双筒壳结构风压系数的数值分析*

王孟鸿1　董诗远1　钱　胜1　薛　强2

(1.北京建筑大学“工程结构与新材料”北京高等学校工程研究中心， 北京　100044；

2.江苏恒信钢结构有限公司， 江苏徐州　221000)

摘　要：以尼日利亚OBJ水泥厂石灰石储料库双筒壳结构为研究对象，运用Fluent流体力学计算软件，基于Reynolds时均Navier-Stokes方程(N - S方程)和标准的湍流模型(κ - ε模型)对双筒壳结构的表面风压进行数值模拟，采用有限体积法对微分方程进行离散，并通过SIMPLE压力校正算法来实现非线性方程的迭代求解。结合数值模拟结果，探讨结构周围流场的绕流特性并给出双筒壳结构表面的风压分布。根据结构形式及风压分布特点，结合欧洲规范给出的结构表面风压的分区形式，将双筒壳结构表面分成了14个区域，侧面分成了6个区域，并给出了各个分区的风压系数以供同类工程设计时参考。

关键词：计算风工程；双筒壳结构；数值模拟

DOI:10.13206/j.gjg201510002

ABSTRACT：This paper focused on the double cylindrical shell structure of limestone warehouse of Nigeria OBJ Cement Plant as research object,numerical simulation of mean wind pressure distribution on the surface of the double cylindrical shell structure was performed by Fluent fluid dynamics calculation software based on the Reynolds-averaged N - S equations and Reynolds stress equation model(RSM).Finite volumn method was employed to discretize the governing differential equations, and SIMPLE pressure correction iteration algorithm was adopted to iteration solve the nonlinear equations.According to the results of numerical simulation ,the flow field around the structure was discussed and the characteristics of wind pressure distribution was achieved.Finally, based on the structure style and the characteristics of wind pressure distribution , combined with the form of wind pressure given in European standards, the surfaces and sides of wind pressure distribution of double cylindrical shell structure were divided into fourteen and six sub-regions separately , the wind pressure coefficients of each region could provide a reference for the similar engineering design.

收稿日期：2015 - 01 - 25

NUMERICAL ANALYSIS ON THE WIND PRESSURE COEFFICIENT OF DOUBLE CYLINDRICAL SHELL STRUCTURE

Wang Menghong1　Dong Shiyuan1　Qian Sheng1　Xue Qiang2

(1.Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Structure Engineering and New Materials,

Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China；

2.Jiangsu Hengxin Steel Structure Co. Ltd , Xuzhou 221000, China)

KEY WORDS：computational wind engineering; double cylindrical shell structure; numerical simulation

*北京市自然科学基金项目(8132023);北京建筑大学城乡建设与管理产学研联合研究生培养基地。

第一作者：王孟鸿，男，1965年出生，工学博士，教授。

Email: [e-mail]

1　工程概况

尼日利亚OBJ水泥厂工程，由瑞士Holosm投资，中材国际工程股份有限公司承建，江苏恒信钢结构有限公司分包网架工程,项目位于尼日利亚 OBAJANA镇，所处地带周围较空旷，且风速较大(设计风速为41.5 m/s)，因而风荷载是设计该工程必须要考虑的重要因素。该工程由两个相同的单筒壳连接而成，结构长度为251 m，结构跨度为126 m，高度为63 m，属于大跨、低矮且屋顶形状不规则的结构类型，图1为工程的侧面。

国内外规范中都只提供了单个筒壳结构表面风压分布的参考，对于双筒壳结构，则无可用的工程抗风设计的依据。由于工程要求在较短时间内完成设计工作，风洞试验所需试验周期长的缺点使其不能满足工程要求，而数值模拟不仅可以明显缩短试验时间，其结果也能达到工程设计要求，并可得到非常详尽的信息资料。因此， 采用数值模拟的方法来获得双筒壳结构表面风压分布，为该工程抗风设计提供可靠的参考依据。

图1　结构侧面

2　建立数值模型

2.1　几何模型的建立

本文采用FLUENT 6.3.26软件的前处理模块GAMBIT 2.4.6建立封闭式双筒壳结构的几何模型，为了在GAMBIT 2.4.6中建模方便，假设X轴方向为双筒壳结构跨度方向、Y轴方向为双筒壳矢高方向、Z轴方向为双筒壳长度方向，模型的缩尺比为1∶10，计算模型如图2所示。

