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来源：职称驿站所属分类：建筑设计论文 发布时间：2012-10-31浏览：28次
摘要：本文在简要介绍网壳结构的特点和优势的基础上，通过特定软件来求解Realizable形式的时均k-ε湍流模型，以此来获得穹顶结构设计的压力分布以及绕流结构数值，并在此基础上进一步结合湍流结构和流动分离的特点来对风压的实际分布规律来对其进行更加有力的解释。
关键词：穹顶结构，压力分布，绕流结构数值
现代科学技术的飞速发展使得很多新型轻质高强材料的出现有了可能，也使得很多新形式的建筑结构和施工工艺得以实现。这其中，大跨度的网壳结构凭着其自身特殊的优势而在各种各样的大型公共建筑中得到了较为广泛的应用。大跨度网壳结构的优势主要是体现在其自身质量较轻、自振频率低而且阻尼小等方面，因此可以看到的是，控制网壳结构设计的主要载荷是风荷载。更进一步的说，这类大跨度网壳结构由于其自身结构复杂和不规则的性质和其所处的位置决定所决定，它们往往都是处在大气环境一个复杂的状态下，这就导致了其绕流非常的复杂，对风荷载极其敏感，因此认为，对穹顶结构风载荷的压力分布以及绕流结构数值分析是具有实际的理论需求和工程意义的。
一建立有效的物理模型和数值分析方法
考虑到实际的穹顶建筑结构形式，在计算中还是保留该结构中网壳和钢筋混凝土的实际相对位置和尺寸，而且要求将网壳简化为球壳、钢筋混凝土简化为圆柱来进行模拟，球壳和圆柱均为刚体结构，球壳和圆柱间的连接和支撑使用直线光滑连接，这样就可以根据我们的要求，将实际的工程模型简化为计算模型，如下图1所示，其中穹顶结构底部的钢筋混凝土结构的直径是122.5m，顶部球形结构的外表面直径是66m，内表面的直径是63.12m，纵剖面的最高点距地面为33.4m。
图1穹顶结构的圆形计算模型
实际的计算中只需采用矩形的区域即可，在选定的计算区域内的各向边界上均取距离计算模型5倍于钢筋混凝土结构直径的位置，为了更好的来模拟计算模型尾流的发展状况，需要在其下游边界取距离计算模型10倍于钢筋混凝土结构直径的位置，这样做出来的计算可以表述为图2所示：
图2计算区域显示及其底部网格分布
上述工作完成后，网壳就会在计算区域内投射一个正方形的区域，且会向上扩展成为一个H型的网格，而除此结构以外的其他所有结构会在同样区域内扩展成为一个O型的网格，用标准的矩形结构对这个O型的网格进行连接，就可以使其扩展至整个的计算区域，这样就会形成如图3所示的分布图：
图3网格分布
如上文所述，计算中采用的是Realizable形式的时均k-ε湍流模型，实际的实验中，60°风向角下，Realizable形式的时均k-ε湍流模型模拟结果吻合的相当好。具体来说，认为计算区域的整体呈对称状态，也就是认为边界条件对称，然后在计算区域的迎风面上确定好入口速度的边界条件，并同时确定尾流出口处的边界条件，这些条件的确定就可以用来计算入流速度、湍流强度和动能以及湍流耗散率等的表达式。
二计算的结果显示与结果分析
2.1穹顶结构设计的压力分布
本文中所提到的穹顶结构设计是经典的圆顶近壁钝体绕流，根据已有的实验数据和事实我们可以得到穹顶结构设计的压力分布的公式为
Cp=(p-p0)/0.5ρu210
这其中，我们可以明显的看出模型上表面风压的分布规律，总的来说就是，平均风压在模型的迎风面流体滞止位置出现最大值此后由于流速的增加平均风压逐渐下降在网壳顶部以及钢混结构的侧缘出现大范围的负压区绕过模型顶部之后模型背风区内负压值逐渐减小到模型底部钢混结构中轴线位置平均风压恢复到零以上。
2.2穹顶结构设计的绕流结构数值
穹顶结构设计的绕流结构数值的计算也要从实验的实际数据和现象来进行探讨，根据已有的实验显示，来方向的风流在迎风面上直接冲击到流场的表面，以此来形成迎风面上的最大值，然后风流绕到结构的背面，在最大的截面位置，由于流动通道的压缩，就会使得流速相应的达到最大，因此这个地方的风压就会表现为最小（负值）。球壳的后缘和钢圆柱的背面都会发生风流的分离，这样就会形成两个不同方向的漩涡，因此在这些区域内就会保持一个相对平衡的风压。
