網(wǎng)架設(shè)計(jì)軟件STADS的計(jì)算風(fēng)工程開(kāi)發(fā)
——風(fēng)壓分析

王世方，王孟鴻

(北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院， 100044 北京)

眾所周知，對(duì)于體型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，風(fēng)洞試驗(yàn)是確定結(jié)構(gòu)表面體型系數(shù)的可行方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高和軟件功能的不斷完善，數(shù)值風(fēng)洞成本低、周期短、效率高，并且不受模型尺度的影響，目前已成為風(fēng)洞試驗(yàn)的輔助工具，將逐步替代傳統(tǒng)風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行風(fēng)壓分析[1]。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的形式為了適應(yīng)使用功能的需要，結(jié)構(gòu)形式千變?nèi)f化，規(guī)范的體型系數(shù)很難囊括，往往需要通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)確定結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行風(fēng)荷載的計(jì)算和設(shè)計(jì)[2]。常規(guī)的做法是委托有風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的單位進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)確定，或者運(yùn)用FLUENT軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，并以分塊體型系數(shù)的形式提供給設(shè)計(jì)單位進(jìn)行風(fēng)荷載計(jì)算和網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。前者模型試驗(yàn)周期較長(zhǎng)、費(fèi)用高，而后者則存在2個(gè)方面繁雜的工作：其一需要大量的建模工作，也就是前處理階段，其二是荷載施加工作。由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)桿件和節(jié)點(diǎn)眾多，常規(guī)的加載一般是由軟件自動(dòng)計(jì)算的，風(fēng)洞數(shù)據(jù)和網(wǎng)架軟件的脫節(jié)，無(wú)疑增加了大量的手工輸入工作，并且也容易發(fā)生數(shù)據(jù)輸入錯(cuò)誤。

本文的接口程序設(shè)計(jì)工作則在網(wǎng)架原有模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)菜單運(yùn)行和參數(shù)控制的方法完成了STADS網(wǎng)架模型與FLUENT軟件的接口問(wèn)題，能夠完成模型轉(zhuǎn)換、風(fēng)壓(系數(shù))的自動(dòng)讀取和加載工作，加快了程序運(yùn)行，避免了大量手工輸入帶來(lái)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

1 STADS與ICEM的連接

本文運(yùn)用ICEM CFD的前處理程序，將STADS網(wǎng)架模型直接導(dǎo)入ICEM CFD中，主要包括如下幾步完成。

1.1 STADS到ICEM CFD模型轉(zhuǎn)化

ICEM CFD的模型是由點(diǎn)、線、壁面組成的，原則上可以由網(wǎng)架網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)和桿件形成，考慮到大型網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)眾多，增加了網(wǎng)格連通功能，從而形成大的分區(qū)[3-4](圖1)，減少了FLUENT的計(jì)算單元，并且能夠保證與原模型的一致性，后續(xù)的監(jiān)控點(diǎn)風(fēng)壓提取以這里的區(qū)域劃分為標(biāo)準(zhǔn)，每一個(gè)區(qū)域設(shè)置一個(gè)壁面，對(duì)應(yīng)一個(gè)監(jiān)控點(diǎn)和風(fēng)壓系數(shù)。

圖1 網(wǎng)架風(fēng)壓分區(qū)Fig.1 Wind pressure zoning of grid structure

1.2 流體域的定義

通過(guò)選擇合理的計(jì)算域，可以提高模擬的精度，提高計(jì)算效率[5-6]，流體域的選擇主要考慮如下2個(gè)方面的因素：

1.2.1 阻塞率

考慮到流域橫截面的大小對(duì)建筑物的影響，要求數(shù)值模擬中的阻塞率在3%以下。

1.2.2 建筑物在流體域中的擺放位置

流域除滿足阻塞率要求外，還應(yīng)考慮建筑物布局。若很靠近入流面，空間較小，使湍流不能充分發(fā)展，不利于數(shù)值模擬的精度。如果建筑物和出流面之間的預(yù)留空間不足，使出流面還處在湍流沒(méi)有完全發(fā)展的回流區(qū)域中，導(dǎo)致較大誤差。根據(jù)研究結(jié)果[7]，計(jì)算域取值如下：

