硕士毕业论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究69页

硕士毕业论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究69页 校代码: 密 级: 硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 (厦门市科技 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 高校创新项目资助，3502Z20083039) (厦门现代物流园区集装箱群的风荷载分析及抗台风的研究与预测，厦发改投 资) (厦门货运港集装箱群的风荷载应用研究，07BS602) (风工程与桥梁工程湖南省重点实验室开放基金项目,2009-01) — 作 者 姓 名: 指导教师姓名:职称: 学科、专业: 结构工程 研 究 方 向:结构风工程 论文提交日期:2010年5月 论文答辩日期:2010年5月 学 A Dissertation Presented To The Academic Degree Committee Of Hua Qiao Uninversity Study of Wind tunnel test and Numerical Simulation of harbor container groups (supported by the Fujian’s Science and Technology signal special project under Grant No. 2005YZ1016) (supported by the Xiamen’s Science and Technology university innovation project under Grant No. 3502Z20083039) (supported by the Quanzhou’s Science and Technology planned project under Grant No. 2007G7) By Zhang Chunhui In Candidacy for the Master’s Degree of Structural Engineering Under Supervision of Prof. Peng Xing-qian Major: Structural Engineering College of Civil Engineering Huaqiao University April. 2010 Address: Quanzhou, Fujian 原创性声明 本人声明兹呈交的学位论文是本人在导师指导下完成的研究成果。论文写作中不包含其他人已经发表或撰写过的研究内容，如参考他人或集体的科研成果，均在论文中以明确的方式说明。本人依法享有和承担由此论文所产生的权利和责任。 学位论文作者签名: 日期: 学位论文版权使用授权声明 本人同意授权AA大学有权保留并向国家机关或机构送交学位论文和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅。 论文作者签名: 指导教师签名: 签 名 日 期: 签 名 日 期: 摘要 摘 要 港口是内地货物、旅客运往海外，或船舶靠岸后起卸客货运送至本地或内陆各地的交汇地，具有货物装卸和转运、商业、工业以及城市、旅游、信息、服务等综合性功能，对于城市经济、区域经济的发展起着非常重要的作用。 每年台风季节到来，港口常常最先受到台风的袭击。台风经常造成起吊装卸设备及集装箱等港口设施吹倒滑落，从而造成巨大财产损失。目前，国内外对沿海港口码头的抗风研究还是较少的，且主要集中在一些起吊装卸设备的抗风研究 对于集装箱抗风研上，例如研究强风作用下集装箱门式起重机失稳破坏机理，而 究更是少涉及到。强台风作用下如何分析集装箱堆这种散装堆积结构的受力状态及风荷载特性，以便提高集装箱群的抗风能力，开展这些研究是十分必要的。 本文在总结前人主要研究成果的基础上，首先简单介绍大气边界层环境风特性及对风洞试验的基本理论及技术方法做了较为详细的论述，然后利用风洞试验相关数据分析研究得到集装箱表面风压分布及特点。 接着利用前人对集装箱风致失效机理，采用计算流体力学软件CFD-CFX数值模拟某一型号单堆集装箱在、层高、排数影响下的失效临界风速。为了验证数值模拟的准确性，本文接着采用风洞试验来验证它的准确性。 根据实验数据研究集装箱表面风压特性，并针对集装箱这种散装堆积结构特点，在风洞试验处理中本文提出了阵风弯矩因子和阵风风压系数因子来考虑脉动风对集装箱风荷载的放大作用，在此基础上，也利用简单的力平衡和弯矩平衡原理研究集装箱的稳定性，并推导出计算稳定性的关系式。研究得到单堆集装箱在层高、排数、风向角影响下的失效临界风速。 最后将得到的失效临界风速与风洞试验结果相比较。比较结果表明:这两者方法得到的临界风速整体上比较吻合，风洞试验的结果要比数值模拟结果要小一点。 本文的研究成果可为研究码头抗风提供理论指导，也可为受风灾害严重的港口区制订相应的集装箱抗风设计 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 和规范提供参考。 关键词:港口集装箱;风洞试验;数值模拟;阵风因子;临界风速 ABSTRACT ABSTRACT In recent years, typhoon attacks the coastal areas of our country frequently and causes severe damage to the coastal provinces，what’s more, it has been increasing obviously year by year. In view of the serious consequences of typhoon, Great importance was attached to Wind engineering .So far; most previous investigations in this area were mainly focused on housing structure and the bridge structure at home and abroad. When the typhoon season arrives, ports were attacked by the typhoon at first. Because of typhoon, felled container at the port caused seriously property damage, and research in this area is few. How to analyze stress and strain states of container in the strong winds of power, how the right arrangement of stacked containers and how to improve the capacity of anti-overturning containers is essential. On the basis of the existing research achievements, at first it summarized the existing research achievement of the wind-resistant status and methods. Then elaborated the wind character in atmospheric boundary layer and analyzed the wind-induced damage mechanism of container overturning, defined the failure of ,,,,min,;,;,,container critical wind speed , - critical wind speed that pLxy;L ,Lateral force induced,-critical wind speed induced the overturning moment x ,around the x-axis, -critical wind speed induced the overturning moment around y the y-axis, then amply discussed the basic fundamentals of CFD numerical simulation and techniques. Using numerical simulation techniques, this dissertation detailed analyzing a single container of a variety of reactor condition; systematically analyze the different specifications of the single containers pile failure critical wind speed, and