结构风工程研究进展

2. CFD数值模拟计算流体力学(简称CFD)的理论基础是在流体基本方程(连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程)控制下，通过不同的离散方法建立离散点的集合(即用离散点来代替流体运动中在时间域和空间域上连续的场变影，求解这些离散点上变量间关系的代数方程组，其求解结果即为场变量的近似值。

通过CFD模拟，我们可以得到复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量(如速度、压力等)的分布，以及这些物理量随时间的变化情况图.3 CFD数值模拟影响因素分析计算区域、进口边界条件、湍流模型和网格划分等各种相关因素对CFD数值模拟结果准确度都有影响。

研究结果表明，在各种影响因素中，计算区域影响相对较小，而进口边界条件、网格划分和湍流模型的影响相对较大，而且进口边界条件中速度分布对计算结果的影响大于湍流强度分布对计算结果的影响，是进口边界条件中的关键部分。

同时，CFD模拟还要在计算机资源的限制下，在尽可能模拟实际流场的条件下，需对计算域的大小、边界条件的设定方而做相应简化和选择。

4 CFD湍流模型的选择目前，湍流模型主要有:标准的k-ε模型，RNG k-ε模型，k-εω模型，剪切应力输运(SST) k-ω模型，SSG RSM模型和BSL RSM模型。

各类湍流模型或多或少存在一些不足，因而构建新的模型或者改进现有模型，使其适合结构风工程计算仍然是CFD研究的一项课题。

8结论CFD技术是结构风工程研究的巨大飞跃,CFD计算所得平均风场特性已经被工程实践所认可，而且已达到实用化程度，针对工程实际，选用合理的数值模拟技术使其更广泛的应用于科研和工程中是关键所在;大涡模拟技术也在国内外取得了喜人的进展，用大涡模拟能真实地再现建筑物结构表而湍流特性，已然成为结构风工程研究的热点，但大涡模拟也存在计算量大、数值稳定性不好等问题，丞待研究解决。

.2 1湍流模型与数值参数选择基于通常流线体流动规律适用的湍流模式对于结构风场这类特殊的流动现象将可能不再适用。

在建筑风工程数值模拟研究中，如何选取和构造适当的湍流模型，以准确反映钝体绕流呈现的大范围分离湍流流动、显著各项异性流动特征将是一个关键的研究问题。

目前在计算风工程研究中，基于雷诺平均(RANS)的湍流模式仍是工程应用的主流。

标准k-εω模型由于引入各向同性和涡粘性假设，不能很好地预测钝体顶部的分离区和过高预测迎风面顶部湍动能生成项{3.4}，因此，计算风工程界一般都认为标准k-ε模型不太适合模拟钝体绕流流场中的冲撞和分离现象。

不同湍流模型之间预测的结果相差明显;相对而言，RNG k-ε模型、SST k-ω模型和v²-f 模型模拟方柱顶而分离流动结果较好，较好地预测出两边角位置出现的分离角涡，和试验结果较接近。

研究非定常的大涡模拟LES,离散涡模拟DES等湍流模式是今后的发展趋势。

除湍流模式的不同外，在建筑结构风工程数值模拟中，还需要对湍流模式中重要参数的取值进行仔细考虑，其对数值模拟结果的影响同样非常显著。

此外，非线性对流项离散格式，网格离散和流域设置等数值参数都对计算结果产生影响。

风洞试验另一个有待探讨的问题是洞壁干扰的影响、地面效应的影响和雷诺数的影响，即风洞试验的数据如何用于对工程的评估.1引言CFD是上世纪40年代产生、70年代迅速发展起来的，到目前借助CFD已经解决了不少难题，其中计算风工程克服了理论分析、风洞试验和现场实测方法的一些固有缺陷，成为结构风工程领域的一个重要分支。

