电厂干煤棚专业文献
丁艾平，等：某干燥棚风载及体型系数数值研究
某干煤棚风载及体型系数数值研究
丁义平１
龚景海１郑庆浪２
（１．上海交通大学，上海２００２４０；２．徐州空间钢结构有限公司，江苏徐州２２１００６）
摘要：近年来，大跨度、复杂体型的空间结构迅速发展。风荷栽的研究有重要的现实意叉和工程价值。计算流体动力学（ＣＦＤ）作为新兴的数值模拟研究方法，具有便捷、经济等优点，引起了．众多同行的关注和研究。通过某干煤棚工程阐述ＣＦＤ及湍流模型在建筑风环境模拟中的应用。给出该工程的风荷栽表面压力系数（体型系数），同时对数值模拟结果与风洞试验结果作分析和对比，对同类工程设计具有一定的指导意义和参考价值。关键词：数值模拟；湍流模型；压力系数；体型系数
ＮＵＭＥＲＩＣＡＬＲＥＳＥＡＲＣＨｏＦＷｌＮＤＬＯＡＤＡＮＤＳＨＡＰＥ
ＣＯＥＦＦｌＣＩＥＮＴＡＢＯＵＴＡＤＲＹＣｏＡＬＳＨＥＤ
ＤｉｎｇＹｉｐｉｎ９１ＧｏｎｇＪｉｎｇｈａｉｌＺｈｅｎｇＱｉｎｇｌａｎ９２
（１．ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２４０．Ｃｈｉｎａ；
２．Ｘｕｚｈｏｕ
Ｓｐａｃｅ
Ｓｔｅｅｌ
ＳｔｒｕｃｔｕｒｅＣｏｍｐａｎｙＬｔｄ。Ｘｕｚｈｏｕ２２１００６，Ｃｈｉｎａ）
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ｗｉｎｄｌｏａｄｈａｓｈｉｇｈｖａｌｕｅａｎｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｐｒｏｊｅｃｔ．ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃ（ＣＦＤ），ａｓ
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ｎｅｗｎｕｍｅｒｉｃａｌ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｈａｓｔｕｎｎｅｌ
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ｓｕｒｆａｃｅｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ（ａｌｓｏ
ｒｅｓｕｌｔｓａｒｅ＂ａｎａｌｙｓｅｄ
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ｌｏａｄｉｓｇｉｖｅｎ。ｗｈｉｃｈｈａｖｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｖａｌｕｅ．
ＫＥＹＷＯＲＤＳ：ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｔｕｒｂｕｉｅｎｃｅｍｏｄａｌ；ｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｓｈａｐｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
风荷载标准值的计算可以按照国家建设部
１概述
近年来，随着现代经济的迅速发展，大跨度、复杂体型的空间结构已经广泛应用于众多公共场所。在空间结构的设计中，荷载是一项重要的内容。尤其对于大型复杂体型空间结构，风荷载作为重要的荷载，常常是结构设计的控制荷载，因此，对于该类空间结构，设计时应给予特别重视。开展建筑结构风荷载的研究具有重大的现实意义和工程应用价值。目前，对风荷载的研究方法主要有现场实测、风洞试验和理论研究（数值模拟）。现场实测是最直接的方法，但这种方法相当费时、费钱、费人力，且无法在建筑物建设之前进行，无法对拟建建筑物进行风环境预测，这种方法有极大的局限性。风洞试验作为目前研究风荷载最主要和重要的方法，也是目前工程界公认的成熟手段，在实际工程中应用广泛；但也存在诸多不足，包括相对费时、费用昂贵、适应性不强等等。相比之下利用计算流体动力学（Ｃｏｍｐｕ—
ｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄ
２００６年版的最新规范ＧＢ５０００９—２００１《建筑结构荷载规范》上规定的方法进行计算。垂直于建筑物
表面上的风荷载标准值，应按公式Ｗｋ＝脚。触Ｗ。
计算，式中：．￡￡。为体型系数，在风荷载的计算中占有相当重要的位置，不同的取值方式将直接导致较大差异的荷载值口］。
风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面上所引起的实际压力（或吸力）与来流风速度压力的比值，它描述的是建筑物表面在稳定风压作用下静态压力的分布规律，主要与建筑物的体型和尺度有关，也与周围环境和地面粗糙度有关。由于它涉及的是关于固体与流体相互作用的流体动力学问题，对于不规则形状的固体，问题尤为复杂，无法给出理论上的结果，一般均应由试验确定。鉴于真型实测的方法对结构设计的不现实性，目前只能利用相似原理，在边界层风洞内对拟建的建筑物模型进行测试。
风在建筑物表面引起的实际压力或吸力与来流
第一作者：丁义平，男，１９８５年３月出生，硕士研究生。Ｅｍａｉｌ：ｄｙｐ＠ｓｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ收稿１３期：２００８—１０—２０
Ｄｙｎａｍｉｃ，ＣＦＤ）的原理在计算机上模
拟建筑物周围风场的方法却有着诸多优势，近年得到了迅速发展［１］。
Ｓｔｅｅｌ
Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２００９（３），Ｖ０１．２４，Ｎｏ．１１８
４５
科研开发
风压的比值，常用式（１）来表示：
的应用。
（１）
雎２鬻５器
’
本文以基于ＣＦＤ技术的软件Ｆｌｕｅｎｔ６．０为依托，采用可以考虑雷诺应力方向性影响的、具有较高精度和通用性的雷诺应力方程湍流模型（ＲＳＭ），对相关规范中还没有规定的柱面网壳结构的静力风荷载进行了数值模拟研究，并在理论分析的基础之上，提出具有实用价值的结论和建议。
锄计算
ｕ・０∥。
在ＧＢ５０００９—２００１中，上述实际压力与来流风压的比值常称为风载体型系数。在欧美国家荷载规范中，也常将针对结构某一表面或某一部分所得到的比值，称为压力系数；对结构整体而得到的比值，称为力系数或风力系数。
ＣＦＤ作为近３０年来发展起来的一门新兴数值计算方法，已成为与理论流体力学和实验流体动力学齐名的研究方法，并在后两者之间起着不可替代的联系作用，广泛用于各种流场的数值模拟，其结果可用于解释试验现象，并将理论流体力学的成果转化为生产力。鉴于直接数值方法（ＤＮＳ，即使是低雷诺数问题）计算量惊人，其应用仅限于少量的、简单流场情况下的科学基础理论研究。实际工程流场数值模拟中一般都必须引入湍流模型，目前，湍流模型有基于空间滤波方程的大涡模拟（ＬＥＳ）和基于雷诺平均运动方程的经典模型。随着商业软件性能的改善和提高，ＣＦＤ在结构工程领域里的应用也变得更为现实。Ｆｌｕｅｎｔ６．０作为一款优秀的大型计算流体动力学商业软件，在流体问题计算领域得到了广泛
２工程实例及应用
２．１
工程概况
合肥发电厂位于合肥市北郊，属地方性电厂，主
要供应合肥地区工农业用电。本期工程煤场位于厂区西南侧，拟建的干煤棚位于此煤场内，此处多年最大风速为２１．３ｍ／ｓ。
本工程大跨度干煤棚为空间网壳结构形式（正放四角锥双层柱面网壳），采用半椭圆柱面结构，节点采用焊接球或螺栓球的混合球连接，受力及安装均能兼顾。网格尺寸纵横向均不大于４
０００
ｍｍ，网
ＩＴＩ
壳两端开口，跨度根据工艺设备的要求定为１２７
（外径），见图１。煤棚纵向长１００ｍ。网架高度为
篌露裕：尘＼ｌ缈
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３７．５８３