paves the way to further research. At the same time, research the influence of height, rows, spacing on the groups’ container. While analyzing the special condition like different height of two rows of container and ladder pile forms, and make the corresponding conclusions. Finally, according to the actual situation of stacking, research the influence of different rows, height on three groups of containers. ABSTRACT The research results can provide a theoretical guide to the terminal wind-resistant, and also they can be served as references to the relevant regulations of the port in the wind disaster regions. Key words:port containers;numerical simulation;wind characteristic; Resistive overturning ;the critical wind speed;interference factor;Spain 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 摘 要 ............................................................................................................................................... I ABSTRACT ..................................................................................................................................... II 第一章 绪 论 ................................................................................................................................ 3 1.1 风及风灾 ................................................................................................................................3 1.2 风工程 ...................................................................................................................................5 1.2.1 风工程简介 ......................................................................................................................5 1.2.2 风工程研究方法...............................................................................................................7 1.3 课题背景 ................................................................................................................................9 研究内容 .............................................................................................................................. 11 1.4 1.5 研究创新 ............................................................................................................................... 12 参考文献 ..................................................................................................................................... 13 第二章 大气边界层风特性及风洞试验简介 ............................................................................ 14 2.1 大气边界层风特性 .............................................................................................................. 14 2.1.1 平均风特性 .................................................................................................................... 16 2.1.2 脉动风特性 ............................................................................... 错误～未定义书签。18 2.2 风洞试验 ........................................................................................... 错误～未定义书签。22 2.2.2 风场模拟的相似准则 ................................................................ 错误～未定义书签。23 第三章 港口集装箱风洞试验分析 .............................................................................................. 18 3.1 风洞试验设备与风场模拟 .................................................................. 错误～未定义书签。1 3.2 风洞试验概况....................................................................................... 错误～未定义书签。3 3.3 集装箱表面风压研究 .......................................................................... 错误～未定义书签。7 3.4 本章小结 ........................................................................................... 错误～未定义书签。13 参考文献 .................................................................................................. 错误～未定义书签。14 第四章 港口集装箱堆倾覆失效研究 ............................................................................................ 2 4.1 引 言 .................................................................................................. 错误～未定义书签。15 4.2 等效静力风荷载 ............................................................................ 错误～未定义书签。