用低、控制方便的优点，并且可以进行反复模拟。该方法不但克服了诸多局限性，并且可以为建筑结构风场提供准确、高效的模拟结果。

目前膜结构风压荷载特性的数值模拟研究依然是数值计算中非常具有挑战性的工作，诸多问题尚处于初探阶段。国内外的许多学者做了很多行之有效的研究工作，为大跨度膜结构的风压特性研究奠定了基础。

1993年，Murakami等人通过大涡模拟方法模拟了德克萨斯科技大学的TTU标准低矮房屋建筑的风压和风流场，并同现场实测和风洞试验所得的数据进行了数据对比。潘毅等人采用简化气弹模型对考虑流固耦合效应的薄膜结构振动频率进行研究，通过对开敞式薄膜和封闭式薄膜在来流风下的振动频率特性进行研究，分析两种膜结构在不同条件下振动频率的变化规律和影响因素。王彬、杨庆山、朱伟亮等人通过运用弱耦合算法，实现了对一系列三维张拉膜结构的流固耦合数值模拟。孙晓颖基于弱耦合分区求解策略，搭建了薄膜结构三维流固耦合效应的数值模拟平台沈世钊、武岳等人采用分区法对张拉结构的风致流固耦合作用进行了研究，对湍流的模拟采用了LES模拟方法编制了二维结构的流固耦合程序，模拟实现了二维情况下对结构及其周围流场运动的实时模拟。康楠对采用弱耦合算法求解流固耦合问题时的求解策略进行了分析，基于大涡模拟方法对湍流控制方程进行了推导，研究了湍流控制方程的离散格式以及对离散方程进行数值求解的SIMPLE算法。李启基于弱耦合算法，将亚格子模型模块和动网格模块与求解任意拉格朗日欧拉动网格-大涡模拟(ALE-LES)方程的程序结合；采用九点网格重构法优化了动网格更新策略，解决了网格畸变的问题；开发了适用于模拟动边界钝体绕流风场的CFD计算程序，实现了二维封闭式平屋盖膜结构和四周封闭的三维大跨平屋盖膜结构的数值模拟。

目前对大跨度膜结构的抗风设计研究中研究的风荷载特性普遍针对于水平方向或是平均风荷载，对竖向脉动风荷载作用下膜结构的风压特性及膜结构优化却鲜有涉及，而竖向风荷载对于膜结构来讲，与水平风荷载有着同样重要的。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于大涡模拟在竖向脉动风荷载作用下的膜结构抗风优化方法，研究膜结构在竖向风荷载作用下的脉动风压特性，为柔性膜结构的抗风设计提供参考依据。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于大涡模拟在竖向脉动风荷载作用下的膜结构抗风优化方法，包括如下步骤：

步骤1：根据模型尺寸在UG软件中建立基准模型并导入ICEM中进行网格划分；

步骤2：设置边界条件参数；

步骤3：将大涡模拟模型数据与RNG k-ε模型数据对比，证明大涡模拟的正确性及精确性；

步骤4：利用大涡模拟方法研究不同风速下不同膜结构模型在竖向脉动风荷载作用下脉动风压特性规律；

步骤5：在步骤4的基础上针对鞍形膜结构和拱形膜结构进行优化分析研究，进而进行膜结构抗风设计。

可选的，所述步骤1中建立模型选取波浪形、鞍形及连续拱形三种不同形式的大跨度膜结构计算模型；网格划分采用混合网格划分，膜结构外部区域采用结构化网格划分。在划分膜结构网格时利用ANSYS ICEM局部加密、边界层加密等技术对流动变化较剧烈和关键位置进行网格加密。计算域离散均匀，重要部件的y+值控制在1左右，以达到湍流模型的最佳要求。

可选的，所述步骤2的边界条件参数的设置中，采用基于压力的求解方式，求解使用压力-速度场耦合，并且差分方式均选用高阶精度进行计算。

可选的，所述步骤3中，在于选取的RNG k-ε是在标准的k-ε模型上改进得到的，改进后的湍流模型为Prandtl数提供解析公式，相较于之前的常数有效的增加了模拟仿真的精确性，并且模型考虑了湍流涡结构影响。RANS方程计算得到的一般是时均流场，所以流场中是没有流动细节的，大多数研究者均采用此湍流模型，方法可行行真实可靠。

