首都博物館建筑空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)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(dòng)力學(xué)計(jì)算 計(jì)算機(jī)處理風(fēng)工程問(wèn)題正朝著“價(jià)格便宜量又足”的方向發(fā)展。如今的計(jì)算水平已經(jīng)能夠解決相當(dāng)一部分建筑空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。尤其是在西方發(fā)達(dá)國(guó)界，計(jì)算流體力學(xué)的方法解決建筑空氣動(dòng)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(guó)家當(dāng)中，應(yīng)用計(jì)算的手段研究建筑中的問(wèn)題已占相當(dāng)大比例，而在我國(guó)建筑業(yè)還滯留在傳統(tǒng)的模式當(dāng)中，接受計(jì)算流體力學(xué)建筑設(shè)計(jì)的單位幾乎空缺。 要我國(guó)的建筑設(shè)計(jì)單位了解，認(rèn)可計(jì)算流體力學(xué)解決建筑空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題這種方法對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)是很重要的。這樣的工作需要從事流體實(shí)驗(yàn)和計(jì)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(jì)算流體力

2、學(xué)組配合空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)是應(yīng)用CFD軟件完成首都博物館的建筑空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算。 1.1.1 問(wèn)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(jì)的重要載荷——風(fēng)載荷卻無(wú)法從理論和經(jīng)驗(yàn)獲得，在現(xiàn)行的規(guī)范中也難以查到。為此需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的風(fēng)洞試驗(yàn)或者計(jì)算，以獲得風(fēng)荷載，為抗風(fēng)設(shè)計(jì)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(guò)程 1.1.2.1 幾何建模 據(jù)建筑制圖或者結(jié)合CAD資料進(jìn)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?chē)h(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?chē)h(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(zhǎng)安街。 在進(jìn)行建筑空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)的計(jì)算中，這一步占整個(gè)工作時(shí)間的80%以上，因?yàn)榻ㄖ锏男螤羁赡芊浅?fù)雜，對(duì)于不是經(jīng)常閱讀建筑制圖的力學(xué)工作者來(lái)說(shuō)，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(duì)要求求解的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分（為了讓計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)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?chē)h(huán)境的面網(wǎng)格 要實(shí)現(xiàn)數(shù)值風(fēng)洞流場(chǎng)求解的全部功能，必須基于可用于復(fù)雜外形的可靠的、實(shí)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(duì)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(jìn)行空間網(wǎng)格的離散是整個(gè)計(jì)算最關(guān)鍵的部分，網(wǎng)格質(zhì)量不好，計(jì)算收斂的情況必定不會(huì)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(shí)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(shí)候，盡量避免幾何模型中的尖角[17]。如果生成體網(wǎng)格的時(shí)候尖角不可避免，就不得不對(duì)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(jìn)行，但是ICEM-CFD是可以自動(dòng)完成這樣的修改的。 這個(gè)項(xiàng)目的計(jì)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(gè)鏤空結(jié)構(gòu)類(lèi)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(zhǎng)度大約150米，葉片數(shù)量為各5個(gè)。這樣的結(jié)構(gòu)是放在2000米*4000米*300米的大環(huán)境中，實(shí)在難以形成疏密恰當(dāng)?shù)?，高質(zhì)量網(wǎng)格。我們?cè)谔幚磉@個(gè)困難的時(shí)候，參考了實(shí)驗(yàn)的做法。實(shí)驗(yàn)也是無(wú)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(shí)給出透氣率50%。仔細(xì)查閱FLUENT手冊(cè)，發(fā)現(xiàn)FLUENT中有一多孔介質(zhì)可以給出與紗窗類(lèi)似的透氣率。于是把鏤空結(jié)構(gòu)形成兩個(gè)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(chǎng)的邊界條件類(lèi)

6、型 設(shè)置邊界條件中需要用C語(yǔ)言插入一段代碼，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)行計(jì)算獲得結(jié)果 在這個(gè)項(xiàng)目中，我們采用的是耦合解算器（對(duì)于低速流動(dòng)傳統(tǒng)上使用的是分離解算器，但是嘗試分離解算的時(shí)候沒(méi)有獲得收斂結(jié)果），隱式格式，定常流動(dòng)。流體介質(zhì)就是空氣，參數(shù)都使用缺省值。因?yàn)楦诘聰?shù)很大在相關(guān)的實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有模擬重力，所以我們?cè)谟?jì)算中沒(méi)有加入重力項(xiàng)。湍流模型方面的是k-e加非平衡近壁面條件，計(jì)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(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較 在計(jì)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(shí)驗(yàn)報(bào)告”。仔細(xì)比較實(shí)驗(yàn)和計(jì)算的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果符合得很好。在實(shí)驗(yàn)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(cè)壓孔編號(hào)1R10，其位置在橢圓柱北側(cè)。在計(jì)算中，我們算得的最大壓力系數(shù)為0.26。計(jì)算中獲得此最大壓力系數(shù)的位置和實(shí)驗(yàn)的位置完全相同。在實(shí)驗(yàn)中，屋頂最小壓力系數(shù)為-0.915。獲得此最小壓力的測(cè)壓孔編號(hào)為6R9，其位置為圓柱正西側(cè)偏北一點(diǎn)的地方。我們計(jì)算獲得的最小壓力系數(shù)-0.94，這個(gè)值產(chǎn)生的地方恰好是實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生