B=4l(y),L1=8l(z),L2=12l(z),H=10l(z)

(1)

式中：B為流體域?qū)挾龋籐1為建筑物到入流面的距離；L2為建筑物到出流面的距離；H為流體域高度；l(x)、l(y)、l(z)分別為建筑物x、y、z方向的長(zhǎng)度。

程序自動(dòng)計(jì)算結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)、寬和高，以對(duì)話框的形式提供給使用者修改使用(圖2)。

圖2 流體域設(shè)置Fig.2 Fluid domain setting

1.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格類型分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)、單元關(guān)系明確，分布整齊有序，劃分需要較大工作量，計(jì)算精度高。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)、單元分布自由，無(wú)次序要求，每個(gè)空間區(qū)域可劃分為三角形或四面體單元。由于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格適應(yīng)性好，對(duì)任何空間區(qū)域大都可以直接劃分網(wǎng)格，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。因本文建筑體型復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型選擇Tetra/Mixed，提高網(wǎng)格質(zhì)量的方法如下：

1.3.1 設(shè)置全局網(wǎng)格參數(shù)

一般情況下取最小尺寸的1/10。程序可以自動(dòng)搜索網(wǎng)格大小，并以此規(guī)則初步計(jì)算最大網(wǎng)格：Max element。

1.3.2 定義Part的網(wǎng)格尺寸

設(shè)置局部最大值，加密建筑物表面。上述參數(shù)經(jīng)初步計(jì)算后在STADS中以對(duì)話框的形式提供給用戶修改使用(圖3)。

圖3 網(wǎng)格劃分設(shè)置Fig.3 Mesh division setting

1.3.3 網(wǎng)格質(zhì)量檢查與光順化

對(duì)在ICEM中生成的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量檢查，設(shè)置光順迭代次數(shù)和光順化網(wǎng)格的目標(biāo)質(zhì)量，利用光順化功能提高網(wǎng)格質(zhì)量。

上述所有工作根據(jù)ICEM的腳本語(yǔ)言以及函數(shù)格式通過(guò)C語(yǔ)言編程嵌固在STADS軟件之中，通過(guò)控制模型參數(shù)直接生成第一個(gè)文件：“文件名-1_ICEM_ Import_Model.rpl”，在ICEM CFD中直接讀入，從而省去了大量的數(shù)據(jù)建模前處理工作，并能夠保證與原網(wǎng)架模型的一致性。

1.4 網(wǎng)格輸出

在ICEM中劃分完網(wǎng)格之后，將網(wǎng)格文件導(dǎo)出成一個(gè)FLUENT可讀的文件。如圖4所示，手動(dòng)選擇ANSYS FLUENT求解器。

圖4 選擇求解器界面Fig.4 Select solver interface

2 STADS與FLUENT的連接

在FLUENT運(yùn)行階段，主要進(jìn)行了3個(gè)方面的開(kāi)發(fā)工作：利用UDF定義入流面邊界條件；定義邊界條件；定義參數(shù)設(shè)置與監(jiān)控點(diǎn)。

2.1 利用UDF定義入流面邊界條件

2.1.1 平均風(fēng)速剖面

平均風(fēng)速沿高度變化的規(guī)律即平均風(fēng)速剖面。一般用對(duì)數(shù)律或指數(shù)律表示，本文選用指數(shù)律[8]的表達(dá)式：

(2)

式中：α為系數(shù)，表示地面粗糙度指數(shù)；UZ為Z高度處的平均風(fēng)速，Z為任意離地高度；U0為平均風(fēng)速，其標(biāo)準(zhǔn)參考高度Z0，國(guó)內(nèi)高度取10 m。