进一步的，所述步骤4中，本发明采用大涡模拟方法对竖向脉动风荷载进行时程模拟，研究三种不同形状的膜结构在竖向脉动风作用下的抖振响应及脉动风压分布规律，对结构进行脉动风速分别为10m/s、15m/s及20m/s下的膜结构脉动风压的数值模拟并得出分区系数值。

所述步骤5中，从多角度、系统化将流线设计理念巧妙渗透到膜结构外观设计各环节，包括流线设计原则、流线设计方法手段等，对鞍形膜结构和拱形膜结构进行优化设计。

由上，本发明基于计算流体力学中的大涡模拟方法，选取实际工程中较为典型的波浪形、鞍形及连续拱形大跨度膜结构形式，研究了竖向脉动风荷载作用下，各不同形式膜结构的脉动风压特性。研究了不同风速工况下，各种膜结构在竖向脉动风作用下结构表面的脉动风压特性，分析得到竖向脉动风作用下不同形状膜结构的脉动风压分布规律。研究了基于流线型设计理念，对鞍形膜结构和拱形膜结构进行优化。研究成果对膜结构在竖向风荷载下的抗风设计及优化设计提供参考。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中基于大涡模拟方法在竖向脉动风荷载作用的膜结构抗风设计及优化方法的流程图；

图2为本发明数值模拟中涉及到的模型；

其中(a)为鞍形膜结构模型；(b)为波浪形膜结构模型；(c)为连续拱形膜结构模型；

图3为三种模型的网格划分图；

其中(a)为鞍形膜结构网格划分图；(b)为连续拱形膜结构网格划分图；(c)为波浪形膜结构网格划分图；

图4为本发明数值模拟中各模型相应的计算模型尺寸图；

图5为不同湍流模型计算结果对比图；

其中(a)为LES计算风振响应图；(b)为RNG k-ε计算风振响应图；

图6为不同湍流模型位移计算结果对比图；

其中(a)为LES计算位移图；(b)为RNG k-ε计算位移图

图7为不同形状膜结构屋盖脉动风速时程对比图；

其中(a)鞍形膜结构屋盖竖向脉动风速时程图；(b)为波浪形膜结构屋盖竖向脉动风速时程图；(c)为连续拱形膜结构屋盖竖向脉动风速时程图；

图8为鞍形膜结构屋盖测点分布示意图；

图9为鞍形膜结构屋盖在不同风速下的风振响应对比图；

其中(a)为风速10m/s的脉动风时的风振响应图；(b)为风速15m/s的脉动风时的风振响应图；(c)为风速20m/s的脉动风时的风振响应图；

图10为鞍形膜结构在不同风速下的脉动风压分区对比图；

其中(a)为鞍形膜结构在10m/s的脉动风速下的脉动风压分区图；(b)为鞍形膜结构在15m/s的脉动风速下的脉动风压分区图；(c)为鞍形膜结构在20m/s的脉动风速下的脉动风压分区图；

图11为波浪形膜结构屋盖测点分布示意图；

图12为波浪形膜结构屋盖在不同风速下的风振响应对比图；

其中(a)为风速10m/s的脉动风时的风振响应图；(b)为风速15m/s的脉动风时的风振响应图；(c)为风速20m/s的脉动风时的风振响应图；

图13为波浪形膜结构在不同风速下的脉动风压分区对比图；

其中(a)为波浪形膜结构在10m/s的脉动风速下的脉动风压分区图；(b)为波浪形膜结构在15m/s的脉动风速下的脉动风压分区图；(c)为波浪形膜结构在20m/s的脉动风速下的脉动风压分区图；

