如何应用 CFD 方法进行风荷载计算来满足欧洲规范的要求

介绍

风工程是一个多科学领域，其研究重点是理解和分析风的行为及其对结构，建筑物和环境的影响。 它在设计安全、高效和可持续的基础设施以及将风能用于各种应用方面发挥着至关重要的作用。 风能工程结合了气象学、流体动力学、土木工程和建筑学的原理，研究风如何与结构相互作用。 其首要目标是确保建筑物和其他结构在多变风况下的安全和稳定性。 工程师和研究人员使用数学模型和风洞测试来模拟真实场景，并收集数据以开发有效的设计解决方案。 本文中我们将探讨风荷载在规范中的重要性，以及在规范中的应用，尤其是欧洲规范 EN 1991-1-4 {%/#Refer [1]]]。 这里有一些风洞模拟的应用示例，其中包括摩天大楼（图1），塔上的风速场（图2），以及使用RWIND和RFEM在桥梁中进行风-结构相互作用的模拟（图3）。

图1： 使用 RWIND 对现代城市进行风模拟

图2： - 塔架结构的风速场

图3： RFEM 和 RWIND 对该桥梁结构进行风-结构相互作用分析

风荷载计算方法

近年来，由于不同高度和形状的结构数量越来越多，风-结构相互作用的重要性也越来越高。 在确定这种相互作用时使用了实验方法和数值方法。 许多结构设计实验都通过风洞进行评估。 这种方法可以计算由风荷载引起的影响。 风洞测试对大型结构，例如高层建筑、桥梁和体育场馆有很大的帮助，但是这是一种非常昂贵且耗时的方法。

结构的风荷载可以通过 CFD 模拟来确定，这是一种更加经济和快速的方法。 需要指出的是，在 ASCE7-22 和 EN 1991-1-4 中，只有经过验证的数值 CFD 模拟才是有效的方法。

重要原则和验证示例

这里 下文列举了一些重要的准则，当风能工程师使用这些准则来估算运动中的流体流动时，必须考虑这些准则。 有很多可以帮助解决CFD问题的软件，而RWIND对结构工程师来说是一个非常用户友好和功能强大的工具。 RWIND Simulation 对于需要了解风如何影响建筑物、桥梁、塔架和其他结构的工程师和设计师特别有用。 通过创建风流的 3D 模型，该软件可以帮助评估风荷载，分析风舒适度，并确保结构的设计能够承受风力。 可以根据不同的规范来估算静力风荷载对结构的影响，并且可以与 CFD 模拟进行比较。 这里有 欧洲规范验证示例 RFEM 6 和 RWIND 进行 CFD 模拟的最佳设置。

图4： 高层矩形长方体的欧洲规范示例

规范

在欧洲国家进行风荷载计算时经常使用欧洲规范。 将风荷载考虑相应系数，简化为保守的等效静荷载。 计算风荷载的另一种方法是物理风洞测试。 EN 1991-1-4 介绍了如何确定在每个荷载作用地区的建筑物或其他结构设计中需要考虑的自然风力。 包括整个结构、结构的各组成部分或与结构相关的项目，例如构件、幕墙单元及其固定件、安全墙和隔音墙 [1] 。

在 ASCE 7-22 中的第 C31 章中{%！ 请参阅 [2]]] ，]]

ASCE 49 指定了相应的风洞测试的要求。 无论是通过数值计算还是实际风洞测试来计算风荷载，都需要这样的规范。 虽然计算流体力学 (CFD) 模拟在风工程中的应用越来越多，但是 ASCE 49 没有明确列出 CFD 所需的所有步骤。 任何使用 CFD 来估算主风荷载抵抗系统 (MWFRS)、C&C 或其他'结构风荷载的行为都需要进行同行评议和验证 (V&V) 研究，而我们正在等待出台一项概述该程序的类似标准以便使用 CFD 工具获得可靠和准确的风荷载 [2] 这是处理此过程的质量保证和质量控制所必需的，因为没有' 标准 {%3}{#Refer [3]]] 。 ASCE 49 中列出的许多关于风洞物理测试的规定同样适用于 CFD 风洞数值模拟方法。 例如，数值模型还要求有足够的风流量、精确的几何形状，包含相邻主要结构，并考虑振型激励和气动弹性效应的可能性。 如果根据基本物理模型进行验证，则 CFD 模拟可以帮助解决物理模型无法测量的细微差别，和/或能够进行参数变化的敏感性分析。 RWIND 的一项重要优点是可以与 DLUBAL 的其他软件产品集成，例如 RFEM（有限元法软件）和 RSTAB（杆件结构设计软件）。 这种集成可以将 RWIND 中的风荷载无缝传递到结构分析与设计中（图 3 和 5）。

图 5: 使用 RFEM 和 RWIND 对轻型结构进行风-结构耦合设计

在没有经过验证的情况下，风洞数值模拟只能被视为定性数据。 如果需要有关风应力的设计值时，通常会选择风洞实验作为最后计算结果。

• 失稳产生的应力，例如舞振或舞动
• 由不均匀的几何形状产生的幕墙压力
• 风向应力和/或扭应力
• 由涡旋引起的周期荷载

使用 CFD 模拟计算欧洲规范中的风荷载

欧洲规范为确定结构的风荷载提供了准则（尤其是欧洲规范 1，第 4 部分：风作用）。 CFD 模拟可用于评估建筑物周围的风流，并准确计算作用在建筑物各个表面上的风荷载。 这里'如何使用 CFD 模拟在欧洲规范中计算风荷载：

1. 了解建筑规范要求：每个城市、州或国家/地区可能有不同的建筑规范。 一些可能遵循国际标准，而另一些可能有更具体的当地准则。 您需要了解您的项目所在地的具体要求。
2. 定义几何形状：第一步是在 CFD 软件中创建建筑物或结构的详细的 3D 模型。 模型应该准确地反映结构的形状、大小和特征，包括可能影响风流的周围地形或相邻建筑物。 欧洲规范 1 中的地形类别用于定义地形特征，这些特征又会影响作用在结构上的风速和风压。 这些类别用于确定地形粗糙度和地面粗糙度长度，然后它们会影响风速分布和风在结构上的作用。 这些信息在结构设计中至关重要，因为建筑物的结构能够承受与其所在位置和周围地形相关的风荷载。
3. 设置边界条件：可以定义风荷载、风向和湍流强度等用于 CFD 模拟的边界条件。 这些边界条件通常基于历史天气数据或欧洲规范中提供的特定风荷载设计准则。
4. 网格生成：在建筑物几何周围创建一个网格，以离散流体域。 网格分辨率应该足够精细，以便捕捉建筑物表面附近的相关流动特征和边界层效应。
5. 求解方程： CFD 软件根据定义的边界条件，对流体流动的主导方程（Navier-Stokes 方程）进行数值求解。 该软件计算建筑物周围的速度场和压力场。
6. 验证：将您的 CFD 结果与风洞试验或经验数据进行比较，以验证您的发现。
7. 后处理：一旦 CFD 模拟完成，就进行后处理，以分析结果。 这涉及提取作用在建筑物表面的风压、风力和速度的数据。
8. 风荷载计算：根据 CFD 模拟获得的风压分布，可以按照欧洲规范规范计算建筑物不同表面的风荷载。 屋面、墙体和其他构件上的风荷载可以用于计算建筑物上的风荷载。
9. 荷载组合：根据欧洲规范荷载组合，由 CFD 模拟风荷载与其他相关的荷载进行组合，例如自重、活荷载和雪荷载。
10. 结构分析：为了评估建筑在各种荷载情况下的稳定性和完整性，进行建筑结构分析时将风荷载与其他荷载一起作为输入。
11. 优化：修改设计，以减轻 CFD 分析发现的任何高压区域或其他潜在问题。
12. 同行审核或第三方验证：根据建筑的复杂程度和当地规范，您可能需要将您的设计和 CFD 结果交由第三方进行审核。 这是一个额外的步骤，用于验证您的设计是否满足建筑规范要求。

概述总结

在建筑规范和风荷载方面，使用 CFD 技术可以对风在建筑物中的相互作用进行模拟，比简单的公式可以更准确地了解风荷载。 需要注意的是，进行风荷载计算的 CFD 模拟不仅需要 CFD 建模方面的专业知识，还需要了解欧洲规范。 此外，模拟的精度还取决于建筑模型的质量、边界条件的选择和网格分辨率。 然而需要注意的是，虽然 CFD 可以提供有价值的分析结果，但它只能作为工具来结合使用，而不能代替建筑规范中规定的要求和标准。 为了正确解读CFD模拟的结果，工程师们必须对流体力学和数值分析方法有扎实的了解。 最后，验证示例和知识库文章是找到与规范最兼容的数值设置的有用来源。