ｍ，厚度为３．５
ｍ。
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目
－一
＿、
ｊ｜ｌ
Ｊｊ４４２ｆ舯
１一斗轮机轮径及中心最高位置；２一斗轮机工作间距（轮与建筑间距允许为１．５～２ｍ）；３一斗轮机基础面；４一工作外轮廓
图１干煤棚结构剖面
２．２
结构分析
整个建筑物尺寸Ｌ×Ｂ×Ｈ＝１００
ｍ×１２７ｍｘ
平，网格单元数目宜尽量少。经多次试算比较，本文计算区域体网格数最终定为９０万左右，建筑物表面最小网格尺寸０．１ＩＴＩ，流域边界最大网格尺寸２０ｍ。
边界条件分别为进口边界条件（速度入流ｖｅ—ｌｏｃｉｔｙ－ｉｎｌｅｔ）和出口边界条件（自由出流ｏｕｔｆｌｏｗ）及壁面（无滑移壁面ｗａｌｌ）。本文定义的壁面包括结构刚性表面（ｆａｃｅ）。
采用了多种湍流模型模拟，经对比分析，分别选用了湍流模型：芹一￡，Ⅳ一ｃｃ，，ＬＥＳ。其主要对比依据是收敛程度及精度、残差数量级、结构表面风压变化情况。
测量风向角范围为３６０。，并按１５。间隔划分风
钢结构
３７．５８３
ｍ。不同高度、长度及深度建筑背后的涡旋
区范围不同，大致上可认为前方影响３倍高度，后方影响６倍高度，侧面影响２倍高度，如周围有建筑物遮挡，影响距离减小。根据此原则，可将周围建筑分类，除去对关心区域没有影响的建筑。由于本结构为相对低矮建筑，竖向尺寸较横向尺寸小，经多次演算分析，取计算流域为Ｌ×Ｂ×Ｈ一１
３００
０００ｎｌ×６００ｍ×
ＩＴＩ，将建筑物置于计算流域前沿约１／３处。
网格划分采用非网格化划分。理论上讲，网格尺
寸越小，模拟的精度越高，然而受限于计算机硬件水
４６
２００９年第３期第２４卷总第１１８期
丁叉平，等：某干煤棚风载及体型系数数值研究
向角，每１５。分别模拟来流风环境。由于该结构的双轴对称性，本文仅模拟０。、１５。、３０。、４５。、６０。、７５。、９０。等７种工况（图２），其他角度方向可以此作参照依据。
１５。计……一
●
／７——、、
图２模拟风向不惹
本文在模拟中对结构模型采用了实际尺寸，同时计算流域尺寸也近似采用风洞试验尺寸，有利于获得较高的模拟效果和方便模拟结果的对比。由于该建筑周围的建筑比较稀疏，且高度相对较低，故在风环境模拟中未考虑周围建筑的影响（图３）。根据
ＧＢ
５０００９—２００１，合肥地区５０年一遇的基本风压
为０．３５ｋＮ／ｍ２，故取模拟风速为２３．９０ｍ／ｓ。
’图３结构风环境模拟示意
３模拟结果与分析
通过模拟结构风荷载，可以得到结构上表面及下表面的风压及风压系数（国内规范称为体型系数）。在得到结构上下表面的风压后，通过结构表面结点风压值叠加处理，得到结构所受合力及相应风压系数，并通过风压云图和等压线来表示。
本文模拟的基本数据都以压力系数的形式给出。将风向角ｏ＂－，９０。，间隔１５。，每个结点的时间平均压力系数（类似ＧＢ５０００９—２００１中的风载体型系数，但是以１０Ｉｎ标高为基准）、最大压力（峰值正压）系数、瞬时最小压力（峰值负压）系数列于图４和表１中。这些风压系数值有利于对不同风向角下结构受力特征进行分析，也有利于结构受力计算。正压定义为由于风作用在建筑物表面产生的指向表面
ａ—Ｏ。；ｂ一１５。；ｃ一３０。＋ｄ－４５。；ｅ一６０。；ｆ一７５。；ｇ一９０。
图４不同风向角下的风压系数分布
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Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２００９（３），Ｖ０１．２４，Ｎｏ．１１８
４７
科研开发
的法向压力，负压定义为作用在建筑物表面产生的
５０
背离表面的法向拉力。
在ＣＦＤ中模型网格划分时，结构上、下表面压力输出结点位置不是一一对应。因此，在模拟后的数据处理中，为了计算煤棚结构上各个结点受到的风压合力，利用数值计算软件对结构上表面和下表面压力系数值作后处理，从而获得结构表面每个结点叠加后的压力系数值，即结构上表面与下表面所受风压的叠加效应。
