风洞模拟中的重要原则

任何类型结构的风洞模拟软件

使用 RFEM 和 RWIND 生成膜结构模型，然后开始风洞模拟，并执行重要的规范。 RWIND 是一个强大的工具，可以在一般结构和复杂的形状上创建风荷载。 CFD求解器是OpenFOAM®软件包（版本17.10），它可以提供非常好的结果，是CFD模拟中广泛使用的工具。 对于不可压缩的湍流，数值求解器是稳态的，使用的是 SIMPLE（压力关联方程的半隐式方法）算法。

风荷载有特定的规范，例如 EN 1991-1-4、ASCE/SEI 7-16 或 NBC 2015。 RFEM 是一款功能强大的膜结构设计软件。它考虑了预应力双曲率面的非线性找形分析。 图02显示了气流数值计算和有限元建模，用于对张拉膜结构进行验证。

气流分析流程图

为了在数值上确定偏微分方程，所有微分表达式（空间和时间导数）都需要离散化。 离散化方法种类繁多，在精度、稳定性和收敛性方面都有不同的方法。 通常，离散化的阶数说明了与原始非离散方程组的解相比数值模拟的准确性。 一阶数值离散基本上比二阶格式产生更好的收敛性。 本研究采用二阶离散方法。 此外，当使用二阶数值格式时，我们建议增加最小迭代次数以获得更好的收敛性（图 03）。

控制最小迭代次数和二阶方案

验证示例：

为了验证风的模拟过程，我们建立了如 [1] [2] 所示的双曲率模型，并对结果进行了研究。 缓弯模型的比例尺选择为 1/25，与参考文献 [1] 中的试验模型相同，示例为 10 m x 10 m x 1.25 m 高梁. 为了验证实例，角度 θ=45^o时考虑了轻微的曲线。 真实尺度的预紧力为2.5 kN/m，定义为E_x =1000 kN/m。 E_y =800 kN/m。 G_xy =100 kN/m, v_xy =0.20。 图04显示了双曲率模型的几何形状。 CFD模拟的输入信息和风速如图05所示。

验证实例的模型几何形状

风速剖面和模型规范

风洞尺寸:

需要注意的是，如果风洞尺寸小于标准尺寸，则风洞尺寸会产生误差。 下图为风洞的标准尺寸 [3]。 此外，计算结果对网格尺寸很敏感，因此至少要计算三种不同的网格编号，当结果与上一阶段足够接近时，就可以实现网格独立（图 06）。

风洞尺寸

模型生成网格的侧视图如图07所示。可以看出，在距离模型表面很近的地方采用了网格细化算法。

用于分析栅格独立性的计算栅格研究

计算网格研究：

CFD 模拟的结果对网格大小很敏感，因此至少应该对三个不同数量的网格单元进行网格独立性处理。 以下是屋盖中心线上的 Cp 值；从图中可以看出，风模拟的结果与第三个网格无关（图 08）。

三种单元数目的 Cp 分布的栅格独立性

增强的壁功能：

RWIND 使用混合壁面函数 (BWF)，也称为增强壁面函数 (EWF)，其性能比标准壁面函数 (SWF) 好得多。 因此，通常情况下，对于大范围的 y+ 数，您将获得准确的结果。 BWF 不是对称函数。 我们有一条黑色实线（如图09所示），它是我们试图重现的直接数值模拟（DNS）。 您可以立即看到，EWF 比 SWF 更接近 DNS 数据。 因此，在 y+ 为 5 到 30 之间的缓冲区内，EWF 比 SWF 精确得多。 这就是为什么在 CFD 模拟中经常推荐使用 EWF 的原因[4]。

增强的壁面功能

Y+ 计算

两种湍流模型的平均压力图和等值线如图 10 和图 11 所示。 以高梁屋盖中心线为基准，绘制了C_pe分布图，并与试验风洞试验进行了比较。 C_p值可以通过以下公式计算，其中 P 是测量点的风压， P_ref是参考压力（大气压力）， ρ 是空气密度， U_ref是参考速度，等于 15.3 m/s.

中心线风压力系数图

风压系数等值线

如图所示，K-omega 湍流模型在预测风压系数方面表现出更好的性能；在目前的研究中，K-omega湍流模型比K-epsilon模型更好地捕捉了在高梯度负风压下涡旋脱落的影响。 我们建议使用该湍流模型作为风-结构相互作用中更准确的选项。

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