数值风洞模拟

更新时间:2023-12-30 23:12

数值风洞,又可称为计算风工程(Computing Wind Engineering,或CWE)是结构风工程中极具前景的一个方向,也是当前国际风工程研究的一个热点。

核心内容

计算风工程的核心内容是计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,或CFD),计算流体动力学在风工程中的应用已得到迅速发展。

优越性

计算风工程又称数值风洞方法,它与直接的风洞实验相比较,有它的优越性:

(1)具有模拟真实风环境的能力,这样可以按实际的风环境进行仿真和模拟;

(2)可以构建原型尺度的计算模型,避免了风洞试验只能进行缩尺实验的不足。

发展现状

气流在大气边界层中的流动属湍流,同时风工程研究的重点是钝体空气动力学,虽然计算风工程领域经过许多学者的努力,已经取得了许多成就,但至今其研究还是属于比较困难的领域,表现在建筑物或结构物总是在地表边界层内流场中存在,成为风流动中具有“纯体”的障碍物。纯体周围的流场很复杂,它由撞击(impingement)、分离(separation)、回流(reattachment)、环绕(circulation)和涡(vortices)等确定,见图1。因此计算风工程包含了当今世界上被认为是困难的所有流体动力学内容。

立方体模型周围的流场

尽管如此,计算风工程在城市和土木工程领域中的发展是很快的,由基础的研究开始逐步进入应用阶段,具体地表现在绕纯体流动的速度和压力场的分析、绕建筑物近地面步行风问题的分析、城市和区域气候分析、市区户外气候分析、绕建筑物或城区大气扩散分析,以及流体与结构气弹性耦合的基础研究等。

目前,随着湍流物理模型的发展,加之计算技术和软、硬件的飞速进步,在结构风工程领域中,对刚体建筑物壁面的平均风压及其周围风流场进行数值模拟已成为现实,国内凯德数值已完成了许多高层建筑(或高层建筑群)、大跨屋盖结构等平均风荷载的预测、建筑群风环境的模拟(如世博会园区风环境数值模拟),受到了工程界和结构设计人员的欢迎。

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