在该区域还要注意到的一个明显的特点就是，在刚劲混凝土圆柱的上部，存在着一个显著的螺旋点，这就正好对应着近壁圆柱体上部的马蹄漩涡结构。可以看到的是，边界层上都是有发生结构表面的分离现象的，并且都是有对称流向的漩涡结构，且位于球状结构下部的，并最终终止于地面。
2.3参数的影响
参数对穹顶结构设计的压力分布以及绕流结构数值的影响主要是表现在地面地貌边界条件和高度的影响这两个大的方面，下面分别进行详尽的探讨。
2.3.1地面地貌边界条件的影响
地面地貌的边界条件会对其产生影响是因为地面地貌条件会引起球状网壳上风压和体型的相应变化，考虑风压高度变化的影响，就会发现模拟结果是完全重合于实际状况的，这也就更进一步说明体型系数是风载荷的特性，是区别于其他外在条件影响的。
2.3.2高度的影响
根据球壳的压力分布来看，刚劲混凝土结构最大的特点就是其高度的变化对其驻点的风压值是没有影响的，其正面的分压也是基本保持不变的，但其背面的风压值还是会发生相应的变化，具体为随着高度的增加而减小，且极值出现在弧顶的风压极小值位置。从扰流结构来看，地面上存在的风流体在壳面上的分离与流动都会改善其风压的分布状况，这也就是说，混凝土高度的减小，直接导致网壳更加靠近地面，也直接改变了其空间的位置，呈现出高度的三维效应。
三穹顶结构设计的压力分布以及绕流结构数值的分析结论
上文已经就穹顶结构设计的压力分布以及绕流结构数值的实验进行了描述和分析，也就是通过模拟的数值分析来研究与之相关的钢结构大气边界条件和平均风压等一系列的问题，并通过数字流场的显示技术，给出了更为直观的空间流场和截面流场，最终得出的结论如下：
3.1穹顶结构在迎风面上出现风压的最大值，这是因为迎风面上市直接承受来流冲击的，而其两侧的最大截面位置处则出现风压的最小值，这是因为在这些位置风流的通道受到了相应的压缩。球状结构的背面和刚劲混凝土的背面都会相应的出现边界层上的风流分离现象，同时出现漩涡结构。
3.2钢混结构高度的变化对煤场驻点最大风压值没有影响其迎风面的正风压值也基本保持不变而其两侧及背风面风压值随着钢混结构高度的增加而减小。
3.3煤堆两侧间隙流动加强了其后形成的流向涡结构导致其向外扩展因此钢混结构背风面风压也有所降低。而在煤场内部由于间隙相对较小煤堆内部流动很慢因此整个煤堆表面和球状网球内壁平均压力分布基本保持常数。网壳结构内部的负压分布导致整个网壳迎风面正压区风压增大而对分离区的负压有所缓解。
结语：事实上，对于穹顶结构设计的压力分布以及绕流结构数值的研究，早在上世纪60年代就已经有风洞试验，其实验结果也是收入到了美国建筑结构荷载规范中的，而在往后的研究领域又有更多的工作者进行了更为精准的实验。大的突破是在计算机技术的出现之后，这些研究工作不仅仅节省了不少的经费，其研究的深度和可靠度也是有了相当大的提高的。本文正是通过对球形结构和刚劲混凝土钢柱形结构的建立、数学化的简化和合理的推算演绎，结合实际环境中的参数影响，最终较为精准的得出可相应的结论，仅供同行参考。
参考文献：
[1]张攀峰，王晋军等.穹顶结构表面平均压力分布及绕流结构数值模拟[J].空气动力学学报，2010（2）
[2]黄强.底层建筑表面风载荷数值模拟研究[D].同济大学，2007
[3]胡烨，王晋军等.蝴蝶翼面形状对绕流结构的影响[J].空气动力学学报，2010（2）
《穹顶结构设计的压力分布以及绕流结构数值》
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文章名称： 穹顶结构设计的压力分布以及绕流结构数值
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