8、最小壓力系數(shù)值的地方。除了在這些最值點(diǎn)，在屋頂別的地方，計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的差別也非常小。可以說(shuō)，計(jì)算和實(shí)驗(yàn)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(duì)應(yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)的測(cè)壓孔布置和相應(yīng)壓力系數(shù)。 （用符號(hào)在下圖中標(biāo)出壓力最大點(diǎn)和最小點(diǎn)的位置） 圖4-9首都博物館屋頂測(cè)壓孔布置（只保留最大和最小壓力點(diǎn)數(shù)據(jù)，其他從建） 表4-1首都博物館屋頂測(cè)壓孔實(shí)驗(yàn)壓力系數(shù) 1.2 有無(wú)大氣邊界層的流場(chǎng)對(duì)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(jì)方案 根據(jù)北京市朝陽(yáng)區(qū)氣象資料統(tǒng)計(jì)：當(dāng)?shù)仄骄畲箫L(fēng)速為20米/秒。基本風(fēng)壓為0.35N/m2

9、。對(duì)于北京電視中心這樣一個(gè)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(jì)中重要的荷載之一 — 風(fēng)荷載，無(wú)論從理論上或經(jīng)驗(yàn)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(gè)直升機(jī)停機(jī)坪，如果在停機(jī)坪上有比較大的負(fù)壓，停機(jī)坪就容易被風(fēng)“吸掉”。另外，對(duì)于矩形切角玻璃幕上面的壓力也比較關(guān)心。為此對(duì)北京電視中心綜合樓群開(kāi)展風(fēng)荷載風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究，來(lái)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(jì)提供依據(jù)。 在進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)的同時(shí)我們也進(jìn)行了數(shù)值模擬，并且把模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行

10、了對(duì)比。 1.3.1 求解的過(guò)程 我們最后用于計(jì)算的網(wǎng)格使用ICEM-CFD生成。這個(gè)軟件也是國(guó)外最新計(jì)算流體力學(xué)教科書(shū)推薦使用的前處理軟件。因?yàn)楸本╇娨曋行暮褪锥疾┪镳^的前處理以及計(jì)算過(guò)程相似，所以這里對(duì)于前處理和計(jì)算部分只列出結(jié)果。 圖4-11北京電視臺(tái)幾何外形以及網(wǎng)格（整體） 圖4-12北京電視臺(tái)幾何外形以及網(wǎng)格（停機(jī)坪、矩形切角玻璃幕） 1.3.2 相關(guān)實(shí)驗(yàn)介紹 因?yàn)槲覀儗延?jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，下面我們簡(jiǎn)單介紹一下這個(gè)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)情況。 為了實(shí)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(shí)驗(yàn)使用北京大學(xué)實(shí)驗(yàn)段為寬3米、高2米、長(zhǎng)32米大氣邊界層

11、風(fēng)洞來(lái)模擬北京電視中心風(fēng)荷載實(shí)驗(yàn)。截面積2米3米的風(fēng)洞是目前國(guó)際上風(fēng)工程實(shí)驗(yàn)段中通用尺寸，由于該風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段較長(zhǎng)，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(qiáng)度。[16] 圖4給出了本實(shí)驗(yàn)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(jì)算中加入大氣邊界層的方法 首先，我們來(lái)看幾個(gè)計(jì)算結(jié)果的Path Line圖： 圖4-18.1 來(lái)流方向?yàn)榫鶆蛩俣葧r(shí)垂直向Path Line圖 圖4-18.3 來(lái)

12、流按大氣邊界層給出速度剖面時(shí)垂直向Path Line圖 上面給出的四幅圖分別是來(lái)流為均勻速度和來(lái)流按照大氣邊界層給出速度剖面時(shí)的垂直和水平方向Path Line圖。為了對(duì)比均勻來(lái)流和來(lái)流按照大氣邊界層給出速度剖面時(shí)的流場(chǎng)，后面三幅圖在電視臺(tái)直升機(jī)停機(jī)坪的邊緣釋放了若干質(zhì)點(diǎn)源。明顯可以看出，當(dāng)來(lái)流為均勻速度的時(shí)候，在電視臺(tái)的迎風(fēng)面和背風(fēng)面速度場(chǎng)差別很大。在前面兩幅圖可以看到，來(lái)流經(jīng)過(guò)電視臺(tái)之后形成了很大的三維的渦，背風(fēng)面的流場(chǎng)很混亂。說(shuō)明均勻的來(lái)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(dòng)后能夠造成大范圍的流場(chǎng)混亂。反觀來(lái)流按照大氣邊界層給出速度剖面時(shí)的流場(chǎng)，停機(jī)坪沒(méi)有對(duì)流