2.1.2 湍流強(qiáng)度

各國(guó)規(guī)范給出了順風(fēng)向湍流強(qiáng)度相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式。我國(guó)荷載規(guī)范[9]給出的公式為：

(3)

式中：Iu表示Z高度處湍流強(qiáng)度；I10表示10 m高處名義湍流度。

日本規(guī)范[10]建議的湍流強(qiáng)度，計(jì)算公式如下所示：

(4)

式中：Zb為參考高度；ZG為梯度高度。其相應(yīng)的建筑場(chǎng)地條件見(jiàn)表1。

2.1.3 湍流積分尺度

湍流積分尺度可以用旋渦的平均尺寸來(lái)度量。

表1 日本規(guī)范中的建筑場(chǎng)地條件Tab.1 Building site conditions in Japanese code

根據(jù)歐洲規(guī)范[11]，其經(jīng)驗(yàn)公式為：

l=300(Z/300)0.46+0.074lnZ0

(5)

根據(jù)日本規(guī)范[10]，其經(jīng)驗(yàn)公式為：

(6)

式中:l為湍流積分尺度。

2.1.4 湍動(dòng)能及耗散率

計(jì)算湍動(dòng)能及耗散率的公式為：

(7)

式中：k為湍動(dòng)能；ε為湍流耗散率；Cμ是計(jì)算的系數(shù)，通常情況下可取0.09。

本節(jié)的功能通過(guò)菜單控制變量自動(dòng)生成C語(yǔ)言解釋程序“文件名-2_FLUENT_Generating_User_ Defined_Function.cpp”以備調(diào)用，湍流強(qiáng)度模型可以選擇中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)(式3)和日本模型(式4)。

2.2 定義邊界條件

1) 計(jì)算流域入流面選用速度入口邊界條件(Velocity-Inlet)。使用UDF加載。

2) 出口是完全發(fā)展出流邊界條件(Outflow)。

3) 計(jì)算流域頂部和兩側(cè)采用對(duì)稱邊界條件(Symmetry)。

4) 建筑物表面和地面選用無(wú)滑移的壁面條件(Wall)。

湍流模型采用雷諾平均法中的 RNGk-ε模型[12]。

2.3 定義參數(shù)設(shè)置與監(jiān)控點(diǎn)

采用SIMPLEC算法，配合二階迎風(fēng)離散格式進(jìn)行求解計(jì)算[13],在計(jì)算過(guò)程中，對(duì)建筑物表面的平均壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)；非定常計(jì)算時(shí)，將建筑物的節(jié)點(diǎn)設(shè)置為監(jiān)控點(diǎn)。

選擇標(biāo)準(zhǔn)初始化方式從入口(Inlet)開(kāi)始計(jì)算，在這一部分將建筑物表面的平均壓力設(shè)定為監(jiān)視值，根據(jù)殘差曲線、監(jiān)控值趨勢(shì)來(lái)判斷結(jié)果的收斂情況，可手動(dòng)停止計(jì)算。

該部分功能程序根據(jù)菜單的控制變量自動(dòng)生成“文件名-3_FLUENT_Set_Parameters.jou”文件，并通過(guò)運(yùn)行該部分文件來(lái)完成。

3 風(fēng)壓系數(shù)的計(jì)算與荷載文件的生成

3.1 風(fēng)壓監(jiān)控點(diǎn)的提取

為便于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用，根據(jù)風(fēng)壓分布規(guī)律順等壓線走向劃分區(qū)域，風(fēng)壓梯度大的地方劃分區(qū)域較小，風(fēng)壓梯度小的地方劃分區(qū)域較大。根據(jù)簡(jiǎn)化分區(qū)模型，同時(shí)考慮到計(jì)算效率，壁面中心節(jié)點(diǎn)處風(fēng)壓即可代表該分區(qū)壁面風(fēng)壓值。選取每一個(gè)分區(qū)壁面的中心點(diǎn)作為風(fēng)壓控制點(diǎn)，程序自動(dòng)形成提取節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)文件“文件名-4_FLUENT_Computational_Results_of_Pressure.jou”，運(yùn)行該文件形成風(fēng)壓文件“文件名-6_pressure_Z.txt”，用于下一步風(fēng)壓系數(shù)的計(jì)算。

