描述
在当前验证示例中，我们根据欧洲标准EN 1991-1-4研究立方体结构的风力系数(Cf) [1]。我们将在下一部分中更详细地解释三维案例。
CFD模拟的关键方面之一是选择准确且兼容的输入参数配置，例如湍流模型、风速剖面、湍流强度、边界层条件和离散化顺序。然而，Eurocode (EN 1991-1-4)并未对这些数值设置提供详细指导。在当前的立方体结构示例中，我们根据Eurocode标准推荐兼容的设置。如EN 1991-1-4中所示，有不同的表格和图表用于风荷的静态计算。
分析解
根据EN 1991-1-4的表7.1定义并在图1中说明的高度与深度比，立方体结构被分类为三维类别。每个维度类别的输入参数根据表1定义。
在第一种情况下，考虑具有高度与深度比为h/d=5的高层立方体形状。相应的输入参数列在以下表格中：
| 维度比: h/d=5 | |||
| 风速 | V | 30 | m/s |
| 高度 | h | 50 | m |
| 深度 | d | 10 | m |
| 宽度 | b | 12 | m |
| 固体比 (方程 7.28, EN 1991-1-4) | φ | 1 | - |
| 有效细长比 (表 7.16, EN 1991-1-4) | λ | 5.83 | - |
| 末端效应系数 (图 7.36, EN 1991-1-4) | ψλ | 0.68 | - |
| 减缩系数 (图 7.24, EN 1991-1-4) | ψr | 1 | - |
| 无自由流末端力系数 (图 7.23, EN 1991-1-4) | Cf,0 | 2.30 | - |
| 力系数 (方程 7.9, EN 1991-1-4) | Cf | 1.564 | - |
| 空气密度 - RWIND | ρ | 1.25 | kg/m3 |
| 湍流模型 - RWIND | 稳态RANS k-ω SST | - | - |
| 运动粘度 (方程 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1.5*10-5 | m2/s |
| 方案顺序 - RWIND | 第二 | - | - |
| 残差目标值 - RWIND | 10-5 | - | - |
| 残差类型 - RWIND | 压力 | - | - |
| 最小迭代次数 - RWIND | 800 | - | - |
| 边界层 - RWIND | NL | 10 | - |
| 墙面函数类型 - RWIND | 增强 / 混合 | - | - |
| 湍流强度 (最佳匹配) - RWIND | I | 15% | - |
在下一个案例中，考虑一个中层立方体结构，其高度与深度比为h/d=1。相应的输入参数列在以下表格中：
| 维度比: h/d=1 | |||
| 风速 | V | 30 | m/s |
| 高度 | h | 10 | m |
| 深度 | d | 10 | m |
| 宽度 | b | 12 | m |
| 固体比 (方程 7.28, EN 1991-1-4) | φ | 1 | - |
| 有效细长比 (表 7.16, EN 1991-1-4) | λ | 1.66 | - |
| 末端效应系数 (图 7.36 , EN 1991-1-4) | ψλ | 0.62 | - |
| 减缩系数 (图 7.24, EN 1991-1-4) | ψr | 1 | - |
| 无自由流末端力系数 (图 7.23, EN 1991-1-4) | Cf,0 | 2.30 | - |
| 力系数 (方程 7.9, EN 1991-1-4) | Cf | 1.426 | - |
| 空气密度 - RWIND | ρ | 1.25 | kg/m3 |
| 湍流模型 - RWIND | 稳态RANS k-ω SST | - | - |
| 运动粘度 (方程 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1.5*10-5 | m2/s |
| 方案顺序 - RWIND | 第二 | - | - |
| 残差目标值 - RWIND | 10-5 | - | - |
| 残差类型 - RWIND | 压力 | - | - |
| 最小迭代次数 - RWIND | 800 | - | - |
| 边界层 - RWIND | NL | 10 | - |
| 墙面函数类型 - RWIND | 增强 / 混合 | - | - |
| 湍流强度 (最佳匹配) - RWIND | I | 7.5% | - |
在最后一个案例中，考虑一个低层立方体结构，其高度与深度比为h/d=0.25。相应的输入参数列在以下表格中：
| 维度比: h/d=0.25 | |||
| 风速 | V | 30 | m/s |
| 高度 | h | 2.50 | m |
| 深度 | d | 10 | m |
| 宽度 | b | 2.50 | m |
| 固体比 (方程 7.28, EN 1991-1-4) | φ | 1 | - |
| 有效细长比 (表 7.16, EN 1991-1-4) | λ | 2 | - |
| 末端效应系数 (图 7.36, EN 1991-1-4) | ψλ | 0.63 | - |
| 减缩系数 (图 7.24, EN 1991-1-4) | ψr | 1 | - |