图14为连续拱形膜结构屋盖测点分布示意图；

图15为连续拱形膜结构屋盖在不同风速下的风振响应对比图；

其中(a)为风速10m/s的脉动风时的风振响应图；(b)为风速15m/s的脉动风时的风振响应图；(c)为风速20m/s的脉动风时的风振响应图；

图16为连续拱形膜结构在不同风速下的脉动风压分区对比图；

其中(a)为连续拱形膜结构在10m/s的脉动风速下的脉动风压分区图；(b)为连续拱形膜结构在15m/s的脉动风速下的脉动风压分区图；(c)为连续拱形膜结构在20m/s的脉动风速下的脉动风压分区图。

具体实施方式

下面参见附图对本发明所述基于大涡模拟在竖向脉动风荷载作用下的膜结构抗风优化方法进行详细说明。

如图1至16所示，基于大涡模拟在竖向脉动风荷载作用下的膜结构抗风优化方法，本发明的大涡模拟方法的竖向脉动风荷载作用下的膜结构抗风设计及优化方法，包括以下步骤：

步骤1：根据模型尺寸在UG软件中建立基准模型并导入ICEM中进行网格划分。

本实施方式中，建立模型选取波浪形、鞍形及连续拱形三种不同形式的大跨度膜结构作为计算模型；流体网格的划分方式为混合网格划分方式。如图3所示，其中马鞍形结构网格数351万，655060个节点；连续拱形结构网格数335万，3441565个节点；波浪形结构网格数338万，3470026个节点。

步骤2：设置边界条件参数；

本实施方式中，模型尺寸缩放比为1：100，结构模型如图2，不同结构模型的具体参数见图4所示，其中假设计算模型宽度为L1，长度为L2，最大高度为H

步骤3：将大涡模拟模型数据与RNG k-ε模型对比，证明大涡模拟的正确性及精确性。

本实施方式中，将大涡模拟模型与RNG k-ε模型模拟对比，图5为不同湍流模型风振响应结果对比图，根据其中a、b对比可以明显看出随着计算时间的推进，风振相应呈现逐渐增大趋势，但采用RNG k-ε计算时其最大值在300左右进行波动，而LES计算的结果则是在350左右进行波动，并且波动的幅值明显大于RNG模型计算结果。由此可见，采用精度更高的LES模型可以更加精确的捕捉到膜表面的细节流动，同时LES模型对流场的变化也更为敏感。

图6为不同湍流模型位移计算对比，根据其中a、b膜结构位移对比可以发现，对于不同的湍流模型，其位移变化趋势没有明显区别。RNG湍流模型也可以在一定程度上计算出较为靠谱的结果，并且计算速度快，如果只观察流动分布趋势，可以采用此湍流模型计算。在鞍形膜结构的迎风面上，由于气流发生偏转流速升高，此处压力系数下降至-1893，膜结构表面压力系数最大处位于中部达到757，对应于图6中的最小变形区域。由于RNG湍流模型计算误差较大，在提取详细数据时明显存在无法分辨的情况，而精度更高的LES模型则可以很精细的分辨出不同风压系数分区，有利于研究膜结构表面更为细致的流动现象，验证了大涡模拟的正确性及精确性。

步骤4：利用大涡模拟方法研究不同风速下不同膜结构模型在竖向脉动风荷载作用下脉动风压特性规律。

本实施方式中，脉动风速共有三种，分别为10m/s、15m/s、20m/s。大跨度膜结构形式共有三种为鞍形膜结构，连续拱形膜结构和波浪形结构。

图9为鞍形膜结构屋盖在不同风速下的风振响应对比图，其中a为10m/s风速的风振响应图，b为15m/s风速的风振响应图，c为20m/s风速的风振响应图；根据其中a、b、c三个对比图可知，风振响应频率并不均匀，并且尾部频率开始变得剧烈，从模拟结果中可以得出，第一耦合作用与竖向脉动风风振响应有直接关系，第二这些现象符合脉动紊流风的随机性和无序性，流层不再是成层流动，而是呈现不规则紊动，并且质点间也有相互混掺问题出现。以上两条结论可以大致总结出，竖向脉动风引起的风振响应对膜结构表面影响较为严重，所以必须考虑该情况对结构进行抗风设计时的影响。