16 4.5 本章小结 ........................................................................................... 错误～未定义书签。22 参考文献 .................................................................................................. 错误～未定义书签。22 第五章 港口集装箱数值模拟研究 ...........................................................错误～未定义书签。23 5.1 引言 .................................................................................................. 错误～未定义书签。23 5.2 集装箱风致失效机理 ........................................................................ 错误～未定义书签。24 5.3 湍流模型及边界条件 ........................................................................ 错误～未定义书签。25 5.3.1 湍流模型的选择 .............................................................................. 错误～未定义书签。25 5.3.2 数值风洞及网格划分 ...................................................................... 错误～未定义书签。26 5.3.3 边界条件的设置 .............................................................................. 错误～未定义书签。28 5.3.4 离散格式的确定 .............................................................................. 错误～未定义书签。29 ?5.4 数值模拟结果及分析 .................................................................... 错误～未定义书签。30 参考文献 .................................................................................................. 错误～未定义书签。32 第六章 总结与展望 ...................................................................................错误～未定义书签。33 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 6.1 本文 工作总结 关于社区教育工作总结关于年中工作总结关于校园安全工作总结关于校园安全工作总结关于意识形态工作总结 ..................................................................................... 错误～未定义书签。33 6.2 本文不足及改进 ................................................................................. 错误～未定义书签。35 硕士在读期间发表的论文 .........................................................................错误～未定义书签。36 致 谢 .........................................................................................................错误～未定义书签。37 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 第一章 绪 论 1.1 风及风灾 自古以来，人们就对风的作用有概念上的认识。风是空气相对于地面地表的一种运动。由于地球纬度的关系，太阳对地球上空大气层加热不能均匀，同时地表各处水陆分布和高低分布的空间不均匀性，这样导致地球上相同高度两点之间产生温度差和压力差，不同压力差的地区便产生了趋于平衡的气流流动，形成了[1]风。自然界常见的风按具体成因的不同分成不同的类型，比如大气环流风、季风、热带气旋、下山风(钦诺克风、焚风、布拉风)、急流效应风、雷暴风和龙卷风等。热带气旋主要发生在低纬度热带海洋面上，发生时风力较大，常引起较大的摧毁力和强暴雨引起的水灾等灾害，其主要包括:热带低压、热带风暴、强热带风暴、台风四大类。现在气象预报中根据风力大小将风分成0—12共13个等级，主要是参照用英国人蒲福(Beaufort)于1805 年拟定的等级划分原则而确定。这是按照风来临时陆上地物征象、海面和渔船征象以及10m 高度处的风速、海面波浪高等进行划分，自1946 年以来，风力等级又作了扩充，增加了13,17 级5 个等级。 级别 名称 风速 级别 名称 风 速 级别 名称 风 速 0 0.0-0.2 7 13.9-17.1 14 37.0-41.4 静风 疾风 1 0.3-1.5 8 17.2-20.7 15 41.5-46.1 软风 大风 2 1.6-3.3 9 20.8-24.4 16 46.2-50.9 轻风 烈风 3 3.4-5.4 10 24.5-28.4 17 51.0-56.0 微风 狂风 4 5.5-7.9 11 28.5-32.6 和风 暴风 5 8.0-10.7 12 32.7-36.9 清风 飓风 6 10.8-13.8 13 强风 表1.1 蒲福(Beaufort)风力等级 风灾是自然灾害中最常见、破坏性最大、影响最广的灾害之一。每年强台风都带给全球巨大的生命和财产损失，其带来的灾害主要有:带给大量工程结构 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 的损伤和破坏的摧毁力、强暴雨引起的水灾、泥石流等大量次生灾害。过强过频繁的台风常常给人类生产生活带来重大灾害，尤其是沿海的农业灾害和建筑破损变现的尤为突出，例如:对大跨、高耸高层主体结构、建筑外墙饰面、门窗玻璃及玻璃幕墙的破坏，对电厂冷却塔、输电系统等生命线工程的破坏，对桥梁结构的破坏、对广告牌、标语牌、港口设施等破坏。图1、图2和图3给出一些受台风破坏的工程结构。我国是风灾最严重的国家之一，每年台湾、福建、浙江、广东、海南等沿海省份都要遭受不同程度的台风侵袭，而近年来，风灾有愈演愈烈之势。 图1.1 美国新奥尔良市的“超级穹顶”体育馆屋顶受台风破坏 图1.2 巨型广告牌破坏 图1.3 货柜集装箱的破坏 任何事物都有其正反两方面，台风也有它有利的方面。它给人们带来丰沛的淡水资源，改善地区的淡水供应和生态环境都有十分重要的意义，同时能驱散赤道地区的热量，调节地球表面气温，是一种具有特定能量的自然气候现象，它 [1]是保证地球表面生态平衡的要数之一。若没有台风驱散这些地方热量，热带会 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 更热，寒带会更冷，温带也会从地球上消失，地球上很多地方将不在适合人类的生存。 1.2 风工程 1.2.1 风工程简介 自古以来，人类对风的作用都有概念上的认识，包括对风的利用与破坏作用。远在一千八百年前，中国就已利用风帆进行航运，有文字记载“随风张幔曰帆”。 中国唐代诗人白居易写的“茅屋为秋风所破”描述了风对建筑物的破坏作用。进入19世纪以来，随着自然科学的迅速发展，人们对自然界的各种物理现象的研究表现出极大的兴趣，运用观察、归纳、演绎与试验的方法来总结科学定律，也取得了丰硕的科学成就。1840年，有人利用从烟囱出来的烟流对电线风致振动现象进行了观察，但是对其中的机理还不是很清楚。随着近代空气动力学的发展，人们开始把空气动力学和工程技术问题结合起来对风效应进行研究。1889年，巴黎世博会上高300多米的埃菲尔铁塔的设计者著名工程师Gustafu Eiffil将假设的风荷载作用在改结构上，从此风荷载开始引入到工程界。19世纪后期风洞的问世，为风对结构的效应研究创造了良好的条件，开始了风对结构作用的试验研究。经过各国学者多年不懈的努力，目前风工程学科已得到了很大的发展，为人类的发展做了积极贡献。 风工程是研究大气边界层内的风与人类在地球表面的活动及人所创造的物体空间的相互作用的学科。它所涉及的学科非常广，包括大气科学、空气动力学、结构力学、试验力学、振动控制及风灾评估等等。在广义上，风工程包括风对建筑结构、环境气候、农业生产等人类生活各方面工程活动的影响。1940年，当时规模居世界第三的塔科马大桥，在当时只有19m/s的风速作用下发生整体剧烈晃动而塌落。