使用RWIND Simulation进行央视大楼的风场数值模拟

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技术文章

风和城市环境、建筑环境有着密不可分的关系,对城市规划、建筑设计和结构设计等领域有着很大的影响。 近些年来,CFD技术越来越多的在建筑结构领域获得了应用,其不可替代的优势将使建筑模拟技术实现新的飞跃。

人们可以在越来越多的建筑中看到 形状奇特的结构造型或者具有复杂线条的建筑围护结构。 所有项目的共同点是,在建造之前必须进行结构设计来保证荷载的安全传递。

在城市中,风环境的特性非常复杂,它不仅依赖于建筑本身的外形、尺寸和某些建筑物的特征, 而且依赖于周围建筑物的相对位置、外形及四周地形的粗糙程度。 随着建筑物的增高、布局的密集,建筑物对气流的影响越来越难于掌握。 为了解决这个问题,我们可以在实际风洞中按比例缩小建筑物,然后计算相应的风荷载。 或者,可以使用数值模拟技术对建筑物进行风流模拟,然后得出等效风荷载。

与基于实际风洞试验的计算方法相比,数值计算方法有一定的优势:不必创建建筑模型就可以使用数字风洞来分析风荷载。 该优点在设计和定义建筑形状时特别明显。

这就是Dlubal Software与PC-Progress和CFD Support合作为结构工程师开发RWIND Simulation的用武之地。 该程序模拟建筑物或任何其他物体周围的数字风洞中的风流,并生成等效荷载用于结构分析和设计。

RWIND Simulation是专门为确定建筑物上的风荷载而设计的风环境模拟软件。 程序会自动定义所有用于进行基本理论计算的参数。 用户无需具备流体力学研究的复杂知识背景,就可以立即上手开始进行操作和分析。

RWIND Simulation如何工作

RWIND Simulation是一个独立程序,可以作为独立应用程序使用,也可以作为RFEM/RSTAB程序的补充,用于静态和动态分析。 由于在计算建筑结构风荷载时的基本假设是将力传递给结构模型,因此RFEM/RSTAB和RWIND Simulation之间存在固有的联系。 该连接允许使用特殊接口将任何带有风荷载定义的RFEM或RSTAB模型导出到RWIND Simulation,并在计算后在结构表面的风荷载。

除此以外RWIND Simulation也可以在不运行RFEM和RSTAB的情况下自主运行。

建模

RWIND Simulationn的每个项目(Project)包含了建筑结构的几何形状, 数值风洞中的风向,风洞中的所有流场数据和建筑表面的风压结果。 输入的风荷载描述了风洞入口处整个高度的风速和湍流强度分布。 具体操作流程分为以下两种方式:

  1. 如果仅在RWIND Simulation中进行风荷载分析,则使用3D数据模型将流场包围的几何体导入到数值风洞中,在风洞中对齐并在对话框中定义风荷载。 该程序允许您使用STL格式将模型导入,或者使用VTP格式导入为ParaView模型。

  1. 第二种方法是把在RFEM或RSTAB中创建的模型直接导出到RWIND Simulation中。 在这种情况下,您可以通过RFEM和RSTAB中的接口应用程序定义不同风向的风荷载(手动或根据标准),以及包含风向的所有杆件,面,实体和3D对象的结构模型会自动导出到RWIND Simulation的风洞项目中。

在将模型导入RWIND Simulation时,不会出现其他限制。 无论对象周围的流动是有机形状还是锋利的块,可用的界面都会将带有方向选项的几何数据导入到风洞数值模拟中,并定义相应的边界条件,以便在面进行数值计算。

计算原理

RWIND Simulation使用数值CFD模型(计算流体动力学)通过数字风洞在物体周围进行风流动。 仿真过程如下。

  1. 在风包围的物体表面生成平面包络网格。 这种包围网格简化了被风包围的对象的几何形状,并确保了所有模拟对象的气密性。

  1. 使用OpenFOAM网格生成器(SnappyHexMesh)对风洞外部和网格包络之间的空间进行实体离散。 实体单元的大小可以很流畅地定义,并且遵循全局网格密度规范,并且在对象面的最近区域进行均匀压缩。

  1. 离散体积空间中的风流迭代计算,使用有限体积法和来自SIMPLE求解器家族的OpenFOAM方程求解器(压力-连接方程的半隐式方法)对不可压缩的湍流进行迭代计算。

  1. 在对象的网格包络上对象周围流动的风中提取风压。

  1. 将风压从网格包络转换为原始模型几何形式。

结果

当达到迭代模拟过程的收敛准则时,程序将显示两种基本的结果类型,分别用于描述对象周围的风流及其对对象的影响。 一方面,三维流场以层为特征

  • 风速
  • 风向
  • 压力
  • 湍流特性和
  • 流线(可以设置动画)

围绕物体在空间中流动的风的形状。


另一方面,标量面结果显示为

  • 风压包括矢量风阻输出和
  • 面的空气动力学系数

风流对结构的影响。


导入/导出

当你创建一个基于进入RFEM或RSTAB模型中的RWIND仿真项目中使用的选项,从RWIND模拟风压结果将在原有基础上的模型作为相应RFEM或RSTAB模型时,一个独立的风荷载的情况下被创建流动分析完成。 从RWIND中得到的风压结果可以直接导回到RFEM或RSTAB模型中, 作为一个一个独立的风荷载工况来使用。 除了单纯计算风荷载作用之外,还可以将这些荷载工况与其他荷载作用组合到荷载组合和结果组合中进行计算。

小结

RWIND Simulation与RFEM和RSTAB联动使用功能非常强大,为结构设计工程师提供一整套完备的解决一类问题的工具。 通过直观的软件界面,您可以在计算分析的基础上快速轻松地确定风荷载。 该方法在汽车和飞机工程中已经很普遍,在结构分析和设计方面具有很大的潜力,因为它可以更精确地确定风荷载,并且可以更快地进行结构分析和设计。

作者

Dipl.-Ing. (BA) Andreas Niemeier, M.Eng.

Dipl.-Ing. (BA) Andreas Niemeier, M.Eng.

Product Engineering & Customer Support

Niemeier先生负责RFEM,RSTAB的开发以及用于张拉膜结构的附加模块。 此外,他还负责质量保证和客户支持。

关键词

风洞模拟 CFD 模拟 OpenFOAM 风荷载分析 风洞 风作用 风荷载计算 风荷载 湍流 旋转 风流曲线

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  • 更新 2021年09月1日

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