图10为鞍形膜结构屋盖在不同风速下的脉动平均风压分区对比图，其中a为10m/s风速的脉动风压分区图，b为15m/s风速的脉动风压分区图，c为20m/s风速的脉动风压分区图；根据其中a、b、c三个对比图可知，采用欧洲规范中的风压分区排布方式，对三种风速下的鞍形膜结构屋面进行脉动风进行时成模拟，并提取数据，生成风压系数平均分布图，由脉动风谱生成的脉动风速图上可以看出，速度时程毛刺较多，曲线振动非常强烈，证明受竖向风作用的影响极其明显。整体竖向风脉动风考虑风振响应时，脉动风压值比只考虑平均风风压时，风压数值增大明显，可见竖向脉动风在对大跨度膜结构做抗风研究时是必须考虑的影响因素。

图12为波浪形膜结构屋盖在不同风速下的风振响应对比图，其中a为10m/s风速的风振响应图，b为15m/s风速的风振响应图，c为20m/s风速的风振响应图；根据其中a、b、c三个对比图可知，当风速提升到20m/s时，响振频率变得极为剧烈，这些现象的出现跟波浪形屋盖形状有关，因为屋盖表面高度不断的变化，结构自由频率降低，波浪形屋盖对风振响应变得更加敏感，说明竖向脉动风引起的风振响应对波浪形膜结构屋盖表面影响较为严重，所以必须考虑风振响应。

图13为波浪形膜结构屋盖在不同风速下的脉动平均风压分区对比图，其中a为10m/s风速的脉动平均风压分区图，b为15m/s风速的脉动平均风压分区图，c为20m/s风速的脉动平均风压分区图；根据其中a、b、c三个对比图可知，平均风压大致呈对称分布，最大风压值主要集中在膜结构屋盖中央区域，但由于是脉动风，不是完全对称，与大涡模拟模型有关，模拟数值结果更贴合实际工程。

图15为连续拱形膜结构屋盖在不同风速下的风振响应对比图，其中a为10m/s风速的风振响应图，b为15m/s风速的风振响应图，c为20m/s风速的风振响应图；根据其中a、b、c三个对比图可知，其响应频率大多较为平稳，末尾部位出现衰减，这符合随机性振动现象。但当风速达到20m/s时，初始的峰值频率和尾部的峰值频率接近，并且尾部频率开始变得剧烈，曲线振动强烈，这表明随着模态的光滑运动，风振响应逐渐接近并且稳定于起始点，这些结论充分体现了竖向脉动风引起的风振响应对膜结构表面影响是巨大的，应当予以考虑。

图16为连续拱形膜结构在不同风速下的脉动风压分区对比图，其中a为10m/s风速的脉动平均风压分区图，b为15m/s风速的脉动平均风压分区图，c为20m/s风速的脉动平均风压分区图；根据其中a、b、c三个对比图可知，平均风压最大值部分均集中在一侧，这可能是大跨度膜结构形状导致，风压起伏较大，曲线振动非常强烈，证明受竖向风作用的影响极其明显。因此竖向脉动风在对大跨度膜结构做抗风研究时，应当重视。

步骤5：在步骤5的基础上针对鞍形膜结构和拱形膜结构进行优化分析研究，进而进行膜结构抗风设计。

本实施方式中，针对于鞍形膜结构和拱形膜结构基于流线型设计理念进行优化设计。本发明从多角度、系统化剖析空气动力学因素对膜结构外部形状的影响，深化把握环境风速、空气阻力大小二者之间的关系，包括膜结构所受空气阻力类型，即迎风阻力、形状阻力，迎风阻力大小和膜结构横截面积大小相关，形状阻力大小和膜结构外形相关，结合流线设计要求以及重点，将流线设计理念巧妙渗透到膜结构外观设计各环节，包括流线设计原则、流线设计方法手段等，最大化发挥流线设计作用，有效解决空气阻力问题的同时优化膜结构使用性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。