德国著名空气动力学家冯•卡门亲自参加了塔科马桥风毁原因的分析研究工作，在风洞中对桥梁模型进行抗风稳定性试验研究，并重新建造了新的塔科马大桥，这一事件改变了桥梁结构设计的风荷载计算理论，使人们认识到土木工程结构考虑空气动力问题的重要性与必要性，对后来风工程的研究起了很大 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 的推动作用。20世纪60年代初，美国R. Scanlan提出了钝体断面的分离自激颤振理论，成功地解释了塔科马桥风毁的机理，并由此奠定了桥梁颤振的理论基础。另外，加拿大A .G .Davenport在建筑物的风压、风振研究中引进了统计理论的概念，使风效应的研究得到重大发展;并利用随机振动理论，建立了一套桥梁抖振分析方法。英国C. Scruton等也对风振做了不少理论和试验工作。 到了20世纪70年代，在建筑物风振试验研究中引入了高频底座天平技术，使风响应的研究得到了长足的进步。从20世纪80年代开始，国际上的风工程研究又有了新的发展，主要表现在:?大气边界层风特性的模拟技术，特别是大尺度湍流的模拟技术有了较大的发展，另外一些专用的实验设备及测试仪器的研制成功，使风洞中模拟各种气象、地面及地形条件的范围扩大以及研究空气污染和风载、风振问题的能力提高。?制定了新的国际风载标准，给各国提供一个共同的设计基础。另外，许多国家也根据本国的国情和需要，制定了与风工程相关的各种规范与标准。?以风工程为背景的钝体空气动力学基础研究得到了高度重视，除了风洞试验方法外，还发展了以试验方法为基础的解析方法和数值计算方法。特别是计算流体力学和计算机技术的发展，逐步形成了计算风工程这一新的分支。?极端气候条件下的风载问题引起了关注，表现在对低矮建筑物与建筑群在极端风作用下风载问题的研究。?随着交通、能源和环境问题越来越突出，汽车、高速列车和风力机等的空气动力特性研究以及环境污染，如沙尘暴、烟气等的控制的研究也得到新的发展。 我国风工程研究工作始于20世纪50年代，最早是利用航空风洞在均匀流中进行了农田防风问题的研究和体育场内风环境的研究。20世纪60年代进行了建筑物的风载研究和车辆空气动力特性研究。从20世纪70年代开始，在伍荣林教授、孙天凤教授等的组织下，风工程作为一门学科在我国得到了发展。相距开展了对大气边界层内风特性的研究，分别在风洞中模拟大气边界层和在高塔上进行近地风特性的现场测量。另外，在有大气边界模拟的风洞中对冷却塔和建筑物模型的风压分布进行了系统的测量，还对建筑物和冷却塔等进行了风压、风振的现场实测。与此同时，风能利用和大气污染扩散的研究也在现场和风洞中进行。1984 年北京大学建成了我国首座长试验段大气边界层风洞，试验段高2 米、宽3 米、长32。同济大学土木工程防灾国家重点实验室自1990 年起陆续建成了大、中、 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 小四座不同尺寸和用途的大气边界层风洞。随着国内风工程研究得到越来越多的重视，西南交通大学、复旦大学、汕头大学、长安大学、湖南大学、大连理工大学等都相继建造了中小型边界层风洞，哈尔滨工业大学已建成带有浪槽系统的单回流闭口式双试验段边界层风洞，西南交通大学正在建造宽度超过20m 的大型边界层风洞。这些风洞群为风工程的研究发展作出了重要贡献。目前，我国风工程研究工作已取得了长足的进步，主要表现在:?风工程研究的手段得到了很大的发展，全国建成了20余座大气边界层风洞，可用于风工程试验研究。另外，一些新的测试仪器、设备(如高频底座天平、激光测速仪等)也得到应用。除风 风工程研究与工程洞试验外，解析计算和数值计算也逐步得到了应用和发展。? 建设密切结合，一方面在推动经济发展和社会进步方面起到了积极的作用;另一方面也发展了风工程学科自身。如在大跨度悬索桥和斜拉桥工程建设中发展了桥梁颤振和抖振分析的方法;在中大型风力发电机组研制中开发了风力机气动设计软件包;在高速铁路建设和汽车工业发展中初步建立了我国自己的汽车与高速列车空气动力特性的研究体系;在大气污染和土地荒漠化的控制中，建立了新的大气环境模式和数值模拟方法等。?在风工程研究领域中制定了相应的规范和标准，如“《建筑结构载荷规范》”和“《公路桥梁抗风设计指南》”等，对工程设计起到了积极的作用。经过近半个世纪的努力，我国我国结构抗风试验技术和风工程研究水平已进入了与世界同步的轨道。 有关风工程的发展及理论研究已经有很多文献进行了总结，在这不再详述，可以参看希缪(xisni)、斯坎伦、张相庭、黄本才、丁泉顺等相关著作。 1.2.2 风工程研究方法 风工程研究方法有灾后调查、现场测试、理论计算和风洞试验四种。 (1) 灾后调查 灾后调查是风工程研究者第一手资料最宝贵的来源。1969年8月17日晚，从古巴方向吹来的“卡迈尔飓风”席卷了美国整个密西西比州，灾后，一美国海 [1]军基地调查了300幢低矮型建筑物，有78%需要加盖新屋面。现在每次强台风过后，专家学者都要对一些典型工程结构进行重评估鉴定，分析结构破坏机理，为以后结构的抗台风积累相关经验。至今，前人已经为我们积累了大量详实的灾后调查资料，这其中包括台风灾后资料、飓(台)风灾后资料、龙卷风灾后资料等 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 等。这些第一手资料为我们借助其他研究手段揭示工程结构的风致破坏机理提供了宝贵的依据。 (2) 现场实测 现场测试是一种最直接的研究方法，比较直观和真实，数据是极有参考价值的，通常是实验室模拟方法和理论分析准确与否的标准。如美国的德克萨斯科技大学建立的实际尺度的低矮房屋模型也就是著名的标准模型 (TTU Building)，许多重要的研究工作都是根据它提供的实测数据进行。但是现场测试要花费大量的人力、物力和时间。特别是由于进行现场测试时，气象条件、地形条件等难以人为地控制和改变，因此用这种方法，不适合对风工程现象的规律性和机理性的研 [2]究，而且难于在工程建设中解决相关的实际问题。 (3) 理论计算 理论计算包括解析计算和数值计算两种。解析计算一般仅对一些流线形结构的简单空气动力学问题有效。由于风工程研究的对象多半是钝体空气动力学问题，因此目前完全要在数学上进行解析分析求解还非常的困难。一般是在大量风洞试验的基础上，通过物理分析后给出的解析表达式。近十几年来，随着计算机技术和计算空气动力学的发展，数值计算方法在风工程研究中也得到了应用。这种数值计算方法的核心内容就是计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，或CFD)。这种数值模拟方法以计算流体动力学中流体流动的连续方程和Navier-Stokes方程为基本方程，通过对方程的离散化，利用计算机通过数值方法计算获得风场的离散解。这种方法可以考虑实际结构的大尺度、高雷诺数等一些风洞试验方法无法解决的问题，而且在进行变参数影响研究、不同结构 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 的气动性能比较及选择方面具有更大的灵活性和经济性。无论是解析计算方法还是数值计算方法认识气流流动机理是非常有益的，而且在人力、物力和时间上比较节省。但是，理论计算方法，特别是数值计算对数学模型的准确性有极大的依赖性;而且由于地形效应和空气动力效应的复杂性以及湍流模型的不完善，因此，目前还只能解决一些比较简单的工程问题。要深入了解由于空气流动所引起的许多复杂作用，物理风洞试验仍然是非常必要的。 (4) 风洞试验 风洞试验研究既是结构空气动力效应研究的一个重要内容，也是研究它的一 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 个最重要的手段。风洞试验既具有现场测试方法的直观性，又在人力、物力和时间上比较节省，特别是由于进行风洞试验时，可以人为地控制、改变和重复试验条件，因此，在进行变参数影响的机理研究中和解决一些比较复杂的工程问题中有较大的优越性。除风洞外，水洞、水槽及烟风洞等模拟设备也被广泛用于风工程试验研究的辅助试验。由于地面近地风的随机性和紊乱性，在风洞试验中受到设备模拟能力的限制，很难模拟实际真实的风场风洞，而且一般无法做到完全相似模拟等，从而导致试验结构具有一定的近似性。同一建筑可能有不同的试验结果，因此试验结果的精度很大程度上得不到保证。另外风洞试验测试费用高、试 [2]验周期长、建筑物前后的风场也不便观测。 1.3 课题背景 港口是内地货物、旅客运往海外，或船舶靠岸后起卸客货运送至本地或内陆各地的交汇地，具有货物装卸和转运、商业、工业以及城市、旅游、信息、服务等综合性功能。港口集装箱码头凭借规模化的集散能力,是整个物流链的枢纽和增值服务中心，是国际资源配置的中心。港口对于城市经济发及区域经济的发展都起着非常重要的作用。在改革开放和经济全球化的推动下，港口作为货流中转站,其地位越来越重要。目前，世界发达国家一般都具有自己的海岸线和功能较为完善的港口。世界港口的发展除了在提高码头装卸效率，扩大港口规模等方面以外，开始着眼于对到港货物进行加工增值，进而采取各种措施吸引中转货物来港，形成所谓前店后厂的一种港口与城市、装卸与加工紧密结合的发展模式。沿 [3]海港口的发展水平是衡量一个国家社会发展水平的重要标志之一。因此,港口码头的合理规划是充分发挥港口设备能力,降低港口装卸成本,提高效率能力，发展好港口经济的关键。 每年台风季节到来时，港口常常最先受到台风的袭击，集装箱堆场是受台风灾害破坏首当其冲的地方。每次台风经常造成起吊装卸设备及集装箱等港口设施吹倒滑落。