首都博物館建筑空氣動力學(xué)計算.doc

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1、北京大學(xué)碩士畢業(yè)論文 首都博物館建筑空氣動力學(xué)計算 計算機處理風(fēng)工程問題正朝著“價格便宜量又足”的方向發(fā)展。如今的計算水平已經(jīng)能夠解決相當(dāng)一部分建筑空氣動力學(xué)問題。尤其是在西方發(fā)達(dá)國界，計算流體力學(xué)的方法解決建筑空氣動力學(xué)已經(jīng)得到工程界的認(rèn)可，已經(jīng)有了相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在這些國家當(dāng)中，應(yīng)用計算的手段研究建筑中的問題已占相當(dāng)大比例，而在我國建筑業(yè)還滯留在傳統(tǒng)的模式當(dāng)中，接受計算流體力學(xué)建筑設(shè)計的單位幾乎空缺。 要我國的建筑設(shè)計單位了解，認(rèn)可計算流體力學(xué)解決建筑空氣動力學(xué)問題這種方法對國民經(jīng)濟建設(shè)是很重要的。這樣的工作需要從事流體實驗和計算的流體力學(xué)工作者的共同努力才可能。北大力學(xué)系計算流體力

2、學(xué)組配合空氣動力學(xué)試驗是應(yīng)用CFD軟件完成首都博物館的建筑空氣動力學(xué)計算。 1.1.1 問題的背景 首都博物館結(jié)構(gòu)造型新穎，美觀。但是其結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要載荷——風(fēng)載荷卻無法從理論和經(jīng)驗獲得，在現(xiàn)行的規(guī)范中也難以查到。為此需要進行專門的風(fēng)洞試驗或者計算，以獲得風(fēng)荷載，為抗風(fēng)設(shè)計提供重要依據(jù)。 圖4-2首都博物館效果圖 1.1.2 求解的過程 1.1.2.1 幾何建模 據(jù)建筑制圖或者結(jié)合CAD資料進行建筑物（這里包含周邊環(huán)境）的三維幾何建模（使用Gambit作為生成幾何外形工具） 圖4-3博物館幾何外形 圖4-4博物館及周圍環(huán)境幾何 在圖4-3和4-4中，中間藍(lán)色的

3、部分是博物館，其他為周圍環(huán)境（以博物館為中心直徑500米內(nèi)）的三層樓以上的建筑物。博物館前面就是長安街。 在進行建筑空氣動力學(xué)相關(guān)的計算中，這一步占整個工作時間的80%以上，因為建筑物的形狀可能非常復(fù)雜，對于不是經(jīng)常閱讀建筑制圖的力學(xué)工作者來說，需要有比較好的空間想象能力。 1.1.2.2 網(wǎng)格生成 據(jù)建立的三維建筑物幾何模型利用Gambit對要求求解的區(qū)域進行網(wǎng)格劃分（為了讓計算機能夠進行處理所必要的空間離散） 圖4-5博物館附近面網(wǎng)格 圖4-6博物館以及周圍環(huán)境的面網(wǎng)格 要實現(xiàn)數(shù)值風(fēng)洞流場求解的全部功能，必須基于可用于復(fù)雜外形的可靠的、實用的網(wǎng)格劃分。因此，建筑物的幾何

4、建模及某些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格生成對數(shù)值模擬的結(jié)果起著很重要的作用，意義重大但又繁瑣。進行空間網(wǎng)格的離散是整個計算最關(guān)鍵的部分，網(wǎng)格質(zhì)量不好，計算收斂的情況必定不會太好，甚至不收斂；就算收斂了，誤差也很可能相當(dāng)大。在生成表面網(wǎng)格的時候，必須避免表面網(wǎng)格的重疊、間隙……等；在生成體網(wǎng)格的時候，盡量避免幾何模型中的尖角[17]。如果生成體網(wǎng)格的時候尖角不可避免，就不得不對幾何體的外形作一些小小的修改。在FLUENT的前處理軟件Gambit中，這樣的修改必須手工進行，但是ICEM-CFD是可以自動完成這樣的修改的。 這個項目的計算網(wǎng)格很難形成，其中最困難的地方是南北屋檐的鏤空結(jié)構(gòu)。這兩個鏤空結(jié)構(gòu)類似百葉

