重要土木工程组织风荷载之数据仿真

　　第1章 绪论

　　1.1 引言

　　风灾是自然灾害的主要灾种之一，它发生的范围十分广泛，造成的灾害后果十分严重，而且发生频率很高，给整个地球带来了不可估量的损失。据世界气象组织的报告，全球每年死于热带风暴的人数约为 2000～3000 人。西太平洋沿岸国家平均每年因台风造成的经济损失为 40 亿美元。我国华南地区受台风影响最为频繁，其中广东、福建最为严重，有的年份登陆以上两省的台风可多达 14 个。此外，台湾、福建、浙江、上海、江苏等也是受台风影响较频繁的省市。在西太平洋沿岸国家中，登陆我国的台风平均每年有 7 个左右，占这一地区登陆台风总数的 35% 。

　　台风给登陆地区带来的影响是十分巨大的。如：1994 年，9417 号台风在浙江瑞安登陆，“风、雨、潮”三碰头，全省受灾农作物750 万亩，死亡 1 126 人;1996 年，9608 号台风先后在台湾基隆和福建福清登陆，10 多个省市受灾农作物 5400 多万亩，死亡 700 多人;9711 号台风于 1997 年 8 月10 日在关岛以东洋面生成，先后在浙江温岭和辽宁锦州登陆，10 多个省市受灾农作物面积 1 亿多亩，死亡 240 人。其间上海出现狂风、暴雨、高潮“三碰头”的严峻局面，长江口、黄浦江沿线潮位均超历史记录，黄浦公园站潮位达 5.72m，超警戒线 1.17 m，相当于 500 年一遇的水位，市区防汛墙决口三处，漫溢倒灌近 20 处，39 处电线被刮断，70 条街路积水，倒塌房屋 500 余间，导致 135 个飞机航班不能按时起降，22 条轮渡线全部停驶，直接经济损失约 6.3 亿元以上;2004 年在浙江温岭登陆的第 14 号台风(云娜)，共造成浙江省 75 个县(市、区)、765 个乡(镇)、1299 万人受灾，农作物受灾面积 392khm2，倒塌房屋 6.4 万间，因灾死亡 179 人，失踪 9 人，直接经济损失 181 亿元。随着现在全球气候变暖，气候变化越来越异常，台风的频率和强度都在增大。因此，对超高层的表面风压以及沿海一带的低矮房屋进行风荷载特性以及抗风措施的研究，对于减少我国沿海地区风灾损失以及国民经济的发展将具有十分重要意义。

　　1.2. 风工程研究现状

　　风工程的研究手段包括现场实测、实验室模拟(主要是风洞试验)、和理论分析(包括数值计算)。

　　1.2.1现场实测

　　现场实测是风工程中最直接的研究手段，能够检测数值模拟和风洞试验的可靠程度。现场实测主要是利用加速度计、风速仪等仪器对建筑物的加速度和风环境进行测量计算得到建筑物的风实际风振响应和风特性。但是现场实测必须在建筑物建设中和建设后才能进行，无法事先进行预测，似的其具有比较大的局限性。而且现场实测需要很大的资金投入、人力投入，并且需要很长时间，所以在实际中的应用并不是很普遍。

　　1.2.2风洞试验

　　风洞试验是在实验室模拟大气边界层的实际风环境和实际建筑结构，从实验室中的模型风效应考察实际的结构风效应。风洞试验是在人为控制条件下进行的结构风效应再现，其工作效率很高。对于复杂环境下，有复杂外形的建筑结构的风效应研究，用其它手段将很难进行时，风洞试验只需对实际条件作适当的简化就可以到达研究目的。事实上风洞试验是目前研究超高层建筑风效应的最普遍和最有效的研究手段。虽然风洞试验作为目前研究风荷载的最主要手段，其合理性、可靠性已经得到了广泛的认可，但也存在许多不足之处。具体表现在：(1)实验必须采取缩尺模型，这样对风荷载效应有影响的建筑细部通常得不到合理的描叙，其风荷载效应也无法正确得到;(2)风洞试验费用高，周期长，而且难以满足雷诺数相近。

　　1.2.3数值风工程(CFD)

　　计算风工程是一种近二十多年才发展起来的数值计算方法。它以流体动力学为理论基础，依靠先进的电子计算机，用数值方法模拟风与结构相互作用过程。这一方法和风洞试验方法相比，在研究费用、时间等方面均具有优势。目前这一研究方法发展很快，在某些研究方面已能在一定程度上和风洞实验配合，解决工程实际问题。计算流体动力学(CFD)数值模拟能够克服风洞试验的这些困难，它具有以下优点：能够全尺度模拟，按照实际尺寸建模满足雷诺数;成本比较低、周期也短使得效率很高;方便变化各种参数，研究其影响;等等。考虑到这些原因，本文以数值风洞为主，以实验风洞作为参考标准，进行了一系列的模拟和分析。

　　第2章 结构风工程数值模拟理论

　　2.1. 大气边界层理论

　　在流体力学中，系统是指某一确定流体质点集合的总体。系统以外的环境称为外界。分隔系统与外界的界面，称为系统的边界。系统通常是研究的对象，外界则用来区别于系统。系统将随系统内质点一起运动，系统内的质点始终包含在系统内，系统边界的形状和所围空间的大小可随运动而变化。系统与外界无质量交换，但可以有力的相互作用，及能量(热和功)交换。控制体是指在流体所在的空间中，以假想或真实流体边界包围，固定不动形状任意的空间体积。包围这个空间体积的边界面，称为控制面。控制体的形状与大小不变，并相对于某坐标系固定不动。控制体内的流体质点组成并非不变的。控制体既可通过控制面与外界有质量和能量交换，也可与控制体外的环境有力的相互作用。

　　2.2湍流模型湍流是自然界广泛存在的流动现象

　　大气、海洋环境的流动，飞行器和船舰的绕流，叶轮机械、化学反应器、核反应器中的流体运动都是湍流。湍流流动的核心特征是其在物理上近乎于无穷多的尺度和数学上强烈的非线性，这使得人们无论是通过理论分析、实验研究还是计算机模拟来彻底认识湍流都非常困难。回顾计算流体力学的发展，特别是活跃的 20 世纪 80 年代，不仅提出和发展了一大批高精度、高分辨率的计算格式，从主控方程看相当成功地解决了欧拉方程的数值模拟，可以说欧拉方程数值模拟方法的精度已接近于它有效使用范围的极限;同时还发展了一大批有效的网格生成技术及相应的软件，具体实现了工程计算所需要的复杂外形的计算网格;且随着计算机的发展，无论从计算时间还是从计算费用考虑，欧拉方程都已能适用于各种实践所需。在此基础上，20 世纪 80 年代还进行了求解可压缩雷诺平均方程及其三维定态粘流流动的模拟。20 世纪 90 年代又开始一个非定常粘流流场模拟的新局面，这里所说的粘流流场具有高雷诺数、非定常、不稳定、剧烈分离流动的特点，显然需要继续探求更高精度的计算方法和更实用可靠的网格生成技术。但更为重要的关键性的决策将是，研究湍流机理，建立相应的模式，并进行适当的模拟仍是解决湍流问题的重要途径。