1991年7月19日，青岛港集装箱码头一台岸边集装箱起重机在作业中刚卸下一个集装箱,即被突发狂风吹动。司机开倒车制动,码头上的工人拿木头和铁块塞轮子都无济于事。该机被风吹行80多米，撞上另一台岸边集装箱起重 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 机，两台起重机同时倒塌，造成司机一死一伤。事后据对现场其它被风刮走的参照物分析，风力大于10级，已超过这两台起重机夹轨器的设计防风能力。1996年9月9日，广东湛江港遭15号台风袭击，把湛江港一台500吨重的集装箱桥吊和6台龙门吊吹进海中。2003年台风“杜鹃”正面登陆深圳，登陆时中心风力12级，赤湾港十几个空集装箱被吹落，盐田港货柜码头200个集装箱尽管已经加固，亦被吹落毁坏。2008年9月台风袭击韩国釜山，造成釜山港内的货柜吊装设备毁损，无法使用，受影响的17家船公司的大部分部份货柜装卸转往另一港口—光阳港，由此韩国政府认为有必要将现行港口设施提高抗风等级。 厦门港作为我国东南沿海天然深水良港，目前正朝着台湾海峡区域性航运中心和国际集装箱枢纽港的目标大步迈进，在海峡西岸经济区建设中发挥着越来越大的作用。但台风是厦门市主要气象灾害之一，据厦门市气象局和厦门市物流园区象屿集装箱货运码头提供资料，平均每年有4个台风影响厦门地区，经常造成港口货物起吊设备及集装箱堆中部分集装箱的滑落倾覆破坏，给经济造成不小的损失。 鉴于台风给港口设施造成的严重破坏，有必要开展对港口的抗台风研究。目前，国内外对沿海港口码头的抗风研究已有一些，但主要集中在一些起吊装卸设备的抗风研究。例如研究强风作用下集装箱门式起重机失效机理，分析大型轨道起重机在强风作用下是先发生滑行还是先发生倾覆，同时提出很多防风、防滑装置。而且指出起重机稳定性分析设计时取2分钟时距内的平均风速而不是瞬时风速或者《建筑结构荷载规范》(GB2003-59)所定义的基本风压所要求10分钟平均风速。《起重设计规范》(GB3811—83)提出了起重机非工作状态下所受最大风力计算。但是对于港口码头堆场上的集装箱堆抗风研究在国内是很少见到，对于这种散装堆积的集装箱，港口工作人员一般只是概念性的采用整体绑扎提高集装箱的抗风能力。因此如何分析集装箱堆在强风作用下的受力状态，如何从抗强台风角度上正确堆放和布置集装箱，如何计算强风作用下集装箱堆倾覆失效临界风速，开展这些研究是十分必要的，也是很有实际意义。长期以来，结构风工程界所做研究绝大部分是针对建筑结构、桥梁结构上。而对于港口这种散装堆积集装箱的抗风研究很少。华侨大学土木学院彭兴黔教授领导的团队曾对厦门港的集装箱群抗风做了一些研究，开展的主要工作是从力学上分析集装箱堆的稳定性，并 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 [4] [5] [6] [7]通过计算流体力学软件对集装箱的抗风进行了数值模拟，文献研究分析像这种集装箱堆散装堆积结构在强风作用下倾覆失效的一般机理，并经大量计算得到不同型号不同排数层数堆放下的集装箱堆倾覆失效临界风速，同时从抗风的 [4]角度上给出港口集装箱堆放上一些建议。文献对这做了详细的研究总结，不过并没有详细研究集装箱堆表面风压分布，所做研究也仅仅是采用软件数值模拟。数值模拟过程中往往带有很多人为参数的设置，再加上空气动力学的复杂性，特别是湍流模型的确立上带有很多的近似假设。因此其研究结果还需风洞试验做进一步的验证研究。另一方面，这种散装堆积结构，不像建筑桥梁结构与地基基础有很稳定的连接。其在强风作用下振动明显，需要考虑脉动风的放大作用。特别 [4]需要采用简单实用的方法考虑脉动风的静力放大作用。这一点，文献并没有考虑。此外对于此类散装堆积结构的风洞试验研究几乎还没有人做过，其试验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 、过程及数据处理上都需要研究探讨。本文就是利用数值模拟与风洞试验解决这些问题。 1.4 研究内容 每次台风侵袭，都造成港口集装箱不同程度损坏。储运过程中集装箱群与一般的建筑结构不同，其位置是变化的、且是散装堆积结构。集装箱堆中的每个集装箱在台风作用下风压分布、受力状态、倾覆失效可能性都不同，而且其受破坏 [4]的模式与常见桥梁、建筑结构也是不同。文献采用计算流体力学软件CFD-CFX对集装箱堆倾覆失效进行了数值模拟，利用简单力平衡和力矩平衡原理推导出集装箱堆的倾覆失效临界风速，在模拟方法及力学平衡分析上给了本文一些参考启发。本文在上文献的基础上，首先对9种堆放模式的集装箱堆进行风洞试验研究，得到集装箱表面风压分布特性，并推导计算出各种工况下集装箱堆失效临界风速，然后选用合适的湍流物理模型，选择合适的参数设置，进一步的细化数值模拟手段，提高模拟计算的精度，得到与风洞试验相同工况下的集装箱堆失效临界风速，并与风洞试验结果相比较，验证数值模拟中所选湍流模型及相关参数的合适性。最后采用所选用的湍流模型及参数，大量研究得到各种型号不同堆放模式的集装箱堆倾覆失效临界风速表。本文所研究得到的集装箱倾覆失效临界风速表 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 可供港口码头等相关部门参考应用，强台风作用下散装堆积结构稳定性的分析理论方法可供其它散装堆积结构的抗风研究提供参考。本文具体研究内容如下: (1)首先对国内外风工程研究发展进程做非常简要的概述，参考相关文献对与风工程研究息息相关的大气边界层环境风特性做了一些简述，并对本文研究的主要方法——风洞试验的原理及方法技术做了介绍，其目的是为后文试验方案、数据测定及数据处理做一些铺垫工作。 (2)接着介绍了本次风洞试验的相关情况，例如缩尺比确定、测点布置、参考点高度及参考风速设置等，并在风洞试验中得到集装箱堆表面所布测点风压值，以此研究集装箱堆表面风压的分布特性。本文研究一些典型测点的平均风压系数、极大值风压系数和极小值风压系数，并采用加权平均的方法得到典型面平均风压系数。从这些风压分析可以较直观的反映集装箱表面所受风荷载的大小，同时为后文集装箱倾覆失效临界风速的推导计算奠定基础。 (3)利用试验得到的测点风压及风压系数，考虑到这种与地面没有进行有效连接的散装堆积结构的特点，参照一些关于等效静力风荷载处理的文献，本文提出采用阵风弯矩因子和阵风风压系数因子来考虑脉动风对集装箱风荷载的放大作用，并在这基础上，利用简单的力平衡与弯矩平衡原理推导了集装箱的滑移失效临界风速与倾覆失效临界风速，作为后续数值模拟结果准确性的参照。 (4)选用合适的湍流模型及设置相关参数，采用数值模拟的方法得到集装箱堆失效临界风速，并将模拟结果与先前风洞试验结果相比较，分析误差大小并对参数做出调整，使误差竟可能小。选用误差最小的湍流模型及相关参数，大量模拟得到各种工况下单列集装箱堆失效临界风速表，并指出一些规律变化。同时，指出对于其它堆放模式的集装箱堆失效临界风速可以参照该表线性插值得到。 (6)最后对本文的研究工作进行相应总结归纳，指出一些不足或者考虑不全面的地方，并以实际应用为目标提出需进一步研究的工作。 1.5 研究创新 (1)本文首次提出采用阵风弯矩因子与阵风风压系数因子来考虑脉动风对这种散装堆积结构静力风荷载的放大作用，能为以后这种结构的抗风设计提供参考指 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 导作用。 (2)一直以来对港口的抗风研究较少，尤其是集装箱这种散装堆积结构的抗风更是少见。港口等相关部门也没有制定集装箱堆积上的可供参考的规范或者准则，所以本文就研究内容来说具有一定的开创性。 (3)本文的研究成果可为研究港口抗风提供理论指导，也可为受风灾害严重的港口区制订相应的集装箱抗风设计标准和规范提供参考。 参考文献 [1] 黄本才. 结构抗风分析原理及应用[M]. 上海:同济大学出版社，2001 [2] 周显鹏. 水平悬挑女儿墙对低矮双坡屋面风压的影响[D]. 华侨大学硕士学位论 文.2008.5 [3] 孙世强.蔡鹏生. 我国现代港口的发展趋势综论[J]. 商业文化(学术版)，2009(01)35-38 [4] 孙伟. 海港集装箱群抗风应用的数值模拟[D]. 华侨大学硕士毕业论文，2009.5 [5] 赵青春，彭兴黔，乔常贵等. 港口集装箱强风作用下的倾覆计算[J]. 郑州轻工业学报， 2008(04):59-62 [6] 乔常贵，彭兴黔，赵青春. 港口集装箱群数值模拟中计算域设置的研究[J] . 郑州轻工业 02):104-107 学报，2008( [7] 张春晖，孙伟，彭兴黔. 强风作用下港口集装箱群干扰效应的数值模拟[J]. 华侨大学大 学学报，VOL.31,No.1,69-73. 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 第二章 大气边界层风特性及风洞试验简介 2.1 大气边界层风特性 由于建筑桥梁等结构主要受所在地近地风的影响，因此对近地风特性的研究掌握是结构抗风研究和设计的基础。风荷载与地震作用一样，是作用在结构上的一种典型的动力作用，其对结构物的作用效果一定程度上是由其近地风特性决定。风吹过地面时，地球表面各种粗糙元(草、沙粒、庄稼、树木、房屋、山体)摩擦对大气的运动产生阻力，从而使气流动量通量(对应于雷诺应力和魔阻速度)湿度通量、热通量等发生变化。这种变化随高度的增加而逐渐降低，达到某一高度后便降低为零，此高度称为大气边界层厚度或者梯度风高度。