5、窗，其葉厚度大約30厘米，葉的間距大約也為30厘米，葉片長度大約150米，葉片數(shù)量為各5個。這樣的結(jié)構(gòu)是放在2000米*4000米*300米的大環(huán)境中，實在難以形成疏密恰當(dāng)?shù)?，高質(zhì)量網(wǎng)格。我們在處理這個困難的時候，參考了實驗的做法。實驗也是無法完全按照相似性給出此鏤空結(jié)構(gòu)的幾何，他們是使用的紗窗代替，同時給出透氣率50%。仔細(xì)查閱FLUENT手冊，發(fā)現(xiàn)FLUENT中有一多孔介質(zhì)可以給出與紗窗類似的透氣率。于是把鏤空結(jié)構(gòu)形成兩個大的塊體，按照多孔介質(zhì)給出性質(zhì)。這樣處理以后網(wǎng)格成功生成。 在圖4-5中，可以非常明顯的看到FLUENT使用多重網(wǎng)格法加速收斂。 1.1.2.3 設(shè)置流場的邊界條件類

6、型 設(shè)置邊界條件中需要用C語言插入一段代碼，用以實現(xiàn)對于大氣邊界層速度剖面的模擬。（在附錄中有一段模擬大氣邊界層速度剖面的代碼） 1.1.3 FLUENT進行計算獲得結(jié)果 在這個項目中，我們采用的是耦合解算器（對于低速流動傳統(tǒng)上使用的是分離解算器，但是嘗試分離解算的時候沒有獲得收斂結(jié)果），隱式格式，定常流動。流體介質(zhì)就是空氣，參數(shù)都使用缺省值。因為弗勞德數(shù)很大在相關(guān)的實驗中沒有模擬重力，所以我們在計算中沒有加入重力項。湍流模型方面的是k-e加非平衡近壁面條件，計算主方程采用的是二階迎風(fēng)格式。獲得結(jié)果的部分?jǐn)?shù)據(jù)在下面的圖形中標(biāo)出 圖4-7首都博物館輪廓圖（屋頂為壓力系數(shù)云圖）

7、圖4-8首都博物館屋頂壓力系數(shù)云圖 1.1.4 計算結(jié)果和實驗結(jié)果的比較 在計算完結(jié)以后，我們北大力學(xué)系顧志福教授處獲得了“首博新館風(fēng)荷載風(fēng)洞模擬實驗報告”。仔細(xì)比較實驗和計算的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)計算和實驗的結(jié)果符合得很好。在實驗中，屋頂最大壓力系數(shù)為0.257。獲得此最大壓力系數(shù)的測壓孔編號1R10，其位置在橢圓柱北側(cè)。在計算中，我們算得的最大壓力系數(shù)為0.26。計算中獲得此最大壓力系數(shù)的位置和實驗的位置完全相同。在實驗中，屋頂最小壓力系數(shù)為-0.915。獲得此最小壓力的測壓孔編號為6R9，其位置為圓柱正西側(cè)偏北一點的地方。我們計算獲得的最小壓力系數(shù)-0.94，這個值產(chǎn)生的地方恰好是實驗產(chǎn)生

8、最小壓力系數(shù)值的地方。除了在這些最值點，在屋頂別的地方，計算和實驗的差別也非常小?？梢哉f，計算和實驗獲得的結(jié)果符合得非常好。[15] 圖4-9和表4-1分別給出了對應(yīng)風(fēng)洞試驗的測壓孔布置和相應(yīng)壓力系數(shù)。 （用符號在下圖中標(biāo)出壓力最大點和最小點的位置） 圖4-9首都博物館屋頂測壓孔布置（只保留最大和最小壓力點數(shù)據(jù)，其他從建） 表4-1首都博物館屋頂測壓孔實驗壓力系數(shù) 1.2 有無大氣邊界層的流場對比 1.3 北京電視中心綜合業(yè)務(wù)樓及其演播中心為例 圖4-10 北京市電視中心造型設(shè)計方案 根據(jù)北京市朝陽區(qū)氣象資料統(tǒng)計：當(dāng)?shù)仄骄畲箫L(fēng)速為20米/秒?；撅L(fēng)壓為0.35N/m2

