CFD在風(fēng)荷載計算中的應(yīng)用
風(fēng)荷載是結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計中的主要荷載，而現(xiàn)場實測、風(fēng)洞試驗、數(shù)值模擬是獲取風(fēng)荷載數(shù)據(jù)的主要方法。文章介紹了作用于結(jié)構(gòu)上的大氣邊界層內(nèi)風(fēng)的特性、風(fēng)荷載的特點以及風(fēng)荷載的研究方法，討論了在數(shù)值模擬中引入湍流模型的必要性，指出了目前計算流體動力學(xué)在結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載計算中的進展并對今后的研究方向進行了展望。
1940 年美國的Tacoma 懸索橋在平均風(fēng)速僅為18.8 m/s 的大風(fēng)作用下垮塌[1]，引發(fā)了對風(fēng)荷載及風(fēng)響應(yīng)的深入研究，到20 世紀(jì)60 年代中期，逐步形成了一門新的學(xué)科———風(fēng)工程學(xué)。具體地說，它包括三個方面的研究內(nèi)容：(1)結(jié)構(gòu)風(fēng)工程；(2)車、船風(fēng)工程；(3)環(huán)境風(fēng)工程。在風(fēng)工程學(xué)科中，結(jié)構(gòu)風(fēng)工程問題作為學(xué)科發(fā)展的起源，始終處于核心的地位。
1、大氣邊界層內(nèi)近地風(fēng)特性
大氣邊界層內(nèi)風(fēng)特性的研究是結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究的基礎(chǔ)。大氣邊界層內(nèi)近地層的氣流是一種隨機的湍流流動，目前僅對100 m 高度以下的地表層的風(fēng)特性比較了解，通常將其分為平均風(fēng)特性和脈動風(fēng)特性來進行研究。對結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載有重要影響的風(fēng)特性參數(shù)有：平均風(fēng)速剖面、脈動風(fēng)的湍流強度、湍流積分尺度、脈動風(fēng)功率譜密度函數(shù)、脈動風(fēng)的空間相關(guān)函數(shù)。經(jīng)過對不同高度風(fēng)速的大量實測研究，一般認為平均風(fēng)速沿高度的變化大體符合指數(shù)規(guī)律。大氣湍流是引起脈動風(fēng)的重要原因，一般通過湍流強度和湍流積分尺度來描述，湍流強度反映了一定高度下脈動風(fēng)速均方根與平均風(fēng)速的比值，湍流積分尺度是氣流中湍流旋渦平均尺寸的量度。
在應(yīng)用隨機振動理論計算脈動風(fēng)速時，脈動風(fēng)功率譜是必要的資料，目前國際上通用的功率譜有Davenport 譜、Harris 譜、Simiu 譜、Kaimal 譜。其中Davenport 譜、Harris 譜是通過不同離地高度的實測值取平均得到，所以不能反映風(fēng)譜和高度變化，實際是10 m高度處的脈動風(fēng)速譜。Simiu 譜、Kaimal 譜考慮了近地表層中湍流積分尺度隨高度發(fā)生的變化，它們屬于中性大氣穩(wěn)定度下的功率譜，其譜峰及峰值頻率不盡相同。我國規(guī)范和工程應(yīng)用上一般采用Davenport 風(fēng)速譜。
2、結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載及研究方法
對于天線來說，風(fēng)壓是最主要的荷載。風(fēng)荷載是一種具有隨機性的動荷載，由于結(jié)構(gòu)阻塞大氣邊界層氣流的運動引起。在某一地點，風(fēng)荷載是時間t 和坐標(biāo)x（高度）的隨機函數(shù)，而且往往具有非平穩(wěn)性。一段時間以來，國內(nèi)外利用隨機函數(shù)理論來研究隨機荷載作用下結(jié)構(gòu)的振動，但是隨機性相當(dāng)復(fù)雜，在解決實際問題時一般予以適當(dāng)簡化。
由于大多數(shù)工程結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為鈍體，結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究的重點是鈍體空氣動力學(xué)，風(fēng)繞結(jié)構(gòu)的流動是湍流、分離流和三維流動，因此結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載分別來自：來流的脈動、分離的剪切層、再附著的尾流脈動等。此外，結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動也可能引起附加荷載。風(fēng)荷載一般包括順風(fēng)向力、橫風(fēng)向力和扭轉(zhuǎn)力矩，并具有以下特點：
(1)風(fēng)荷載與空間位置及時間有關(guān)，受地形、地貌、周圍建筑環(huán)境等因素影響；
(2) 風(fēng)荷載與結(jié)構(gòu)的幾何外形相關(guān)，結(jié)構(gòu)不同部分對風(fēng)敏感程度不同；
(3)具有顯著非線性特征的結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載可能產(chǎn)生流固耦合效應(yīng)；
(4)結(jié)構(gòu)尺寸如果在多個方向比較接近，風(fēng)荷載還需要考慮空間相關(guān)性。
工程設(shè)計計算中風(fēng)荷載一般以風(fēng)壓來表示。確定風(fēng)荷載的主要手段有現(xiàn)場實測、風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬等，如表1 所示。
表1 天線風(fēng)荷載研究方法比較
風(fēng)洞試驗、現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬方法相結(jié)合,可發(fā)揮各自的優(yōu)勢。一方面，測試結(jié)果與數(shù)值模擬所得的數(shù)據(jù)相互對照，可驗證數(shù)值模擬方法的有效性與精度，同時減少風(fēng)洞試驗次數(shù)與現(xiàn)場測試工作量；另一方面，以風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)或?qū)崪y資料為基礎(chǔ)，獲得脈動風(fēng)速時程曲線，這是進行脈動風(fēng)荷載計算的必要條件。
6、結(jié)束語
> 隨著結(jié)構(gòu)工程向長大化、高聳化、輕柔化以及外形復(fù)雜化發(fā)展，對風(fēng)的敏感程度也越來越強，風(fēng)荷載計算及其與結(jié)構(gòu)間復(fù)雜的相互作用對結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計提出了巨大挑戰(zhàn)，CFD 的飛速發(fā)展為結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的研究帶來了巨大的變革。為了解決在復(fù)雜環(huán)境下復(fù)雜結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載數(shù)值計算問題, 對現(xiàn)有的數(shù)值模擬理論和方法還應(yīng)進行精細化的改進和發(fā)展。
CFD 對結(jié)構(gòu)平均風(fēng)荷載的計算結(jié)果已經(jīng)達到實用化程度，而對脈動風(fēng)荷載進行計算的LES 才剛剛起步。由于大氣邊界層近地風(fēng)特性的復(fù)雜性，要在結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域完全依靠數(shù)值風(fēng)洞計算風(fēng)荷載從而進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，還需要結(jié)構(gòu)工程、風(fēng)工程、計算力學(xué)、氣象學(xué)、計算機硬件技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的進一步結(jié)合與發(fā)展。
參考文獻
[1] Davenport A G. The missing links [A]. Wind Engineering into 21st Century[C].Balkema:[s.n.],1999.
[2] 蘇銘德,黃素逸.計算流體動力學(xué)基礎(chǔ)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社.1997.
[3] Selvem P R. Computation of pressures on Texas Tech University building using large eddy simulation[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,1997.
