Delist.ru

Численное моделирование ветровых воздействий на высотные здания и комплексы (29.06.2010)

Автор: Дубинский Сергей Иванович

Обучение студентов и аспирантов теоретическим основам и практическому применению разработанной методики.

Исследования проводились в рамках работ по Проекту 2.1.2/6414 аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы) ".

Научная новизна работы.

Разработана и верифицирована методика определения ветровых воздействий на высотные здания и их группы на основе решения уравнений Навье-Стокса в приближении Рейнольдса (модели турбулентности RANS, URANS и DES) с применением метода конечных объемов, позволяющая адекватно учитывать ключевые факторы – направления и профиль ветровых потоков, рельеф местности, окружающую застройку и поэтапность возведения комплексов – и обеспечивающая успешное практическое решение регламентируемых отечественными нормами задач (расчета средней и пульсационной составляющей нагрузок на несущие конструкции, определения пиковых давлений на ограждающие конструкции, оценки уровня пешеходной комфортности).

Разработана методика оценки пульсационной составляющей давления и пиковых нагрузок на фасадные конструкции по результатам стационарных расчетов осредненной энергии турбулентных пульсаций и с учетом осредненных коэффициентов обеспеченности и корреляции.

Разработана методология проблемно-ориентированного программного модуля для проведения вариантных вычислительных экспериментов, позволяющего в автоматизированном режиме формировать полный программный код для всех этапов расчета.

Практическая значимость работы.

Разработанные в диссертации методика математического моделирования и вычислительного эксперимента, а также реализующие ее программные средства обеспечивают приемлемую практическую точность, позволяют существенно уменьшить временные ресурсы на выполнение расчётов ветровых воздействий (средняя и пульсационная составляющие нагрузок на несущие конструкции, пиковые давления на фасадные конструкции, оценка уровня пешеходной комфортности) на высотные здания-комплексы;

Полученные с использованием разработанной методики результаты могут быть применены для верификации аналогичных технологий расчета и специализированных программных комплексов, а также для “настройки” вновь вводимых в эксплуатацию аэродинамических труб, для повышения эффективности, сокращения сроков испытаний и оптимального размещения

Методика позволяет создание справочной базы данных по аэродинамическим параметрам для типовых форм высотных зданий, допускающей использование совместное с программными комплексами расчетов динамики и прочности конструкций;

Методика может быть использована в составе систем мониторинга перемещений и ускорений высотных зданий и комплексов для повышения эффективности их работы;

Методика может быть применена для определения ветровых воздействий на произвольные классы сооружений, включая транспортные.

Внедрение:

Методика и программное обеспечение применяются в Научно-образовательном центре компьютерного моделирования (НОЦ КМ) МГСУ и Научно-исследовательском центре “СтаДиО” для практических расчетов реальных высотных зданий и комплексов застроек;

Разработанная методика используется в практике обучения студентов кафедры “Информатика и прикладная математика” МГСУ по дисциплине “Вычислительная аэрогидромеханика”, а также аспирантов, прикрепленных к НОЦ КМ МГСУ для выполнения диссертационных исследований.

Личный вклад соискателя. Все исследования, изложенные в диссертационной работе, проведены лично соискателем в процессе научной деятельности. Из совместных публикаций в диссертацию включён лишь тот материал, который непосредственно принадлежит соискателю.

На защиту выносятся:

Методология численного моделирования ветровых воздействий на высотные здания и их группы, обеспечивающая успешное практическое решение регламентируемых отечественными нормами задач (расчета средней и пульсационной составляющей ветровых нагрузок, определения максимальных давлений на ограждающие конструкции, оценки уровня пешеходной комфортности);

Методика оценки пульсационной составляющей давлений и максимальных расчетных нагрузок на фасадные конструкции по результатам стационарных расчетов энергии турбулентных пульсаций и с учетом осредненных коэффициентов обеспеченности и корреляции;

Методология проблемно-ориентированного программного модуля для проведения вариантных вычислительных экспериментов, позволяющего в автоматизированном режиме формировать полный программный код для всех этапов расчета, для анализа и оформления результатов расчета, а также для передачи ветровых нагрузок в пакеты “прочностных” расчетов в качестве исходных данных;

Методология формирования расчетных аэродинамических моделей высотных сооружений и их комплексов в составе застройки.