～
４０３０２０ｌＯ０－－６０
．．－４０
一２０
０工
２０
４０
６０
１００
８０
为了更清晰地分析结构的体型系数，采用类似于ＧＢ５０００９—２００１的做法，将结构表面进行区域划分。图５为结构区域分块示意，其中纵向（ｙ轴）均分为５段，每段占总长度２０％；横向（Ｘ轴）对称划分为４×２共８段，从对称轴由里向外各段分别占总跨度约１５％、１５％、１２％、８％。区域划分图中的行列数值与表１中的行列数值一一对应；鉴于篇幅有限，本文仅列出了各风向角度的风压系数峰值数据，见表１。
ａ一剖面Ｉｂ一平面图５结构分块示意
６０ｋ
表ｌ各单元区域平均风压系数（即体型系数）峰值（０。一９０。）
Ａ
１
５０９Ｏ４２Ｏ２６００２９８９０Ｏ４９２８ＯＯ６８２７０Ｏ４
一一
Ｌ２４８
０３４４３９
０一０Ｏ一ＯＯ一ＯＯ
７８００６５２４８２６
Ｏ２７７２７２Ｏ６９３３３Ｏ３ｌ４１８１７０３８６１３３２９１
Ｏ
●
Ｏ２８Ｏ６９ＯＯ４６６４ＯＯ２４６３
一０．０３０一Ｉ．７９０—０．００４一Ｉ．０８２
０．００３
——０．０３５Ｏ．１３５——Ｉ．５３３
０．３９８——１．１９７
０．４１３
一０
Ｂ
ｌ
一Ｏ
Ｏ
一１一Ｏ一０
Ｏ
●
—１．８１８—０．００３
——Ｉ．３７５
０．００４——０．９４２
０．００６——０．６２５——０．００１
●
一Ｏ
Ｃ
０Ｏ
Ｄ
００
一Ｏ０３５３３Ｏ６１７３６００５仉ｍ吼仉ｍ
５Ｏ６ＯＯ３
８一Ｏ
Ｏ
●
３３９４４９５２８２７ｌ３８７２ｌ４
●
一０
Ｏ
一Ｏ
Ｏ
●
—０．７７９
０．００６
—０．７８９
０．５０５——０．２１２
０．２１８——０．０３４
ＯＯ６４２３Ｏ３２２５４
一０
Ｏ
一Ｏ
Ｏ
一０
０
●
一Ｏ．５４１
０．００６
Ｅ
一
Ｏ０
●
一ｍ一０一Ｏ一Ｏ
●
—０．３５７—０．３４８
注：单元格中的体型系数数值，上为最大值，下为最小值。
由图４、图５及表１可以看出：１）Ｏ。风向环境中结构入口处产生显著的负压；２）在１５。风环境中，结构入口Ｉ／３处所受正负压较为明显，且绝对值相近，呈对称分布；３）在３０。、４５。、６０。、７５。风环境中，结构风压及体型系数变化较连续，从迎风面到背风面逐渐递减；且入风口处，结构背风面局部区域均产生较大负压区；４）在９０。风环境中，结构顶部受到明显的负压，迎风面及局部背风面为正压。４数据对比与结论
根据前述理论及方法，可以获得详细的风压系数数据。通过对比数值模拟结果和风洞试验结果，可以清楚地了解数值模拟的情况和效果，表２给出了对比情况和结果分析‘３。］。
４８
５
在表２中，模拟数据均以峰值参与比较，对于风洞数据以试验处理值为准，个别无试验的数据区域通过线性插值获得。根据对比模拟结果和风洞试验数据可以发现，８０％以上区域模拟误差在１５％以内，两者吻合效果比较好。与风洞试验结果相比，数值模拟结果在中心区域相对偏小，边缘区域偏大。主要原因有两点：一是软件问题，在处理结构边界和约束时效果不佳，这方面还有待改进；二是建筑物周围地貌和环境对模拟结果亦有一定影响。
此外，湍流模拟技术也有待发展，提高湍流模拟精度是一项重要课题。
结语
半柱面网壳在多风向角度的环境中受到显著的
钢结构２００９年第３期第２４卷总第１１８期
丁义平，等：某干煤棚风裁及体型系数数值研究
风压作用，不同区域在不同方向风作用下所受风压有较大差异。个别区域出现的过大风压应引起工程设计人员的足够重视。在０。风向中，入风口边缘区域（檐口）具有一定的负压，最大负压系数为一０．２２０，有别于常规思维，应加以注意；在４５。、６０。、７５。等风向中，入风口边缘局部区域出现较大的
风吸作用，最大负压系数值为一１．８１８，最大正压系数为１．５０９，与以往文献和工程经验有较大出入，需要作详细探讨，可以考虑加强局部位置。０。风向入口边缘，１５。、３０。、４５。、６０。风向时结构背风面均受到不同程度的负压；７５。、９０。结构顶部受到一定的负压，局部背风面产生正压。