图2　计算模型

2.2　计算流域的确定

本文根据前人总结计算流域大小取值经验及多次试算后，风洞高度取为15倍建筑物高度，风洞宽度取为15倍建筑物高度乘以2加上建筑物宽度，风洞长度取为15倍建筑物高度加上建筑物长度再加上30倍建筑物高度[1]。计算可得计算流域大小为长×宽×高=1 720 m×820 m×450 m。考虑到实际过程中风向的任意性，结合结构的对称性，本文数值模拟考虑了0°和90°两种常见的风向角，规定风向角沿着X轴正向为0°，逆时针旋转，沿着Z轴负向为90°，双筒壳结构平面不同风向角下示意如图3所示。0°和90°方向时，建筑物均放置于靠近入流边界1/3位置处[2]，如图4所示。

图3　风向角示意

图4　计算流域示意

2.3　网格划分

计算域边界面和建筑物表面采用三角形非结构网格单元进行离散，体网格采用四面体网格进行划分[3]，共划分1 622 393个单元。

2.4　边界条件

入口边界条件：采用速度入口边界条件(velocity-inlet)[4]，来流为GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[5]中的B类地面粗糙度剪切流，平均风速剖面为：

(1)

式中：z0和U0分别为标准参考高度和标准参考高度处的风速，我国标准参考高度一般取10 m，相应的平均风速按

=42.1 m/s；z和U分别为任一高度和任一高度处的平均风速；α为地面粗糙度指数，GB 50009—2012中B类地面粗糙度α=0.15。

来流湍流特性通过直接给定湍流动能k和湍流耗散率值ε的方式来定义：

(2a)

(2b)

式中：l为湍流特征尺度，参考日本荷载规范[6]，取

0.5；I为湍流强度，GB 50009—2012规范没有给出明确的I的定义，本例对B类地貌的模拟参考日本荷载规范第Ⅱ类地貌取值：

(3)

式中:zb=5 m;zG=350 m；α=0.15。

出口边界条件：流场任意物理量φ沿出口法向梯度为零，即

=0。

流体域顶部和两侧：自由滑移的壁面条件。

建筑物表面和地面：无滑移的壁面条件。

2.5　湍流模型和求解方法[7]

湍流模型采用标准的κ - ε模型。采用有限体积法对控制方程进行离散。采用3D单精度分离式求解器隐式算法对离散后的控制方程进行求解。对流项采用二阶迎风格式进行离散，扩散项采用中心差分格式进行离散。流场中速度 - 压力耦合采用SIMPLE算法，欠松弛系数采用缺省值。黏性牛顿流体，定常流动，流体介质为空气，具有低速、不可压缩性，密度为1.225 kg/m3，材料参数使用缺省值。标准的κ - ε模型中的各项相关经验数计算至控制方程的相对迭代残余量均小于3×10-4，同时检测建筑物表面平均风压力值基本不发生变化时，即认为计算流场已进入稳定状态。

3　数值计算结果分析

3.1　绕流特性及压力分布

图5、图6分别给出了双筒壳结构在0°风向角和90°风向角下周围流场的绕流特性。从风场速度云图中可以明显看出，沿着建筑物高度方向，速度呈增大趋势，且易发现建筑物背面有明显的碰撞、分离、吸附和回流现象。

图5　0°风向角下的速度云图　m/s

图6　90°风向角下的速度云图　m/s

图7　0°风向角下双筒壳整体风压分布云图　Pa

图8　90°风向角下双筒壳整体风压分布云图　Pa

图7给出了0°风向角下双筒壳整体风压分布云图； 图8给出了90°风向角下双筒壳整体风压分布云图。

由图7可知，0°风向角时，双筒壳结构正面表现为压力，并且沿着高度逐渐减小。背面多表现吸力，吸力在背面的分布呈现两边稍微大、中间稍微小的规律。尽管如此，风压在背面的分布相比正面而言比较均匀。风速方向平行于侧面，侧面的风压多表现为吸力，呈现近侧大、远侧小的规律，但是分布相比正面而言比较均匀。由图8可知，90°风向角时，双筒壳结构侧面表现为压力，而结构侧面附近出现较大的吸力，沿结构长度方向吸力快速减小，最后达到较小的吸力值。

a—A筒壳表面；b—B筒壳表面；
c—筒壳侧面。
图9　双筒壳0°风向角下的风压系数等值线

3.2　风压系数

无量纲的风压系数的定义：

(4)