9、。對于北京電視中心這樣一個具有超高層的整體結(jié)構(gòu)和其頂部的玻璃幕造型以及周邊裙樓的玻璃幕墻等，均屬于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)外形。在其結(jié)構(gòu)設(shè)計中重要的荷載之一 — 風(fēng)荷載，無論從理論上或經(jīng)驗中難以從現(xiàn)行規(guī)范中查找到準(zhǔn)確答案。在電視中心的頂部有一個直升機停機坪，如果在停機坪上有比較大的負(fù)壓，停機坪就容易被風(fēng)“吸掉”。另外，對于矩形切角玻璃幕上面的壓力也比較關(guān)心。為此對北京電視中心綜合樓群開展風(fēng)荷載風(fēng)洞模擬實驗研究，用該樓群的縮尺相似模型在大氣邊界層風(fēng)洞模擬實驗研究，來獲取主體高樓和裙樓的風(fēng)荷載有關(guān)數(shù)據(jù)，為抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。 在進行模型實驗的同時我們也進行了數(shù)值模擬，并且把模型實驗的結(jié)果和數(shù)值模擬的結(jié)果進行

10、了對比。 1.3.1 求解的過程 我們最后用于計算的網(wǎng)格使用ICEM-CFD生成。這個軟件也是國外最新計算流體力學(xué)教科書推薦使用的前處理軟件。因為北京電視中心和首都博物館的前處理以及計算過程相似，所以這里對于前處理和計算部分只列出結(jié)果。 圖4-11北京電視臺幾何外形以及網(wǎng)格（整體） 圖4-12北京電視臺幾何外形以及網(wǎng)格（停機坪、矩形切角玻璃幕） 1.3.2 相關(guān)實驗介紹 因為我們將把計算結(jié)果和實驗的結(jié)果進行對比，下面我們簡單介紹一下這個項目的實驗情況。 為了實現(xiàn)北京電視中心建筑物所處當(dāng)?shù)亟孛娲髿膺吔鐚拥乩憝h(huán)境，本實驗使用北京大學(xué)實驗段為寬3米、高2米、長32米大氣邊界層

11、風(fēng)洞來模擬北京電視中心風(fēng)荷載實驗。截面積2米3米的風(fēng)洞是目前國際上風(fēng)工程實驗段中通用尺寸，由于該風(fēng)洞實驗段較長，可以使大氣邊界層充分發(fā)展，在模型所在位置達(dá)到所要求的剪切速度剖面和相應(yīng)的湍流強度。[16] 圖4給出了本實驗風(fēng)洞模擬大氣邊界層剪切速度剖面和湍流度沿高度的分布。 0.0 10 20 30 40 50 60 70 圖4-14大氣邊界層平均速度和湍流度分布 ***在計算中加入大氣邊界層的方法 首先，我們來看幾個計算結(jié)果的Path Line圖： 圖4-18.1 來流方向為均勻速度時垂直向Path Line圖 圖4-18.3 來

12、流按大氣邊界層給出速度剖面時垂直向Path Line圖 上面給出的四幅圖分別是來流為均勻速度和來流按照大氣邊界層給出速度剖面時的垂直和水平方向Path Line圖。為了對比均勻來流和來流按照大氣邊界層給出速度剖面時的流場，后面三幅圖在電視臺直升機停機坪的邊緣釋放了若干質(zhì)點源。明顯可以看出，當(dāng)來流為均勻速度的時候，在電視臺的迎風(fēng)面和背風(fēng)面速度場差別很大。在前面兩幅圖可以看到，來流經(jīng)過電視臺之后形成了很大的三維的渦，背風(fēng)面的流場很混亂。說明均勻的來流在k-e湍流模式的假定下，非常不穩(wěn)定，受到小尺度的擾動后能夠造成大范圍的流場混亂。反觀來流按照大氣邊界層給出速度剖面時的流場，停機坪沒有對流