相比于风洞试验，CFD技术有下列优点:①周期短，成本低，不同工况的参数易修改;②能够做足尺模拟，不受缩尺效应的影响，从而克服了风洞试验相似数难以同时保持一致的缺点;③能够得到在流域中任何位置处的流场信息，克服了风洞试验测点布置的局限性和实验数据的不完备性;④通过可视化后处理模块，能直观、形象地展示实验结果，易于一线设计者所接受，而目_随着计算机的不断发展，价格不断下降和计算性能的提高，使CFD越来越多的应用于建筑结构风工程的研究中。

利用CFD技术对钝体结构绕流流场进行模拟，计算模型参数众多，从而使得计算精度和诸多因素有关。

本文主要开展刘一湍流模型的选择、计算域网格划分、来流边界条件的设定等方面的研究工作，为CFD技术的实际应用提供参考。

CFD模拟包括数值计算方法、计算网格生成、湍流模型等内容。

目前主要的数值模拟方法可分为:有限差分法、有限元法、有限体积法和涡方法;有限体积法物理意义明确，能够保证离散方程的守恒特性，同时继承了有限差分和有限体积法的优点，在CFD的商用软件中应用最为广泛。

网格生成可采用结构网格和非结构网格，非结构网格具有构造方便，自适应能力强等特点，对计算域局部网格加密有较好的表现。

湍流模型是CFD数值模拟的核心内容之一。

对湍流的直接数值模拟一直受计算机速度和容量的限制，由均匀各向同性湍流统计理论可知，湍流中小旋涡的尺度随雷诺数(Re)的增加迅速减少。

直接数值模拟计算所需要的最小网格尺度必须小于最小的旋涡，就目前的情况而言，直接数值模拟只能计算Re数约为10³数量级的湍流。

所以计算高雷诺数的湍流，直接数值模拟遇到了严重的挑战。

湍流现象在自然界是普遍存在的，湍流基础理论的应用范围也比较广，但是学者们经过了100多年的小懈的努力，湍流的基本机理仍然未完全搞清楚，湍流作为力学中最为困难的难题之一摆在世人而前。

随着湍流试验测试技术水平提高、数学理论、数值算法和计算机技术的飞速发展，21世纪我们必将解开湍流这一困惑百年的难题。

风洞试验的理论基础是相似准则。

在模型与实物几何外形相似的基础上，若风洞模拟试验的对数衰减数、弹性数、密度比数、重力数、Reynolds数与实际情形相同，则满足一定长度缩尺比、速度缩尺比、密度缩尺比条件下的试验模型的响应与实际结构的响应相同或成比例。

在常规实验条件下，风洞中还不能完全复现真实条件下气流的运动状况。

因此，根据不同的实验目的，对上述参数近似、取舍，采用气动弹性模型或刚性模型。

前者直接测量动态风荷载和结构响应;后者借助高频动态天平测量风荷载，再根据结构固有特性，计算结构动态响应。

当测定结构物壁面的风速与风压分布时，一般采用刚性模型。

风洞中尖塔、挡板、栅格、粗糙元、湍流度调节器、紊流主动发生器等若干装置组合，可以比较精确地模拟自然风的紊流特性。

目前，超声风速仪、热线扫描仪、机械扫描阀测压系统、电子扫描阀测压系统、位移传感器等是风洞模拟试验数据的主要采集设备。

风洞试验时，要使风洞模拟的大气边界层流动与实际大气中的流动情况完全相似，则必须满足几何相似、运动相似、动力相似、热力相似以及边界条件相似等，这显然是不可能的，因此，只能针对具体的研究对象做到部分地或近似地模拟大气边界层.在风洞中进行建筑结构风荷载和风响应试验时，要求模拟速度层，即满足平均风速廓线和湍流结构特性相似.研究表明:在大气边界层底层强湍流场中，湍流结构特性的模拟比雷诺数模拟更具重要性.在风洞中模拟速度边界层的主要方法是采用旋涡发生器的人工形成法和在长试验段中调节地面粗糙高度的自然生成法两种.目前的主要难点是地形对近地层风特性影响的模拟和风切变近地层风特性影响的模拟和风切变(风速和风向)同时沿高度变化的模拟.3.现场实测现场实测是指观测实际建筑物表面的风压分布，测量结构各个部分的位移、变形等。