它随气象条件、地形、地面粗糙度而变化，对于风工程研究研究而言，大致为300,500米之间。该高度以下的风流场称为近地风流场。绝大多数结构均处在近地风流场中，因此大气边界层内的风特性与工程结构有着非常密切的关系，是风工程研究应用的一个重要方面。 由于地表粗糙引起摩擦效应，使得大气边界层中的自然风具有很强的紊流特性，如果不考虑热对流的作用，那么紊流特性完全是有地面的物理机械摩擦作用。考虑到这种紊流特性对工程结构作用的复杂性，很多风工程专家学者经过大量的现场实测资料，认为在某一时段的风速时程中可以将瞬时风速分成两部分组成，其一是周期在10min左右或者以上，远大于土木工程结构的固有周期，其对结构的作用基本是不随时间变化，可以当做静力荷载考虑。其二是只有几秒至十几秒的短周期，与结构的自振周期较为接近，而且其强度时随时间呈随机变化，因此它对结构既有静力作用也有动力作用，需要按随机振动问题来分析。因此，在工程实践中，将紊流的瞬时风速看成是由平均风速和脉动风速的叠加。对结构的作用便可按平均风的静力作用和脉动风的动力作用分开来处理。对于建筑物所受到的风作用一般可看作这两部分组成:一部分是由来流的平均风速在建筑物面所引起的风压，即平均风压或静风压;另一部分则是由来流中的湍流或来流在建筑物表面因气流分离产生涡状脱落引起的随时间而变化的风压，即脉动风压。后者对 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 高、大、长、柔的高层建筑和高耸建筑还会引发建筑物的振动即所谓风振，产生气动弹性现象，是此类结构研究重点内容。对低矮结构而言，脉动风压的存在会使其表面的分布压力产生一定的波动，形成随时间和空间而变化的峰值压力。研究低矮结构的风荷载特性主要应研究其表面平均风压的分布规律和其压力峰值随时间和空间变化的规律。与工程结构直接相关的风特性主要有:平均风速风向、湍流强度、湍流积分长度、峰值因子、和脉动风速谱等大气边界层环境风特性。这些风特性是由大气运动中动量、热量、水分等的输送与平衡以及边界层的机械摩擦等因数所决定的，并且还受到空间位置变化和时间历程的影响，因此是非定常的随机荷载。 Davenport对于风工程的研究做出了巨大的贡献，最主要的一点是通过大量的强风记录进行统计分析，提出了著名的Davenport风速谱，为很多国家的抗风 [1] [2]设计规范所利用。文献研究提出风剖面、风速谱和湍流强度随着高度和积分尺度而变化的相关结论。Snaebjomson在一个高38米的塔进行分段风速测量， [3]结果表明，当风速大于20m/s时，很多风特性参数固定在某一定值。此外，Miyashita、T.Amano、KatoSnaebjomsson等均对大气边界层风荷载特性做了很多研究。在国内，从1970年代初，北京大学的孙天风教授就开展了风工程与空气动力学的研究，是我国的风工程研究的先驱。王存忠和曹文俊对天津市郊的大气 [4]边界层湍流谱特征进行了分析，结果表明，市郊下垫面上的大气湍流谱特征与平坦地形上得到的典型结果基本一致，但满足各相同性的湍流尺度要比在平坦地形上的稍大，谱的峰值频率区稍窄，谱的低频区特征与平坦地形上的情况也是有所不同的。胡晓红等根据上海“派比安”台风实测风速资料，运用快速傅里叶转换得到了“派比安”台风的水平风速功率谱和垂直风速功率谱，并把实测风谱与常用水平脉动风谱和垂直脉动风速谱相比较，在Kolmogrove理论的基础上，对实测水平脉动风速谱和垂直风速谱进行了曲线拟合，得到了水平脉动风速功率谱 [5]和垂直风速功率谱常用拟合曲线。在2008年8月，当“派比安”和“杰拉华”台风接近上海时，庞加斌等用超声风速仪在离地20米高度处采集到近20小时的三维强风样本，经过对实测风速数据的分析，得到了平均风速和风向、阵风因子、湍流度、湍流积分尺度、摩擦速度以及湍流功率谱密度函数等强风特性，分析结果表明:近地强风的湍流度和阵风因子较高，湍流积分长度约为80米左右，水 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 平湍流功率谱密度函数与Simiu谱基本一致，但垂直湍流功率谱与Panofsky谱相差较大。宋丽莉等对“黄蜂”、“杜鹃”和“黑比格”登陆台风的近地层平均风和湍流风特性进行了分析。方平治、赵兵科等利用安装在上海气象局移动观测设备上的三维超声风速仪，对2007年在登陆福建省惠安县的“圣帕”台风进行了追踪观测，从平均风速和风向、湍流强度和阵风因子湍流积分尺度和谱密度函数等方面对观测数据进行分析处理。此外，刘小红、洪钟祥、李秋胜、王蓓蕾、张相庭、黄本才等人都对近年来的台风进行了多次现场实测，并基于所得到的数据，对平均风速风向、湍流强度、峰值因子、湍流积分长度和脉动风速谱等风特性进行了较为系统的研究。 2.1.1 平均风特性 平均风特性包括平均风速、平均风向、平均风剖面和风频曲线，其中最重要的是平均风剖面。在梯度风高度下，由于地表摩擦的结果，使接近地表的风速随着离地面的高度的增加而加大，描述风平均风速随高度变化的规律的曲线称为风速剖面。目前常用的平均风速剖面模型主要由三种，即指数律经验模型、对数律理论模型及复合律半经验半理论模型。 图2.1 平均风剖面示意图 1、对数律模型 目前，气象学家认为大气底层强风风速轮廓线对对数率比较理想，其表达式[6]- [8]为: 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 ,,UZZ,0dlnUZ,，， (2-1-1) ,,KZ0,, K式中: —von karman常数，一般取0.4; Z—地面粗糙长度; 0 U—摩擦速度或流动剪切速度; 0 ZZZ,—离地有效高度，是零平面位移。 0d Z其中，当对数律使用范围高于地表粗糙单元的高度时，零平面的位移可0 Z忽略。近年来的微气象研究表明，假设在离地高度范围内，上方程是近似成l 立，此高度可由下式确定: U0Zb, (2-1-2) lf [9] [10]式中: —常数，其数量级约为0.015—0.03 b [9]大量实验研究和文献，说明对数律层约占大气边界层厚度的10%，这一事实在试验室、包括有旋转风洞的试验。由于在推导上述关于平均风剖面的对数律公式时只考虑了地表粗糙高度，而没有考虑大气边界层高度，因此对数率一般只适用于100m 以下的近地大气边界层，如果用于计算100m以上高度的平均风速，将会得到偏保守的结果，这已被实测结果所证实。为此，Harris 和Deaves 提出了一些公式修正此对数率。也有实测资料表明[11]，在强风时，对数律的适用高度可达200m左右。对于较高的风速(如大于20m/s)，修正对数律的适用高度可扩展到约300m。 如果通过实测获得了某地的平均风剖面曲线，那么利用式(2-1)，采用最小 ZU二乘法曲线拟合方法可以得到，等参数。目前，气象学家都认为对数率表00 示大气底层强风速度廓线是比较的理想的，因此在微气象实际问题中他们已不再采用指数律或者复合律半经验半理论模型。 2、指数律模型 对于水平均匀地形地貌的平均风速廓线，最初一直采用1916年文献[12]。 [13],根据文献的假定:1. 指数律的幂指数在梯度高度内保持不变，只是随不同 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 的地形地貌而变化2. 梯度高度也只是幂指数,的函数。后根据大量的实测结果 [14]分析，Davenport等整理出不同场地下的风剖面，指出平均风速随高度变化的规律可用指数函数来描述，即: UZz(),,() (2-1-3) zUbb z式中:、 ——标准参考高度和标准参考高度处的平均风速; Ubb z，，UZ、——为任意高度和任意高度处的平均风速; , ——地面粗糙度指数。 [11] [14],为了便于工程实际使用,文献建议了一批地面粗糙度指数和梯度风高 Z度值，可参考使用。我国的《建筑结构荷载规范》(GB50009,2001)和《公G 路桥梁抗风设计规范》(JTGD60-01,2004)均把地貌和地表的粗糙度大致分为 ,A-D 四类。不同的地貌类别对应不同的。在国际ISO规范中也分为4类，而在欧洲和日本的规范中则分为5类。 由于指数律比对数率方便，而且两者差别不大，在土木结构工程设计计算中，普遍采用指数律。大量的研究表明，指数率比较适合于梯度风高度范围内离地面较低的大气边界层内平均风速的描述，所以对于低矮结构风工程研究通常采用平均风剖面指数律表示。 [15]我国规范给出开阔场地10m高度50年一遇10分钟平均风压作为基本风压，利用该基本风压和上述风剖面分布规律可以计算得到任一地面粗糙度条件下的任一高度处的风速风压，从而进行结构风荷载的计算分析。 近年来，根据很多理论与试验研究的结果，已提出了另一种方法—相似率模 [16]型。读者可以参看文献详细了解。 2.1.2 脉动风特性 在工程实际应用中，除了需要考虑到平均风特性外，对脉动风研究掌握也是很重要。图2.3.1表示风速随时间的随机变化过程。地球大气边界层中风的流动紊乱性和随机性就是由风气流中的湍流引起的。对结构产生动力作用的脉动风实际上是一种三维的风湍流。对大气湍流特性的研究掌握对于工程应用是非常有 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 用，主要是以下三个原因:第一，刚性结构及构件要承受脉动的随时间变化的荷载，引起脉动的原因之一是大气湍流;第二，风速脉动将引起柔性结构表现共振放大效应;第三，结构的气动力特性，以及在实验室里所进行的相应试验结果，都与气流中的湍流密切相关。 