柱面干煤棚风压分布特性数值模拟研究 徐桐 李玉学 刘飞霞 石家庄铁道大学土木工程学院 摘 要： 基于计算流体力学软件 ANSYS14.0-FLUENT, 研究秦皇岛热电厂柱面干煤棚网壳结构在风作用下的表面风压分布。通过建筑几何模型建立、网格划分以及后处理得到相应计算模拟结果。通过控制变量法, 研究不同风向角以及不同矢跨比下干煤棚壳体表面不同部位风压系数, 为干煤棚结构抗风设计提供依据。研究结果表明:干煤棚的整体结构受力主要以风吸力为主, 随着风向角的改变, 干煤棚的风压分布会发生显著变化;干煤棚矢跨比宜为 0.30.5, 改变矢跨比对干煤棚壳体的风压分布产生一定效果但并不明显。关键词： 柱面干煤棚; 风压系数; 风向角; 矢跨比; 作者简介：徐桐 (1991) , 男, 硕士研究生, 研究方向为桥梁与结构工程施工与监控。2410754452qq.com收稿日期：2017-07-24A Numerical Simulation and Study of the Distribution Characteristics of the Wind Pressure on the Cylindrical Dry-Coal ShedXU Tong LI Yuxue LIU Feixia The College of Civil Engineering of the Shijiazhuang Tiedao University; Abstract： With the help of the software of ANSYS14.0-FLUENT for the computation of fluid mechanics, the surface wind pressure of the net-shell structure of the cylindrical dry-coal shed of the coal-fired power plant in Qinhuangdao under the action of wind is studied in the paper.Through the establishment of a geometrical model, grid division and the post-processing, the simulated and calculated results are obtained.Through the variables-controlling method, the coefficients of the wind pressure at different surface points of the cylindrical dry-coal shed from different angles of the wind direction, and with different ratios of rise to span are studied in order to provide technical grounds for the wind-resistant design of cylindrical dry-coal shed structures.The results of our research show that the force that exerts on the overall structure of the dry-coal shed is chiefly the wind suction.With the angle of the wind direction changing, there will be remarkable changes in the distribution of the wind pressure on the dry-coal shed.It is advisable that the ratio of rise to span for the dry-coal shed should be 0.30.5, and Changing the ratio of rise to span has certain effect on the distribution of the wind pressure on the dry-coal shed but the effect is not so obvious.Keyword： cylindrical dry-coal shed; coefficient of the wind pressure; angle of the wind direction; ratio of rise to span; Received： 2017-07-24近年来, 随着计算机运算、存储能力的大幅度提升和 CFD 软件的日益成熟, 数值模拟技术已经成为流体力学领域不可或缺的一部分1。由于火电厂干煤棚跨度大、净空高2的特点, 结构抗风设计成为了结构设计中不可或缺的一部分。运用 CFD 数值模拟技术进行结构抗风设计具有重大和深远的意义3。郭云4通过 FLUENT 软件模拟不同风向角下柱面干煤棚风荷载体型系数, 发现0风向角下风吸力体型系数最大, 90风向角下风吸力体型系数最小。丁义平5基于 FLUENT6.0 软件, 采用具有雷诺应力方向性的雷诺应力方程中湍流模型 (RSM) , 对相关规范中还没有规定的柱面网壳结构静力风荷载进行了数值模拟研究, 发现半柱面网壳在多风向角度环境中受到显著的风压作用, 不同区域在不同方向所受风压有较大差异。张成杰6以球面干煤棚屋盖为例对其表面的风荷载进行了数值模拟, 发现各风向角下屋面绝大多数区域受风吸力作用, 屋面风压最大值及风压变化最剧烈的区域出现在储煤仓四个角的球面处。