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数值风洞指利用计算机模拟复杂结构表面及其周围的空气流场,经数值计算,获取结构表面的风压分布﹑风载体型系数和结构风振系数等值, 为结构抗风设计提供坚实依据,即计算风工程方法。涉及计算流体动力学﹑结构动力学﹑有限元法﹑风工程﹑结构工程,以及计算机语言﹑高校数值算法﹑计算机图形学和动态可视化处理技术等学科。其核心内容是计算流体动力学。通过在计算机上对建筑物周围风流动所遵循的流体动力学方程进行数值求解,并且可借助计算机图形学技术将模拟结果形象地表述出来,以对建筑物周围风场进行仿真模拟。纵断面风压分布图建筑物正表面风压分布图由于大多数土木工程建筑物为非流线型,不具备良好的空气动力学性质。建筑物的拐角处一般具有尖锐的棱角边,对于风流动表现为钝体形状,成为风流动过程中的障碍物,造成局部扰动,因其速度场和压力场的变化而发生空气动力学畸变,因而建筑物对上游气流的阻塞作用改变了其周围的流场分布,使其周围流场变得复杂。建筑物周围流场可分为位移区﹑分离区﹑空腔区和尾流区。这就是钝体绕流现象。流场竖向剖面图流场水平剖面图?来流与建筑物相遇在建筑物前方形成位移区,在前下方向流动产生回旋;经过建筑物两侧面和顶面的拐角处产生气流的分离现象,形成分离区;在建筑物背面形成空腔区, 空腔区气流速度较低,发生回流现象。随后由于气流动能损失形成尾流区,一般延伸到几倍于建筑物高度的距离, 根据雷诺数的大小,尾流将是不同程度的湍流。概括的说, 建筑物周边流动油气流撞击﹑分离﹑再附着和环绕流动等物理现象组成。计算风工程中流体运动要遵循三大守恒方程, 即质量守恒定律﹑动量守恒定律﹑能量守恒定律。气流速度小于 110m/s 时可认为是不可压缩流;在研究风对建筑物的钝体绕流现象时,可将气流假设成不可压缩流体,取密度为常量,在流动时热量交换很小,可以不考虑能量守恒方程。要使方程组封闭还需要本构方程﹑湍流特性方程等流动控制方程,将不可压缩牛顿流体本构方程代入动量守恒方程得到不可压缩流体的纳维-斯托克斯方程(简称为 N-S 方程)。 N-S 方程采用比较直观的直角坐标表达式为: ?????????????????? xy uu uv uw u u u u p F t x y z x x y y z z x vu vv vw v v v v p F t x y z x x y y z z y wu wv ww w w t x y z x x ? ??? ?? ???????? ? ??? ???????? ?? ? ??? ??????????? ? ??? ?? ??? ?? ???????? ? ??? ???????? ?? ? ??? ??????????? ? ??? ?? ??? ??? ?? ????? ?? ?????? ?ρρρρμμμρρρρμμμρρρρμ z w w p F y y z z z ????????? ?? ????? ??? ??? ?? ?? ?????? ?? ??μμ该控制方程的通用形式为: ???????? w v w S t x y z x x y y z z ? ???? ?? ?????? ? ??? ??????? ?? ? ??? ?????????? ? ??? ?ρψρψρψρψψψψζξξ式中, ψ通用变量; ζ广义扩散系数; S广义源项。何为湍流? 土木工程中所研究的对象绝大多数处于大气边界层,也就是处在湍流的作用中。湍流是一种高度复杂的三维的非稳态、带旋转的不规则流动。在湍流中流体的各种物理参数,如速度, 压力等都随时间与空间发生变化。从物理结构上,可以把湍流看成由各种不同尺度的涡旋叠合而形成的流动,这些漩涡的大小及旋转轴的方向分布是随机的。大尺度涡由边界条件决定, 是引起低频脉动的原因,小尺度涡主要是由粘性力决定,是引起高频脉动的原因。在充分发展的紊流区域,流体涡旋的尺寸可以在相当大的范围中变化。大尺度漩涡不断