v 13.0 12.5 12.0 11.5 11.0 05101520t 图2.3 风速随时间的随机变化 脉动风特性主要包括湍流强度、湍流积分尺度、脉动风功率谱、脉动速度谱以及湍流脉动速度的交叉谱和空间相关系数等。 1、湍流强度 湍流强度(Turbulence intensity)是描述脉动风湍流特性最简单参数，是衡量脉动风中瞬时风速所占比重大小的标志，反映了脉动风局部的强度变化强度特征。某一高度z处的湍流强度的Iz()定义如下: ,()zu,Iz() (2-1-4) uz() z,()zIz()式中:表示高度处的湍流强度，是无量纲量;为脉动风速均方根值，u zuz()在地面附近较大，随高度增加逐渐减小，在梯度风高度处减为零;为高度处的平均风速。湍流强度可在三个正交方向上的瞬时风速分量分别定义，但一般大气边界层下的顺风向分量要比其他两个分量大，所以一般情况下只考虑顺风向湍流强度。湍流强度是地面粗糙度类别和离地高度z的函数。实测结果表明，湍流强度随高度的增加而减小，在梯度风高度处减为零。在一些实测资料显示在一 ,()z般的工程结构高度范围内，式2-4中随高度下降非常的慢，完全可以看作是u [17]常数。因此为了与平均风剖面的指数律相对应，日本建筑规范采用如下公式: 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 ,,,0.05,,Z0.1I, (2-1-5) ,,uHG,, 我国的《建筑结构荷载规范》虽然没有明确给出紊流度剖面公式，但在计算脉动系数时隐含地采用了如下顺风向紊流度剖面公式: ,,1.8(0.16),,Z,，0.113635I (2-1-6) ，，u10 另一个描述大气湍流的参数是峰值因子，它反映的是脉动风局部的强度变化强度值。 2、湍流积分尺度 湍流积分尺度(Turbulence integral length)又称紊流长度尺度。通过空间某一点气流的速度脉动，可以被认为由平均风所输运的各种尺度的漩涡在该点所造成、按各自不同周期脉动的速度分量的叠加。若定义涡旋的波长就是漩涡大小的量度，紊流的积分尺度就是度量气流中各种漩涡沿某一指定方向平均尺寸的一个指标，而由于地面的边界效应，在实际大气边界层中的漩涡尺度将随高度的增加而增加，越接近地面就越小。相对于一定尺寸的建筑物而言，涡旋的大小对作用于建筑物上的风荷载有较大的影响。对应于纵向、横向和垂直方向脉动速度分量 xyzLLL有关的涡旋三个方向，一共有九个湍流积分尺度。例如、、分别uvw,,uuu量度与纵向脉动有关的涡旋纵向、横向与垂直方向的平均尺寸(x表示平均风速U和纵向的脉动风速U的方向)。 xL在数学上可定义为: u 1x, L,R(x)dx (2-1-7) 2uuu,120,u Rx()uuxyzt,(,,,)uuxxyzt,，(,,,)式中:是两个纵向速度分量和的互协uu1111211112 ,uu方差函数，是时间，是和的均方根。同样的定义也适用于其它的湍流积t12 分尺度。 UZ()如果假定气流的扰动以速度迁移，那么根据泰勒假说(Taylor’s hypothesis)方程(2-7)可以改写为: ,1xLRd,,, (2-1-8) ()uu,0, 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 R(),uxt(,)R(),式中:是脉动量的自协方差函数，估算所用的记录的长度应当u1u 2和估算及一致。从以上数学定义看出，如果互协方差函数是距离的急减函U, 数，那么所求的积分尺度就会很小;反之，如果衰减很慢，其值就很大。若两点相隔距离远远超过积分尺度，那么它们的脉动速度是不相关，作用在结构上的作用将相互抵消。湍流尺度的估算结果主要取决于分析所用的长度及记录的平稳程度，不同的实验一般相差都非常大。 3、湍流脉动风速谱 脉动风可以看作是一种随机动力干扰，因而，脉动风速服从随机统计规律，可用统计的方法来描述。脉动风速谱反映了脉动风速变化的频率特征，而气流频率分布特征有反映在作用于结构上的动力何在上。在风工程中，Davenport根据世界上不同的地点、不同高度测得的近百次强风纪录的谱分析结果提出了脉动风速谱的经验公式: 22x,,S(),4v(10) (2-1-9) V423,(1，x) ,,Lv,x (2-1-10) v(10) ,其中: ——地面粗糙度系数; v(10) ——距离地面10米高度处的平均风速; ,L ——湍流积分尺度，Davenport取为1200。 v Davenport的风速谱没有反映脉动风速谱高度变化的情况，但实际观测表明:随着高度的增加，脉动风速谱的峰值将有所降低。目前在风工程中，主要有Davenport谱、Von Karman谱、Simiu谱和Harris谱。这些谱的共同特征都是满足Kolmogrove假设。因为Davenport谱形式简单且实用，目前大多数国家的风荷载规范都采用Davenport风速谱。如果所选用的谱函数不同，那么计算所得的风致振动响应也会有很大区别。近年来，我国风工程工作者利用实测得到的风荷载特性资料，开展对大气边界层湍流谱特征进行研究分析，期望能得到合适反映我国气候特征的脉动风速谱。 同湍流强度与积分尺度一样，脉动风速谱也包括纵向脉动风速谱、横向脉动 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 风速谱和竖向脉动风速谱。以上几个谱表达式均是反映纵向脉动风速谱。对于后两者的，因实际风速资料的缺乏，研究还非常的不完善。不过，它们对大跨度结构和高层结构的竖向振动关系密切。 2.2 风洞试验 2.2.1 风洞试验简介 风洞试验是当前研究结构抗风的最主要方法手段，也是一个重要的研究内容。它主要是依据流体运动的相似性原理，模拟自然界的风特性，人为形成空气气流，将实验对象(大型建筑、桥梁、飞机、车辆等结构)制作成某一比例模型放置于风洞内，研究试验对象在人工气流作用下的性态，并测得相关的一些参数，进而确定研究对象在实际风场中的安全稳定性。对工程结构模型进行风荷载试验，从根本上改变了传统的设计和规范方法，如大桥、电视塔、大型水坝、高建 [17]筑群、大跨度屋盖等超限建筑和结构，我国荷载规范建议都要进行风洞试验。 最早利用风洞试验研究结构模型表风压是丹麦人J.O.V. Irminger 于1894 年做的。1930年代，英国国家物理实验室(NPL)在低紊流度的航空风洞中进行了风对建筑物影响的研究，指出了在风洞中模拟大气边界层紊流结构的可行性与必要性。很长一段时间里，研究人员把风对结构的作用一直当作静力作用来考虑，直到1940 年美国旧塔科马海峡大桥发生风振坍塌事故后才开始逐步研究并认识风对结构的动力作用。美国J.E.Cermak在科罗拉多州大学和A.G.Davenport在西安大略大学分别建成了长试验段的大气边界层风洞。从那以后结构风洞试验开始成为结构抗风设计和检验的重要手段而得到普遍发展。我国的风工程研究起步较晚。1984 年北京大学建成了我国首座长试验段大气边界层风洞，广东省建筑科学研究院也于1986 年建成了一个回流式双试验段边界层风洞。随着风工程研究应用得到越来越多的重视，同济大学、西南交通大学、复旦大学、汕头大学、长安大学、湖南大学、大连理工大学等都高校相继建造了中小型边界层风洞，哈尔滨工业大学已建成带有浪槽系统的单回流闭口式双试验段边界层风洞。此外，中国空气动力研究与发展中心、南京航空航天大学、中国船舶重工集团公司第七 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 O 二研究所等部分低速航空航海风洞也被大量用于结构风工程研究，这些航空航海风洞的建立将为我国风工程研究的发展作出更大的贡献。经过近30多年的努力，结构风工程在我国已经广泛开展，通过风工程研究学者的不懈努力，已经取得了不错的成绩。近年来，结构风工程研究对象和内容越发广泛。不仅涉及到传统的低矮建筑、大跨度建筑结构、高层及高耸结构、桥梁结构、海洋工程结构等对象，还开始向特种结构，例如:福建土楼、港口集装箱、太阳能路灯等。另外，从研究内容来看，涉及到风对结构的静动力作用，风致振动响应、风振控制以及小区或则城市的风环境研究等。 为了研究不同内容的需要，风洞试验往往相应的采用各种各样的实验类型。结构风洞试验按模型可以分为刚体模型试验和气弹性模型试验。前者是当前主要的模型试验，可分为节段模型、整体模型和局部模型等。刚体试验模型的支撑可采用固定或天平方式的静力支撑、采用弹簧或者强迫振动方式的动力支撑，主要用途有测力、测压、气动参数测试、风致振动测试、绕流形态观测、风特性和风环境测试等。 2.2.2 风场模拟的相似准则 风洞试验条件的模拟包括流场模拟、相似参数模拟和模型模拟三个主要部分。试验对象所受风作用的风洞模拟通常采用几何缩尺模型，因为这样方便实用。但是这样缩尺寸后如何找到模型试验和实际情况之间的相互联系性，并把试验结果应用到实际结构模型中去呢,这里的理论依据就是流体流动的相似性原理。由此引出了一系列物理相似性问题和必要基础理论的研究，其主要目标就是确定一组无量纲参数以及对流动和置于流动中的结构和试验模型均适用的相似准则。为了获得这些参数，常常先写出描述所研究物理系统的偏微分方程，例如有关流体运动的质量、动量、能量守恒方程以及流体的状态平衡方程。而后用一个具有对应量纲的参数值遍除所有的关键变量，使之无量纲化。由此出现大量的无量纲组合参数。