本文基于 ANSYS 14.0-FLUENT 中 workbench 模拟环境完成对干煤棚的风压数值模拟。1 干煤棚实体数值模拟1.1 干煤棚实体秦皇岛热电厂干煤棚为全封闭贮煤场, 结构横向跨度为 121.0m, 纵向长度370.0m, 底面立柱高为 6.0m, 柱面网壳矢高 41.5m, 矢跨比为 13, 网壳表面全部铺设压型钢板, 如图 1 所示。图 1 柱面网壳剖面与水平投影图 (单位:m) 下载原图1.2 建筑模型与计算域模型结构首先对干煤棚进行几何模型的建立, 在 Geometry 中完成模型建立与流域设置。由于网壳表面全部铺设压型钢板, 可视该结构为完全封闭式, 按照实际尺寸进行 11 实体模型建模。在进行计算域设置时, 为保证阻塞率要求, 使得流体流过建筑物后充分发展7, 出口设置接近为 10B, 入口设置为 5B (B=370m) , 最终计算域尺寸设置为 5 770.0m1 321.0m297.5m, 建筑物位于距离流体入口1 800.0m 处。1.3 网格划分网格划分时分别通过网格的整体控制和局部设置以达到较好的网格划分效果8。总体网格划分上采用具有自适用功能的四面体网格, 通过调高总体网格尺寸粗细值和调整合适平滑度, 使得网格划分更细从而提高网格划分质量, 在局部设置上将煤棚实体设置膨胀层。通过改变不同的参数设置值, 最终共划分网格数目分别为 65 万、129 万以及358 万。经检查各参数项发现当网格数量为 65 万时, 网格划分后的参数如单元偏斜度指标、正交质量指标等不能够很好满足要求;当划分网格数目为 129 万以及 358 万时, 参数质量都能够较好地满足要求。但是再增加网格划分数目已经对结果影响不大, 说明此时网格参数质量的好坏已经与网格数目再次的增多无关。计算机工作量大大加大, 不利于计算机工作, 因此最终取 129 万网格为最终数目, 定义好边界条件后完成网格划分。图 2 表示建筑物结构表面网格;图 3为整体网格划分和标注示意图, 左侧表示流域入口, 右侧为流域出口。图 2 建筑物结构表面网格划分图 下载原图图 3 整体网格划分与标注图 (单位:m) 下载原图1.4 风荷载数值模拟风荷载数值模拟采用指数率分布的梯度风, 利用公式 进行计算。式中:U (z) 为任意高度处的平均风速;U r为标准参考高度处的平均风速;Z 为任意高度;Z r为参考高度处的平均风速; 为地面粗糙度指数9。本文利用 c 语言编制的 UDF 作为入口接口实现梯度风指数模拟, 其中定义 10m 为参考高度, 此高度对应的风速为 31 m/s, 地面粗糙度指数 为 0.12。求解过程中, 进口风利用 UDF 为接口, 导入 fluent 中进行求解10。1.5 湍流模型选取与后处理设置湍流模型采用标准的 - 模型, 对流项的离散全部采用高精度的二阶迎风格式, 速度压力耦合采用 SIMPIE 算法。在收敛控制时, 设置求解变量的均方根残差小于 1.010 为收敛。令迭代的次数分别为 100、500、1 000 次。经过迭代, 发现当迭代进入 500 次时, 各个风向角下求解变量的均方根残差标准值均已小于设置值, 说明此时不同风向角下迭代均已满足了收敛的要求, 表明计算结果精度已经与迭代次数的再次增加几乎无关。由于迭代次数越多, 计算时间越长, 为了减少计算时间, 可设置迭代步骤为 500 次。2 不同风向角下风压系数结果分析风压系数一般是用来计算风对建筑物的影响。本文以干煤棚柱面网壳纵向长度方向为 0定义风向角, 沿着逆时针方向, 逐步研究了 0, 30, 45, 60和 90风向角下对应的风荷载压力系数 Cp值, 即风压系数值。本文定义风压系数值 Cp= (P-P0) / (0.5V) 。式中: 为标准空气密度;V 为 10m 参考高度对应的风速;P 为建筑物表面的压强;P 0可通过在流域进口处设置监控点得到。干煤棚表面的 Cp值反映了建筑物表面不同位置的压力情况。本文定义远离结构表面法线方向为负压, 表现为风吸力;反之为正压, 表现为风压力。图 4图 8分别为不同角度下的风压系数, 从中可知:(1) 0风向角下, 最大正风压系数出现在建筑物前中间部位, 此时前平面为迎风面, 最大正压力系数为 1.2 左右;在建筑物前平面上, 风压系数几乎都为正值, 由定义可知表现为压力作用;在柱面网壳和后平面上风压系数主要为负值, 在靠近建筑物前平面的柱面上出现了最大负风压系数, 此时表现为吸力, 最大负压力系数值为-1.6;在接近柱面中部处出现压力系数为 0 的点, 表明此时部分壳体几乎不受力。图 4 0风向角风压系数 下载原图图 5 30风向角风压系数 下载原图图 6 45风向角风压系数 下载原图图 7 60风向角风压系数 下载原图图 8 90风向角风压系数 下载原图(2) 30风向角下, 最大正风压系数出现在建筑物前平面且偏向于左柱面一侧, 最大正压力系数为 1.2;在前平面上, 风压系数几乎都为正值, 由定义可知表现为压力作用;在柱面和后平面风压系数主要为负值, 此时力表现为吸力, 在柱面上端靠近前平面处负风压系数较大, 在靠近前平面的柱面壳体上部出现最大负风压系数, 最大负风压系数为-2.2。(3) 45风向角下, 最大正风压系数出现在建筑物前平面上且偏于一侧, 最大正压力系数值为 1.2, 表现为压力, 此时在前平面上风压系数已经出现了负值, 但大部分风压系数还是正值;最大负风压系数出现在柱面壳体顶部, 最大负风压系数值为-1.8, 表现为吸力, 此时柱面和后平面的大部分风压系数依旧为负值。(4) 60风向角下, 最大正风压系数不再出现在前平面, 此时的最大正风压系数出现在左柱面一侧的底部且靠近前平面, 最大正压力系数值为 1.2, 表现为压力, 在柱面上风压系数依旧有负值