13、場(chǎng)造成太大的影響，不論在垂直還是在水平方向都沒(méi)有形成明顯的大渦結(jié)構(gòu)。說(shuō)明在這樣的來(lái)流條件下，同時(shí)在k-e湍流模式假定下，流場(chǎng)穩(wěn)定性非常好。在實(shí)際的計(jì)算中，我還嘗試過(guò)別的一些來(lái)流條件，流場(chǎng)都不如來(lái)流按照大氣邊界層給出速度剖面時(shí)的流場(chǎng)穩(wěn)定。同時(shí)，在這個(gè)計(jì)算中來(lái)流按照大氣邊界層給出速度剖面時(shí)的流場(chǎng)是城市中自然的流場(chǎng)，這一點(diǎn)啟示我們，自然形成的流場(chǎng)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(duì)于商業(yè)CFD通用軟件的主要特點(diǎn)，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(gè)使用FLUENT對(duì)于帶擾流片超音速噴管的算例。在第4章又給

14、出了兩個(gè)建筑空氣動(dòng)力學(xué)的算例。這三個(gè)例子都是三維的，幾何外形都比較復(fù)雜，計(jì)算量都很大。但是通過(guò)合理地使用CFD商業(yè)軟件，我們?cè)诓婚L(zhǎng)的時(shí)間即獲得了滿意的計(jì)算結(jié)果，顯示出這些軟件在處理從低速到高速問(wèn)題都比較有效。正確有效地認(rèn)識(shí)和使用這些軟件可以為社會(huì)節(jié)約一大筆財(cái)富。 通過(guò)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(chǎng)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(qiáng)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(shí)際問(wèn)題。 但是在實(shí)際的項(xiàng)目中，我們也碰到了一些商業(yè)軟件難以解決的問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)某些先進(jìn)技術(shù)還沒(méi)有在這些軟件

15、中得到實(shí)現(xiàn)。例如在處理自由面的時(shí)候，目前的軟件普遍沒(méi)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(wèn)題，如從潛水艇發(fā)射的導(dǎo)彈離開(kāi)水面以后外罩分離問(wèn)題，還是自編程序比較有效；Gambit等網(wǎng)格自動(dòng)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(shí)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(guò)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(shí)有效地使用好這些軟件。 參考文獻(xiàn) 【1】M.范戴克：攝動(dòng)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(jì)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(jìn)行氣動(dòng)力工程計(jì)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(jì)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(bào)，2002，24（2） 【7】陶文銓 計(jì)算傳熱學(xué)的近代進(jìn)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(jìn)行氣動(dòng)力工程計(jì)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(dòng)的數(shù)值計(jì)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(chǎng)及其推力矢量的數(shù)值計(jì)算，兵工學(xué)報(bào)，2000-1 【14】顧志福：建筑空氣動(dòng)力學(xué)講義 【15】顧志福：首博新館風(fēng)荷載風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)報(bào)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(shí)驗(yàn)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(shí)候的導(dǎo)師。和他的接觸是從本科畢業(yè)論文開(kāi)始，最后一次見(jiàn)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(shí)候的數(shù)學(xué)分析筆記。他說(shuō)，碰到問(wèn)題我還常翻。 兩年前的這個(gè)時(shí)候，我加入了計(jì)算流體力學(xué)教研室?；叵肫饋?lái)，這是我一生中最正確的決策之一

20、。在這里，我覺(jué)得流體力學(xué)很美，心里也很快樂(lè)，學(xué)到了很多東西，我見(jiàn)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(shí)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(jué)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(shí)，仍然不斷的尋求進(jìn)步，不斷的自我提升。我知道，我錯(cuò)了。我從新再認(rèn)真投入到學(xué)習(xí)中去。開(kāi)始做項(xiàng)目學(xué)習(xí)使用軟件，之后又非常努力學(xué)習(xí)與計(jì)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(jì)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(duì)事業(yè)的執(zhí)著，對(duì)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(gè)踏踏實(shí)實(shí)的人。做人，做學(xué)問(wèn)都如此。在做項(xiàng)目的時(shí)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(shí)間，他也是一個(gè)為了興趣愛(ài)好寧愿犧牲金錢(qián)的青年教師。程暮林師弟實(shí)際上比我先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，在心理上我一直時(shí)把他當(dāng)作師兄看的。 顧老師是我建筑空氣動(dòng)力學(xué)課程的老師。作為一個(gè)主攻實(shí)驗(yàn)的老師，對(duì)計(jì)算流體力學(xué)投入這樣大熱情讓我很感動(dòng)。他和張老師對(duì)本文的形成有很大的幫助。 感謝所有對(duì)作者給予過(guò)關(guān)心、指導(dǎo)和幫助的老師們、同學(xué)們和朋友們。 14