| 无自由流末端力系数 (图 7.23, EN 1991-1-4) | Cf,0 | 1.20 | - |
| 力系数 (方程 7.9, EN 1991-1-4) | Cf | 0.756 | - |
| 空气密度 - RWIND | ρ | 1.25 | kg/m3 |
| 湍流模型 - RWIND | 稳态RANS k-ω SST | - | - |
| 运动粘度 (方程 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1.5*10-5 | m2/s |
| 方案顺序 - RWIND | 第二 | - | - |
| 残差目标值 - RWIND | 10-5 | - | - |
| 残差类型 - RWIND | 压力 | - | - |
| 最小迭代次数 - RWIND | 800 | - | - |
| 边界层 - RWIND | NL | 10 | - |
| 墙面函数类型 - RWIND | 增强 / 混合 | - | - |
| 湍流强度 (最佳匹配) - RWIND | I | 15% | - |
结果
为不同的高度与深度比和湍流强度评估风力系数(Cf)。对于第一例，高层立方体结构h/d=5的结果Cf值见下表：
| 湍流强度 (%) (h/d=5) | Fd (N) | ρ (千克/米3) | u (米/秒) | A (米2) | Cf |
| 1.00 - RWIND | 498829 | 1.25 | 30 | 600 | 1.478 |
| 5.00 - RWIND | 518278 | 1.25 | 30 | 600 | 1.536 |
| 7.50 - RWIND | 521515 | 1.25 | 30 | 600 | 1.545 |
| 10.00 - RWIND | 520397 | 1.25 | 30 | 600 | 1.542 |
| 15.00 - RWIND | 525011 | 1.25 | 30 | 600 | 1.556 |
| 20.00 - RWIND | 533059 | 1.25 | 30 | 600 | 1.579 |
| 25.00 - RWIND | 543164 | 1.25 | 30 | 600 | 1.609 |
| Eurocode | - | - | - | - | 1.564 |
对于第二个案例，中层立方体结构h/d=1，相应的Cf值见下表：
| 湍流强度 (%) (h/d=1) | Fd (N) | ρ (千克/米3) | u (米/秒) | A (米2) | Cf |
| 1.00 - RWIND | 97148 | 1.25 | 30 | 120 | 1.439 |
| 5.00 - RWIND | 95497 | 1.25 | 30 | 120 | 1.415 |
| 7.50 - RWIND | 96420 | 1.25 | 30 | 120 | 1.428 |
| 10.00 - RWIND | 96453 | 1.25 | 30 | 120 | 1.429 |
| 15.00 - RWIND | 96666 | 1.25 | 30 | 120 | 1.432 |
| 20.00 - RWIND | 91027 | 1.25 | 30 | 120 | 1.349 |
| 25.00 - RWIND | 89827 | 1.25 | 30 | 120 | 1.331 |
| Eurocode | - | - | - | - | 1.426 |
对于最后一个案例，低层立方体结构h/d=0.25，相应的Cf值见下表：
| 湍流强度 (%) (h/d=0.25) | Fd (N) | ρ (千克/米3) | u (米/秒) | A (米2) | Cf |
| 1.00 - RWIND | 2711 | 1.25 | 30 | 6.25 | 0.771 |
| 5.00 - RWIND | 2692 | 1.25 | 30 | 6.25 | 0.766 |
| 7.50 - RWIND | 2671 | 1.25 | 30 | 6.25 | 0.760 |
| 10.00 - RWIND | 2667 | 1.25 | 30 | 6.25 | 0.759 |
| 15.00 - RWIND | 2650 | 1.25 | 30 | 6.25 | 0.754 |
| 20.00 - RWIND | 2662 | 1.25 | 30 | 6.25 | 0.757 |
| 25.00 - RWIND | 2630 | 1.25 | 30 | 6.25 | 0.748 |
| Eurocode | - | - | - | - | 0.756 |
结论
结果表明从RWIND模拟获得的风力系数与Eurocode (EN 1991-1-4)中规定的有很好的一致性。基于分析，我们为不同的高度与深度比(h/d)提出了推荐的湍流强度范围。具体来说，湍流强度在7.5%到15%之间对风力系数(Cf)的预测更准确。
另一个关键发现与模拟中使用的风洞尺寸有关。尽管对于前两个案例(h/d = 5和h/d = 1)默认风洞尺寸已足够，最后一个案例(h/d = 0.25)需要修改风洞尺寸以提高结果的准确性。
具有推荐模拟设置的立方体模型可以在这里下载:
