风沙绕流群体建筑物的数值模拟研究
沙尘暴是我国北方地区的主要环境灾害之一,主要集中在内蒙古、甘肃、新疆和宁夏等地区[1],其对大跨、轻质建筑物结构的影响不容忽视,风沙流载荷已经成为此类建筑物结构设计中重点考虑的主要载荷之一,因此风沙绕流对建筑物的影响越来越受到重视.然而,风沙流体的运动形式十分复杂,其对建筑物的影响属于复杂钝体绕流问题.国内外学者对风沙绕流建筑物的研究起步较晚,观测资料少且不全面,现有的科研成果很不成熟,缺乏系统的理论体系.随着计算机硬件和软件的飞速发展,运用计算机模拟方法研究风沙绕流对建筑物的影响逐渐成为风沙学领域新的研究热点.本文首先研究流体的基本特征,学习流体力学分析方法.基于风沙运动的基本特征,分析沙粒受力物理模型,基于大涡模拟方法的欧拉-拉格朗日模型,探索多相流动控制方程.采用有限元分析软件Fluent以及其通用的前处理软件Gambit,对某小区建筑物群进行风沙绕流数值分析,模拟结果以压力云图、等压线图和流线图显示.在建筑物表面设置监测点,采集建筑物群在不同流速下所承受的压力值,并且预测沙粒对建筑物磨损.通过模拟沙粒流线轨迹,预测沙粒堆积区域.开展风洞试验,在仿真模型的相同位置上布置测点,采集测点压力值,在建筑物模型附近布置沙粒堆积测点,采集沙粒质量.通过与计算机仿真所得数据进行对比分析,验证模拟仿真结果的准确性.本文所开展的具体工作如下:1)研究多相流体特征和欧拉-拉格朗日模型,推导两相流体控制方程,建立数学模型.2)设计合理的计算域,采用Gambit软件做前处理,根据现有的统计资料,使用UDF定义入口速度、湍流强度、湍动能、耗散率和湍流频率;根据压力云图和等压线图预测沙粒对建筑物磨损;在建筑物表面不同高度处设置多个测点,在仿真过程中监测测点压力,计算出不同风沙流速度对建筑物的影响;并根据颗粒运动轨迹预测沙粒堆积效应;开展风洞试验,采集相同测点处的压力值,并观察沙粒堆积状态,与计算机仿真的数据进行对比分析.3)计算结果以云图、等压线图、测点压力分布图和流线图显示,并分析实验结果,为小区建筑物结构的设计提供重要参考.
- 作者：
- 刘博
- 学位授予单位：
- 塔里木大学
- 专业名称：
- 农业机械化
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2015年
- 导师姓名：
- 王旭峰
- 中图分类号：
- TU312.1
- 关键词：
- 风沙流；欧拉-拉格朗日模型；Fluent；仿真计算
- sandstorms flow； two-fluid two-phase flow model； k-ε model； Fluent； simulation
- 基金项目：
- 国家自然科学