13、場造成太大的影響，不論在垂直還是在水平方向都沒有形成明顯的大渦結(jié)構(gòu)。說明在這樣的來流條件下，同時在k-e湍流模式假定下，流場穩(wěn)定性非常好。在實際的計算中，我還嘗試過別的一些來流條件，流場都不如來流按照大氣邊界層給出速度剖面時的流場穩(wěn)定。同時，在這個計算中來流按照大氣邊界層給出速度剖面時的流場是城市中自然的流場，這一點啟示我們，自然形成的流場在它自身所處的通常環(huán)境中具有某種最穩(wěn)定的特征。 第2章 總結(jié) 本文對于商業(yè)CFD通用軟件的主要特點，軟件采用的基本解法、離散格式與湍流模型以及這些軟件的源流作了一些介紹。在此基礎(chǔ)上，本文給出了一個使用FLUENT對于帶擾流片超音速噴管的算例。在第4章又給

14、出了兩個建筑空氣動力學(xué)的算例。這三個例子都是三維的，幾何外形都比較復(fù)雜，計算量都很大。但是通過合理地使用CFD商業(yè)軟件，我們在不長的時間即獲得了滿意的計算結(jié)果，顯示出這些軟件在處理從低速到高速問題都比較有效。正確有效地認(rèn)識和使用這些軟件可以為社會節(jié)約一大筆財富。 通過文中的例子可以清楚的看到，商業(yè)軟件能夠提清晰地供給我們流場中各種物理量的顯示，而且只要留心，也能夠發(fā)現(xiàn)一些意想不到的規(guī)律。這些軟件可以作為流體力學(xué)教學(xué)改革的強有力工具。利用它們可以幫助學(xué)生形成一些物理圖景，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，解決實際問題。 但是在實際的項目中，我們也碰到了一些商業(yè)軟件難以解決的問題，發(fā)現(xiàn)某些先進技術(shù)還沒有在這些軟件

15、中得到實現(xiàn)。例如在處理自由面的時候，目前的軟件普遍沒有采納Level Set方法，主要還是使用20年前的VOF方法；有一些流體力學(xué)和一般力學(xué)結(jié)合的問題，如從潛水艇發(fā)射的導(dǎo)彈離開水面以后外罩分離問題，還是自編程序比較有效；Gambit等網(wǎng)格自動生成軟件產(chǎn)生的網(wǎng)格數(shù)量偏大；邊界條件設(shè)置的時候只能使用軟件所提供的幾種，不是很自由。另外，雖然商業(yè)CFD軟件經(jīng)過了這么多年發(fā)展，并且一直朝著易用性方面努力，但是目前還是很少有人能夠確實有效地使用好這些軟件。 參考文獻 【1】M.范戴克：攝動法及其在流體力學(xué)中的應(yīng)用，科學(xué)出版社，1987年6月第1版 【2】蘇銘德，黃素逸：計算流體力學(xué)基礎(chǔ)，清華大學(xué)

16、出版社，1997年3月第1 版 【3】莊寧：應(yīng)用FLUENT軟件進行氣動力工程計算，北京大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文2000 【4】John D.Anderson, Jr.：Computational Fluid Dynamics，清華大學(xué)出版社，2002年4月第1版 【5】傅德薰，馬延文：計算流體力學(xué)，高等教育出版社，2002年7月第1版 【6】姚征, 陳康民：CFD通用軟件綜述，上海理工大學(xué)學(xué)報，2002，24（2） 【7】陶文銓 計算傳熱學(xué)的近代進展 科學(xué)出版社 2000 【8】FLUENT Inc. ：FLUENT User Guide 1,2,3,4 1998 【9】莊寧：