3.2 風(fēng)壓系數(shù)計(jì)算

在STADS軟件中，通過(guò)加載菜單，自動(dòng)讀取“文件名-6_pressure_Z.txt”，按照FLUENT計(jì)算結(jié)果施加風(fēng)荷載，通過(guò)以下公式計(jì)算[14]：

(8)

式中：Cpi為測(cè)點(diǎn)i的風(fēng)壓系數(shù)；P∞為參考點(diǎn)的靜壓力值，選用建筑物最高處遠(yuǎn)前方的某點(diǎn)為參考點(diǎn)；Pi為測(cè)點(diǎn)i的風(fēng)壓值；V∞為參考點(diǎn)的風(fēng)速。

圖5 接口程序流程圖Fig.5 Flow chart of interface program

生成風(fēng)壓系數(shù)文件：體型系數(shù)文件[文件名-7_Pressure_coefficient.txt]，同時(shí)可以形成風(fēng)壓系數(shù)分布圖。接口程序調(diào)用流程如圖5所示。

4 算例分析

STADS接口程序設(shè)計(jì)主要完成了模型導(dǎo)入和讀取風(fēng)壓加載的功能，通過(guò)對(duì)話框(圖6)控制，程序默認(rèn)來(lái)流風(fēng)向，通過(guò)結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)完成不同角度的風(fēng)壓計(jì)算，自動(dòng)生成如下4個(gè)運(yùn)行文件：

1) 文件名-1_ICEM_Import_Model.rpl

2) 文件名-2_FLUENT_Generating_User_Defined _Function.cpp

3) 文件名-3_FLUENT_Set_Parameters.jou

4) 文件名-4_FLUENT_Computational_Results_of _Pressure.jou

完成了某電廠277 m×186 m筒殼型網(wǎng)架的風(fēng)壓計(jì)算，考慮了每隔30度的風(fēng)壓荷載共12種風(fēng)向，圖7顯示了網(wǎng)架模型，圖8顯示了0度風(fēng)向角的各分塊體型系數(shù)分布圖。

圖6 算例參數(shù)設(shè)置Fig.6 Example parameter setting

圖7 網(wǎng)架模型Fig.7 Grid model

圖8 0度風(fēng)向角分塊體型系數(shù)Fig.8 Block figure coefficient at 0 degree wind direction angle

5 結(jié)論

該接口程序設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)ICEM和FLUENT的腳本命令進(jìn)行整理和歸納，在STADS中用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)壓計(jì)算軟件主體的控制，為相關(guān)接口程序設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

STADS借助FLUENT軟件完成了復(fù)雜體型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓計(jì)算功能，模型轉(zhuǎn)換節(jié)省了建模的繁雜工作，分區(qū)設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)并通過(guò)運(yùn)行jou文件提取多點(diǎn)風(fēng)壓，減輕了監(jiān)控點(diǎn)設(shè)置及提取過(guò)程的工作量，并增加了風(fēng)壓系數(shù)計(jì)算以及自動(dòng)依據(jù)計(jì)算風(fēng)壓對(duì)結(jié)構(gòu)施加風(fēng)荷載的功能。從而使設(shè)計(jì)軟件對(duì)復(fù)雜體型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓計(jì)算成為可能，同時(shí)可以為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。

有些問(wèn)題仍然還有待進(jìn)行深入分析，比如：對(duì)于具有一定厚度的結(jié)構(gòu)和開(kāi)敞結(jié)構(gòu)，涉及局部網(wǎng)格需要細(xì)化處理，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格則顯得不夠細(xì)膩，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的精細(xì)劃分的自動(dòng)處理仍然有待做深入的分析，這些將在今后的工作中做更加細(xì)致的分析。