通过现场实测，可获得详细全面、可信度较高的数据资料，加深对结构抗风性能的认识，优化设计阶段所采用的试验模型或计算模型，为制定建筑荷载规范提供依据。

此外，现场实测能够及时发现问题，以便采取相应的处理措施。

目前使用的各种风速谱都是基于大量翔实的观测资料，如Davenport谱是在不同地点、不同条件下测得的90多次强风记录基础上归纳出来的，大多数国家建筑荷载规范都采用此水平风速谱公式。

美国曾在纽约世贸大厦(现以倒塌)上开展了风压实测工作。

张相庭教授基于对上海老电视塔近半年的现场实测数据，建立了风能耗散原理。

德国Peil教授和Noelle博士对高344m的Gartow桅杆进行了大量的现场测试，并根据观测结果总结出桅杆顺风向振动响应的特征。

我国工程界对超高层建筑上的风向、风速、风压测试工作非常重视，曾在深圳地王大厦、香港中国银行大厦等开展过连续观测。

然而，现场实测也受到一些条件的限制:一是自然风变化不定，工作环境可能不安全;二是现场测试组织和安排比较复杂，耗时耗资大，实验成本高;三是实测数据的精度问题，涉及到传感器的质量、数据的采集与传递、信息的存贮与后处理等方面。

此外，现场实测一般在工程建成并投入使用后才能开展，只能为今后同种类型的工程结构设计提供参考。

因此通常只对重大科研项目开展现场测试。

1.3风洞试验风洞试验是结构风工程研究中最成熟、应用最广泛的研究方法。

目前国内外所建复杂体型建筑的结构设计所需抗风参数，均需通过风洞试验获得，同时也可通过风洞试验研究复杂体型结构的风压特性，并总结其风荷载规律。

风洞试验有显著的优点:试验条件、试验过程可以人为地控制、改变和重复;在实验室范围内测试方便并且数据精确。

风洞试验也有缺点，如风洞本身造价昂贵、动力消耗巨大;从模型制作到试验完成的周期较长;试验都是针对特定的工程结构进行，结构模型利用率低;风洞洞壁干扰、支架干扰等。

另外还存在紊流尺度、雷诺数相似模拟的困难和非线性相似率模拟的新问题，但目前风洞试验仍为重大工程抗风设计的信息来源和依据。

CFD是上世纪40年代产生、70年代迅速发展起来的，到目前借助CFD已经解决了不少难题，其中计算风工程克服了理论分析、风洞试验和现场实测方法的一些固有缺陷，成为结构风工程领域的一个重要分支。

相比于风洞试验，CFD技术有下列优点:1.周期短，成本低，不同工况的参数易修改;2.能够做足尺模拟，不受缩尺效应的影响，从而克服了风洞试验相似数难以同时保持一致的缺点;3.能够得到在流域中任何位置处的流场信息，克服了风洞试验测点布置的局限性和实验数据的不完备性;4.通过可视化后处理模块，能直观、形象地展示实验结果，易于一线设计者所接受，而且随着计算机的不断发展，价格不断下降和计算性能的提高，使CFD越来越多的应用于建筑结构风工程的研究中。

伴随着计算机硬件技术的迅速提升以及数值计算科学的发展，综合多种学科优势，应用“数值风洞”技术，对大气边界层风场环境中建筑结构的绕流场进行数值模拟，计算结构承受的风荷载甚至结构的动力响应，模拟建筑所处的风场环境以及其他一些风工程相关问题，正在或者已经成为可能。

特别是伴随着计算机硬件技术的匕速发展和商用软件的推广使用，结构风工程领域数值模拟呈现出蓬勃发展的势头。

实现二维、全物理过程、全系统规模的高分辨率、高逼真度的模拟是建筑结构抗风数值研究的最终目标。

然而要实现这个目标，需要解决二个核心问题:可靠的湍流模式、先进的计算方法和高性能的计算机。