[发明专利]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

说明书

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，在UG中建立模型并导入ICEM中进行网格划分；设置结构模型参数；设置边界条件；将大涡模拟模型数据与RNGk‑ε模型对比，验证大涡模拟的正确性及精确性，利用大涡模拟方法研究不同风速、不同膜结构模型在竖向脉动风荷载作用下脉动风压分布特性规律，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。本发明考虑流固耦合作用基于大涡模拟方法，对于膜结构在竖向脉动风荷载作用下的脉动风压特性进行研究，对于鞍形和拱形膜结构进行优化研究，对于完善膜结构的抗风设计理论有着重要的意义，并为膜结构建筑在实际工程中的抗风设计及优化设计提供了依据。

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；