Достоверность полученных результатов обеспечивается:

использованием апробированного математического аппарата (математические модели теории аэромеханики и механики деформируемого твёрдого тела) и численных методов решения;

применением апробированных в мировой практике технологий аэродинамических расчетов широкого круга задач машиностроения и строительства и верифицированного лицензионного программного комплекса ANSYS CFX, их реализующего;

успешным решением с использованием разработанной методики представительного набора верификационных тестовых задач;

согласованием получаемых результатов с данными расчетов авторитетных отечественных и зарубежных специалистов, использующих иные методики и программные средства;

согласованием с результатами экспериментальных исследований в аэродинамических трубах и данными натурных замеров для реальных зданий и

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на симпозиумах Российской академии архитектуры и строительных наук (РААСН) «Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений» (Нижний Новгород, 2007 и Пермь, 2008), на конференциях «Теория и практика расчета зданий, сооружений и элементов конструкций. Аналитические и численные методы» (Москва, МГСУ, 2008, 2009 гг.), на научных семинарах НОЦ КМ МГСУ "Актуальные проблемы компьютерного моделирования зданий, сооружений и комплексов" (в декабре 2009 и феврале 2010), а также на конференциях и семинарах пользователей ПК ANSYS (2001-2002, 2004-2008 гг.) и ПК SCAD в г. Москва (2006-2009 гг.) и в г. Киев (2008 г.).

Публикации. По тематике диссертации опубликована 11 работ, в том числе 7 работ в изданиях, включенных ВАК в перечень рекомендуемых.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав (с выводами по каждой главе), заключения, списка литературы (194 наименования, в том числе – 110 на иностранных языках), 81 рисунка и 11 таблиц. Общий объём диссертации – 199 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование актуальности работы, определены проблемы, цели и задачи исследований, перечислены основные научные и практические результаты, приведено краткое содержание диссертации по

В первой главе дается аналитический обзор современного состояния вопросов определения ветровых воздействий (нормативного, натурно-метеорологического, экспериментального и численного) на высотные здания и их комплексы. Представлен анализ отечественной нормативной базы в ее развитии и опыта практических расчетов на ветровые нагрузки (Э.И. Реттер, А.Г. Соколов, Г.А. Савицкий, И.М. Беспрозванная, Ф.Л. Серебровский, А.И. Цейтлин, А.С. Бернштейн, М.Ф. Барштейн, Б.Г. Коренев, М.И. Казакевич, А.А. Петров, Н.А. Попов, В.И. Травуш, А.В. Перельмутер, Б.В. Остроумов и др.). Из зарубежных исследователей можно отметить вклад А.G. Davenport, E. Simiu, R. H. Scanlan, N.J. Cook, Y. Tamura, A. Kareem, J.D. Holmes, G. Solari и др.

Анализируются существующие отечественные и зарубежные экспериментальные оценки ветровых нагрузок на здания и комплексы (Р.А. Irwin, А.G. Davenport, Н.А. Попов, М.А. Березин, А.Б. Айрапетов, С.В. Гувернюк, В.Г.Гагарин, Б.В. Остроумов, Ю.В. Табунщиков, С.Г.Кузнецов и др.). Рассмотрены особенности аэродинамических испытаний и ветровой аэродинамики высотных зданий в условиях их компактного расположения и интерференции на примере сооружений ММДЦ “Москва-Сити”. Обсуждаются реальные ветровые режимы для гг. Москвы и Владивостока и нормативное районирование (Л.Е. Анапольская, М.М. Борисенко, Н. А. Дашко и др.).

Кратко описана история математического моделирования задач гидрогазодинамики. Рассмотрены как классические работы (И. Ньютон, Д. Бернулли, Ж.Л. Даламбер, О. Рейнольдс, Д. Стокс, Н.Е. Жуковский, Л. Прандтль, Т. фон Карман, А.Н. Колмогоров, Л.И. Седов, Л.Г.Лойцянский, Г. Шлихтинг и др.), так и современные отечественные (М.Х. Стрелец, Е.М. Смирнов, С.А. Исаев, А.Е. Усачов, И.К. Лифанов, О.М. Белоцерковский, С.В. Гувернюк, А.В. Атаманчук, В.Я. Шкадов, В.Н. Варапаев и др.).

Изучены существующие методические рекомендации по численному моделированию ветровой аэродинамики (J. Franke, С.P.W. Guerts, A.Mochida). Анализируются возможности существующих программных комплексов (ПК) и опыт расчетов ветровых воздействий (Stathopoulos, Blocken, Carmeliet, Bitsuamlak, Meroney, Franke, Kai Fan Liаw, F.Menter, R. Stangroom, С.В. Гувернюк, С.А. Исаев и др.). Отмечено, что применение наиболее мощных и признанных ПК (в частности, ANSYS CFX, ANSYS FLUENT, STAR-CD, PHOENICS) обеспечивает успешное решение практических задач.

Обосновывается необходимость разработки специализированного программного модуля, учитывающего особенности расчетов ветровых воздействий на высотные здания и комплексы.

Во второй главе описана разработка комплексной методики численного моделирования ветровых воздействий на высотные здания и их компактно расположенные группы.

Расчеты ветровых потоков и воздействий сводятся к численному решению трехмерных нестационарных нелинейных уравнений гидрогазодинамики в постановке Навье-Стокса:

Кроме того, должны удовлетворяться уравнения неразрывности (сохранения массы) и состояния:

загрузка...