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鄂尔多斯某储煤仓屋面风荷载的数值模拟研究

作　者: 张成杰
导　师: 殷志祥
学　校: 辽宁工程技术大学
专　业: 防灾减灾及防护工程
关键词: 大跨度空间结构计算流体力学(CFD) 数值模拟储煤仓风荷载分布特性干扰效应
分类号: TU399
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着我国经济的发展，对煤炭的需求量愈来愈大，大型储煤仓越来越广泛地得到应用，煤炭的封闭储装方式逐渐取代了原有的散堆方式，它不仅能够有效的降低煤炭在储存过程中品质上的下降以及数量上的损失，而且还有利于环境的保护。随着储煤仓的体型越来越大，其所运用的结构形式也越来越呈现出多样化，对此类结构的抗风性能提出了更高的要求。由于此类结构的外形及材料特点决定其具有阻尼小、质量轻、柔性大、自振频率低等特点。对于一般常见的建筑物形式，《建筑结构荷载规范》中明确具体地给出了其相应的风荷载设计参数。但是，对于体量庞大、外形复杂的建筑物，由于它们所处的流场变化多端，规范中无法明确具体地给出相应的设计数据，只是指出应该通过风洞试验来确定其风压分布参数。风洞试验是一种最为直接有效地获得结构风压分布规律的研究方法，但是它最大的缺点是耗资巨大，试验周期长，可重复性差。随着计算软件与硬件能力的不断提升，数值风洞在经济、时间上的优越性也明显地体现出来。研究者们已经应用各种湍流模型、各种网格形式对矩形、方形、圆形以及高层建筑物、低层坡屋面都作了较为系统的研究，特别是在计算方法以及湍流模型的选取方面日趋成熟。本文以内蒙古鄂尔多斯某在建储煤仓为工程背景，采用CFD商业计算软件FLUENT，选取了SSTk–ω剪切力输送湍流模型对储煤仓的屋面风荷载的分布特性进行了较为系统的数值模拟研究。首先以某干煤棚屋盖为例对其表面的风荷载进行了数值模拟，通过将模拟计算结果与已有的风洞试验结果进行比较，验证了该数值模拟方法的可行性及准确性；然后在此基础上对储煤仓屋盖的风荷载进行了数值模拟，并对模拟结果进行了分析，发现各风向下屋面绝大多数区域受风压吸力，屋面风压最大值及风压变化最剧烈的区域出现在储煤仓四个角的球面处；最后对矸石山和储煤仓之间的风干扰效应进行了分析，分别探讨矸石山不同的相对位置、距离以及几何尺寸对储煤仓屋面风压分布的影响。通过研究表明，矸石山的存在对储煤仓屋面风压的影响显著，大多数情况下会使屋面风压有所减小，但是个别风向下屋面的局部区域风压会显著增大，这一点在实际工程设计中应尤为引起注意。同时，与矸石山有关的不同相对位置、距离以及几何尺寸等参数发生变化时，屋面的风压也会出现规律性变化。本文的研究成果可为类似大跨结构屋盖抗风设计提供依据，具有重要的工程和试验参考价值。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-12
1. 绪论  12-20
  1.1 本文的研究背景  12-14
  1.2 本文的研究意义  14-15
  1.3 风工程的研究方法  15-17
    1.3.1 全尺寸现场实测  15
    1.3.2 风洞实验  15-16
    1.3.3 数值风洞  16-17
  1.4 建筑结构风洞数值模拟的研究现状  17-19
    1.4.1 国外研究概况  17-18
    1.4.2 国内研究概况  18
    1.4.3 大跨度空间结构研究概况  18-19
  1.5 本论文的主要工作  19-20
2. 大跨度屋盖结构的风致破坏机理  20-23
  2.1 封闭大跨度屋盖结构的风压分布特性  20-21
    2.1.1 平屋面的风荷载分布特性  20-21
  2.2 影响屋面风荷载的因素  21-22
  2.3 大跨度结构屋面的风毁机理  22-23
3．钝体绕流及 CFD 数值模拟基本理论  23-42
  3.1 平均风剖面  23-26
    3.1.1 脉动风的主要特征  24-26
  3.2 钝体绕流的基本特征  26-27
    3.2.1 边界层与分离  26-27
  3.3 数值模拟的求解过程  27
  3.4 湍流控制方程的建立  27-30
    3.4.1 连续方程  27-29
    3.4.2 运动方程  29
    3.4.3 纳维尔-斯托克斯方程  29-30
  3.5 基于有限体积法控制微分方程的离散  30-35
    3.5.1 常用的离散的格式  30-33
    3.5.2 压力速度耦合方法  33-34
    3.5.3 欠松弛技术  34-35
  3.6 数值模拟的湍流物理模型  35-39
    3.6.1 直接数值模拟（DNS）  35-36
    3.6.2 大涡模拟（LES）  36
    3.6.3 雷诺平均模型（RANS）  36-39
    3.6.4 混合模型或分离涡模拟  39
  3.7 网格的划分技术  39-40
  3.8 近壁面区的处理  40-42
4. 大跨度储煤仓屋面风荷载的数值模拟应用  42-60
  4.1 某大跨度干煤棚屋面风荷载的数值模拟研究  42-49
    4.1.1 风荷载的数值模拟计算  43-44
    4.1.2 数据处理  44
    4.1.3 计算结果分析  44-48
    4.1.4 误差分析  48-49
  4.2 鄂尔多斯某储煤仓屋面风荷载的数值模拟研究  49-58
    4.2.1 工程概况及模型的建立  49-50
    4.2.2 网格划分  50-51
    4.2.3 边界条件的设定  51
    4.2.4 计算求解  51-52
    4.2.5 不同风向角下储煤仓屋面风压分布分析  52-58
  4.3 本章小结  58-60
5. 矸石山干扰效应下储煤仓屋面风荷载数值模拟研究  60-70
  5.1 矸石山的存在对储煤仓屋面风压分布的影响  60-65
  5.2 矸石山相关参数变化对储煤仓屋面风压分布的影响  65-69
    5.2.1 矸石山的分布位置对储煤仓屋面风压分布影响  65-67
    5.2.2 矸石山与储煤仓的距离对储煤仓屋面风压分布影响  67-68
    5.2.3 矸石山的几何尺寸对储煤仓屋面风压分布影响  68-69
  5.3 本章小结  69-70
6. 结论与展望  70-72
  6.1 结论  70-71
  6.2 创新点  71
  6.3 展望  71-72
参考文献  72-76
作者简历  76-78
学位论文数据集  78-79

鄂尔多斯某储煤仓屋面风荷载的数值模拟研究

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