表２各单元体型系数峰值与风洞试验测量值对比
区域
Ａ１
模拟值
１．５０９１．２４８
试验值
１．５００１．３０００．８２００．３００
误差／％
０．６０４．１７５．１３８．３０２．９０６．１５４．５１２．１５
区域
Ｃ５
模拟值
—０．４６３—０．７７９—０．９４２—０．７８９
０．９２８０．７３６
试验值
—０．５００—０．７７０—１．０００—０．６８０
０．９６３
・
误差／％
７．９９１．１６６．１６１３．８１３．７７５．９８０．７６７．０６
Ａ２
、
ｃ６
Ｃ７
Ａ３Ａ４Ａ５
０．７８０
０．２７７
Ｃ８
Ｄ１Ｄ２
—１．０６９—１．７９０—１．８１８—１．５３３
１．０２６０．４３９０．２４８０．０６９
—１．１００—１．６８０一１．９００—１．５００
１．１３００．４５５０．３０００．０７０
Ａ６
Ａ７
０．７８０
０．５３２
Ｄ３
Ｄ４
０。５２８
０．１７０
Ａ８
Ｂ１
０．１８２—０．４６０—０．５７２—０．７００一Ｏ．２０５
０．８５６０．５０００．３７００．１４０
１０．１４
３．６４
Ｄ５
Ｄ６
—０．４２３—０．５４１—０．６２５—０．２１２
０．８２７０．５０６０．３８７
．０．１３３
８．７５
５．７３
Ｂ２
Ｂ３１５４Ｂ５Ｂ６Ｂ７Ｂ８
２０．９６
１．４５６．６３ｌＯ．３５４．００２．６７８．１９１．３ｌ４．４２１２．９０
Ｄ７
Ｄ８Ｅ１
１２．００
３．３０３．５１１．１９４．３９
—０．５６４一１．０８２—１．３７５—１．１９７
０．９８９０．５３３０．３３９０．０３１
—０．６２０—０．９７０一１．３２０—１．１６５
１．０７００．５４００．３２４０．０３５
Ｅ２
Ｅ３
Ｅ４
Ｅ５
５．２６
５．５１
Ｃ１
Ｃ２
—０．２５４—０．３５７—０．３４８—０．０３４
—０．２４０—０．３２０—０．３２０—０．０３０
Ｅ６
Ｅ７
１０．３６
８．０５１１．７６
Ｃ３
Ｃ４
Ｅ８
根据对该干煤棚结构的风压研究可以发现，大跨度空间结构的风荷载体型系数具有明显的复杂性。对这类半柱面体型结构的风荷载作系统的分析和研究具有重要的工程意义和价值，可以通过给出同类结构的常用体型系数，对类似结构的设计具有一定指导意义，同时起到部分定性分析以及校核作用。将此法应用于结构的前期设计与分析，可为结构整体设计的评定和校核提供科学的理论依据。
’
参考文献
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研究［Ｊ］・结构工程师，２００７（２）：６２—６６・
［４３襄萎霎褊；｝萎暑蒜黧嚣譬翟＝筒壳的风洞与
‘
宝冶建设中标上海世博会荷兰馆总承包工程
２００９年１月１３日，上海世博会荷兰馆工程签约仪式在宝冶建设多功能会议室隆重举行。荷兰王国驻世博会总代表Ｗａｌｔｅｒ
ｖａｎ
Ｗｅｅｌｄｅｎ、上海国际招标有限公司总经理黄培君、宝冶建设副总经理刘安义、宝冶建设教授级专家蔡惠良、世博总包
项目部、荷兰馆项目部、相关部门人员出席了签约仪式。
据了解，世博会荷兰馆位于世博Ｃ片区北环路北侧Ｃ０６—０４地块，总建筑面积３积１
８８８
１９４
ｍ２，其中建筑面积１
３０６
ｍ２，构筑物面
ｍ２。参展场馆是一个螺旋上升的步行道，由２６个独立的建筑物及一个构筑物（饮水站）组成．
该工程主要由两部分组成，分别为主桥与展示用房。其中主桥主步行桥长度约为３７２ｍ，宽为５ｍ。从地面螺旋上升至最高处，主要构件为箱型梁与圆管柱。其余２６个展示甩房大部分放置于主桥的悬挑梁上，主要为钢框架结构．建筑分为上部餐厅与下部支座两部分，支座为框架结构，上部餐厅采用环形辐射结构。
ＳｔｅｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｍ２００９（３），Ｖ０１．２４。Ｎｏ．１１８
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