式中:p为相对压力;ρ为空气密度，取1.225 kg/m3;v0为建筑物顶部的风速。

结合风压系数的定义，将FLUENT的计算结果算例(.cas)文件和数据(.dat)文件导入FLUENT后处理软件TECPLOT360中，可以获得双筒壳结构各个面的风压系数等值线图。图9给出了双筒壳结构在0°风向角下A筒壳、B筒壳以及筒壳侧面风压系数等值线。图10给出了双筒壳结构在90°风向角下A筒壳、B筒壳以及筒壳侧面的风压系数等值线。

a—筒壳侧面；b—A筒壳表面；
c—B筒壳表面。
图10　双筒壳90°风向角下风压系数等值线

图11　A、B筒壳在0°风向角下表面风压分区

图12　A、B筒壳侧面在0°风向角下风压分区

图13　A、B筒壳在90°风向角下的表面风压分区

图14　A、B筒壳侧面在90°风向角下的风压分区

根据FLUENT后处理软件TECPLOT360绘制的双筒壳结构在0°和90°风向角下的等值线图，将双筒壳结构表面和侧面进行分区，各分区见图11-图14。结合欧洲规范给出的结构表面风压的分区形式，给出了各个分区的风压系数，为尼日利亚OBJ水泥厂双筒壳结构工程的抗风设计提供参考依据，各分区的风压系数见表1-表3。

表1　A筒壳表面各分区风压系数Cp

风向角A1A2A3A4A5A6A70°0.930.53-1.94-2.50-1.23-0.56-0.4190°-1.05-0.75-0.54-0.41-0.48-0.39-0.25

表2　B筒壳表面各分区风压系数Cp

风向角B1B2B3B4B5B6B70°0.420.15-0.38-0.54-0.37-0.24-0.1890°-1.41-1.05-0.78-0.47-0.54-0.42-0.25

表3　筒壳侧面各分区风压系数Cp

风向角A1A2A3B1B2B30°-0.63-0.84-1.28-0.95-0.76-0.4390°1.040.890.721.030.910.73

4　结　论

1)从双筒壳结构在0°和90°风向角下的速度矢量云图可知，基于FLUENT软件的数值方法可以很好地模拟出双筒壳结构周围风场，沿着建筑物高度方向，速度呈增大趋势，且易发现建筑物背面有明显的碰撞、分离、吸附和回流现象。同时，结合双筒壳结构风压分布云图可知，速度与压力呈现速度大的区域压力小、速度小的区域压力大的规律。

2)从图11-图14可知，双筒壳结构正面分成14个区，侧面分成6个区，与GB 50009—2012规范中单筒壳风压系数的分布相比，本文对结构的分区更为详细与准确，并为同类工程设计提供参考依据。

3)从表1-表3中可以查得双筒壳结构A、B筒壳及筒壳侧面在0°和90°风向角下各个分区的风压系数，表明风向角对结构表面的风压系数影响较大，不同风向角下同一分区的风压系数差别较大。

参考文献

[1]　杨伟.基于RAMS的结构风荷载和响应的数值模拟研究[D].上海：同济大学，2004.

[2]　黄本才.结构抗风分析原理及应用[M].上海：同济大学出版社，2002.

[3]　王福军.计算流体动力学分析：CFD软件原理及应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[4]　吴雄华，施宗城.风对建筑物体绕流的数值模拟[J].同济大学学报：自然科学版，1996，24(4)：456 - 460.

[5]　GB 50009—2012　建筑结构荷载规范[S].

[6]　Architectural Institute of Japan. Recommendations for Loads on Building[S].2004.

[7]　丛峻.复杂空间结构表面风压的数值模拟：筒壳分析[D].北京：北京建筑工程学院，2009.