17、應(yīng)用FLUENT軟件進行氣動力工程計算，北京大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文2000 【10】S.V.帕坦卡：傳熱與流體流動的數(shù)值計算，科學(xué)出版社，1983年 【11】Power Flow User Guide 【12】J.H.Ferziger, M.Peric:Computational Methods for Fluid Dynamics, Springer, c1999 【13】黃振宇,徐文燦,毛鴻羽:噴管流場及其推力矢量的數(shù)值計算，兵工學(xué)報，2000-1 【14】顧志福：建筑空氣動力學(xué)講義 【15】顧志福：首博新館風(fēng)荷載風(fēng)洞模擬實驗報告 2002年6月15日 【16】張伯寅：北京電

18、視中心綜合業(yè)務(wù)樓及其裙樓風(fēng)荷載風(fēng)洞實驗研究 【17】FLUENT Inc.：Gambit Modeling Guide 1998 附錄 本文用于產(chǎn)生大氣邊界層速度剖面的UDF(User Defined Function)函數(shù)如下。 #include "udf.h" DEFINE_PROFILE(inlet_x_velocity, thread, position) { real x[ND_ND]; /* this will hold the position vector */ real z; face_t f; begin_f_loop(f, th

19、read) { F_CENTROID(x,f,thread); z = x[0]; F_PROFILE(f, thread, position) =-25.*pow((40/10.),0.22); } end_f_loop(f, thread) } 致謝 王仁先生是我研究生入學(xué)時候的導(dǎo)師。和他的接觸是從本科畢業(yè)論文開始，最后一次見面是在王先生家里。我給他搬家，在他家里我發(fā)現(xiàn)了先生西南聯(lián)大時候的數(shù)學(xué)分析筆記。他說，碰到問題我還常翻。 兩年前的這個時候，我加入了計算流體力學(xué)教研室?；叵肫饋?，這是我一生中最正確的決策之一

20、。在這里，我覺得流體力學(xué)很美，心里也很快樂，學(xué)到了很多東西，我見到了很多讓我敬佩的人。 陳耀松老師是我后兩年的導(dǎo)師。5年前，我就認(rèn)識他了。一頭漂亮白發(fā)，一張和藹的面容，一顆不老的心。兩年前曾經(jīng)覺得自己很老了，很頹廢。然而在這里我看到陳老師古稀之年仍然像孩子那樣充滿好奇，嘗試新東西，學(xué)習(xí)新知識，仍然不斷的尋求進步，不斷的自我提升。我知道，我錯了。我從新再認(rèn)真投入到學(xué)習(xí)中去。開始做項目學(xué)習(xí)使用軟件，之后又非常努力學(xué)習(xí)與計算流軟件相關(guān)的一切：格式、湍流模式、Level Set、空泡、網(wǎng)格、矩陣、偏微分方程、計算方法……陳老師最讓我感激的地方就在于在他那里我從新獲得了學(xué)習(xí)的熱情以至生活的熱情。他對事業(yè)的執(zhí)著，對生活的大度永遠(yuǎn)是我追求的目標(biāo)。 教研室的翟老師是一個踏踏實實的人。做人，做學(xué)問都如此。在做項目的時候，他不但給我將怎么做，還很仔細(xì)得給我講為什么。安亦然師兄手把手地教我用FLUENT，節(jié)約了我好多時間，他也是一個為了興趣愛好寧愿犧牲金錢的青年教師。程暮林師弟實際上比我先進實驗室，在心理上我一直時把他當(dāng)作師兄看的。 顧老師是我建筑空氣動力學(xué)課程的老師。作為一個主攻實驗的老師，對計算流體力學(xué)投入這樣大熱情讓我很感動。他和張老師對本文的形成有很大的幫助。 感謝所有對作者給予過關(guān)心、指導(dǎo)和幫助的老師們、同學(xué)們和朋友們。 14