比如:流体雷诺数(Reynolds number)、弗劳徳数(Froude nuber)、罗斯贝数(Rossby number)、斯托拉哈数(Strouhal number0等都是将试验模型结果换算为全尺寸实物中起关键作用的几个无量纲参数组。只要能保证这些参数组从一种试验模型到另一种试验模型保持不变，那么我们就保证了相似性，也就保证 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 实验分析结果能应用到实际工程结构中去。目前，随着这方面理论的深入研究，研究人员已根据各种相似性要求提出了一些模型风洞试验需要遵循的相似准则，然而，有些相似规定在典型的常规试验条件下是无法得以实现的，有些甚至是互不相容的。例如，量纲分析时，流体雷诺数(Reynolds number)、弗劳徳数(Froude nuber)是互不相容的。因此，研究者在风洞试验模型设计时，需要根据试验目的与实际操作可行性，进行一些权衡，抓住一些重要的因素、放弃一些次要的或者难以实现的相似要求。 最新的试验研究表明紊流强度的变化将引起构筑物表面压力分布的改变，其背风面的负压将减小。更为重要的是流场的紊流特性还是直接影响高耸柔性结构风致振动响应的一个重要因素，因此在结构风洞试验中，大气边界层的模拟不仅要考虑平均风特性的相似性，还要考虑紊流特性的相似性。前文提到，所研究的结构通常是采用缩尺模型的。因此，缩尺寸模型与原模型之间及模拟风流场与实际流场之间须满足一定的相似原则。从相似理论的观点出发，大气边界层紊流特性的模拟需要满足几何、运动和动力三个相似条件。 1、几何相似 几何相似很重要的一点是试验模型与原型的外形保持几何相似，这样才能保证原型结构的模态振型在对应的试验模型上得到体现。此外，各种来源的频率相 [11]互之比在模型与原型上也应当相同。文献提到有三个基本缩尺可以任意选着。第一个可选择的缩尺比是几何长度缩尺比(简称几何缩尺比): DLBmmm,,,,L (2-2-1) DLBPPP 这里，下标 m和p 分别代表模型和原型。几何缩尺比一般通过综合考虑结构尺寸、风洞大小及风洞堵塞度的要求以及模型制作精度和难度等因素确定最后的缩尺比例。第二个可选缩尺比为风速比: Um,,v (2-2-2) UP 它可以通过风洞可能达到的最高风速与所要求的自然风速相对比而确定。第三个是密度比: 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 ,m,,, (2-2-3) ,P 它通常由固定的环境条件强加给实验者。对于一般的用于结构风工程的低速 ,,1风洞，模型和原型的空气密度均一致，即: , 这三个基本缩尺因子提出对质量、长度与时间的基本要求。一旦这些参数任意确定了，或者由试验本身的一些因素所规定后，那么试验中其它的缩尺比(如位移响应、频率比、加速度响应比等)均可以根据量纲分析来确定。比如:由折算频率要求: DnUn,,,,, (2-2-4) ,,,,UU,,,,mP ,相应的试验频率给出频率缩尺比 n ,v,,n (2-2-5) ,L 除了外型按一定缩尺比满足几何相似外，，还要求来流紊流的尺度也按同一几何缩尺比缩小，即边界层模拟的几何缩尺比要与结构模拟的几何缩尺比一致。对于构筑物的风载和风振问题，需要考虑的主要是紊流的积分尺度。如前所述，紊流积分尺度可以通过对脉动风速的空间互相关函数曲线的积分或脉动风速谱的拟合方法得到。在模型和原型的紊流强度一致的情况下，紊流积分尺度L的相似关系应满足: Lm,,L (2-2-6) LP 2、运动相似 运动相似是指模型与原型的流体运动需要遵循同一微分方程，物理量间的比值彼此相互约束，则认为它们是相似。风工程中的气流为低速、不可压缩、牛顿黏性流，其运动的控制方程为: ,u,,,uuu1,,pjiii,()，,,，，ufji ,,,,,,txxxxx,jijji ij,1,2,3,() (2-2-7) 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 ,v,式中，，为空气的动力黏度，那么基于这个微分方程，流体物理量之间, 的比值需要满足一定的关系式。对流体紊流特性的模拟主要有下述三个方面的要求。第一个要求是模型流场中各点的气流速度和原型流场中相应点的气流速度之比均应等于统一的风速缩尺比;第二个要求是模型流场中的无量纲的紊流强度的分布应和原型流场中的一致;第三个要求是模型和原型流场中的紊流频率成分相似，即模型和原型流场中对应点的脉动风速无量纲自功率谱、对应的任意两点之 [11]间脉动风速无量纲互谱(空间和时间相关性)相同。文献对粘性流体不可压缩的相似准则做了详细概述。紊流频谱主要反映了紊流的脉动能量在不同频率也即不同尺度涡上的分布，对于构筑物的风载和风振问题，主要要求精确模拟在构筑物固有频率附近以及自然风卓越频率附近的紊流谱的形状，但后者的难度较大，实践中模拟流场的低频能量往往较低，达不到要求。 3(动力相似 紊流特性的模拟原则上还要求紊流雷诺数相似，而在废气排放问题的研究中还要求排放雷诺数相似。若流体要满足雷诺数的相似性，则需满足下式: ,,,,,,UDUD, (2-2-8) ,,,,,,,,,,mP 这样，对于一般的处于大气状态下的风洞，就要求: 1,, (2-2-9) v,L 上式在低速风洞试验或者水洞试验中，将很难实现的。例如建筑模型的风洞试验，若采用几何缩尺比为100，需要模拟实际风速为10m/s，采用空气介质为1，则将需要增加风速100倍才能满足雷诺数相等的原则，需要产生的风速为1000m/s，这将导致流体性质的改变，在试验中是难于实现的。但已有研究表明雷诺数超过某一临界值后，某些气动特性将不再随雷诺数的变化而改变。因此可以不深究钝体建筑结构的风洞试验所要求雷诺数相等的原则，放弃了雷诺数相似性要求，取而代之的是采取模型表面粗糙化等手段来改变物体表面附近绕流的性质，使其较低雷诺数时就进入紊流状态，从在一定程度上弥补由于雷诺数失真对试验结果造成的影响。虽然如此，近年来很多的研究表明，雷诺数效应对于钝体边缘压力的分 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 [18] [17]布还是有很大的影响，这也是目前建筑模型风洞试验研究的难点和重点。 参考文献 [1] R.I.Harris,The Nature of The Wind.Paper3,The Modern Design of Wind-sensitive Structures.N.P.L.1963 [2] D.M.Deaves,R.I. Harris,A Mathematical Mode of the Structure of Strong Winds.CIRIA Report No76,1978 [3] Khanduri A C,Stathopoulos T，Bedard C. Wind-induced interference effects on buildings-a review of the-state-of-the-art. Engineering structure [J].1998, 20(7):617-630 [4] 王存忠，曹文俊. 天津市郊大气边界层湍流特征分析[J]. 气象学报,1994,52(4):484-492 [5] 胡晓红，葛耀君，庞加斌. 上海“派比安”台风实测结果的二维脉动风谱拟合[J].第十届 全国风工程学术论文集.2000:76-83 [6] J.S.Smagorinsky, General circulation experiments with the primitive equations [J], Part 1, Basic experiments, Mon. Weather Rev., Vo1, 91, pp.99-164 (1963). [7] J. W. Dear doff, A numerical study of three-dimensional turbulent channel flow at large Reynolds numbers[J], J. Fluid Mech., Vo1.41, pp.453-480 (1970) [8] Gu Z. On interference between two circular cylinders at supercritical Reynolds number[J]. Journal of wind engineering and industrial aerodynamics, 1996, 62:175-190 [9] Tennekes H.,“The Logarithmic Wind Profile,”J.Atmos.Sci.,30(1973) 234-238. 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[17] 黄本才. 结构抗风分析原理及应用[M]. 上海:同济大学出版社，2001 [18] Richard P J，Hoxey R P. Wind pressures on a6m cube,Jouanal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics[J].2001,89,1553-1564 第三章 港口集装箱风洞试验分析 3.1 风洞试验设备与风场模拟 港口集装箱堆模型风洞试验是在湖南大学风工程试验研究中心风洞实验室进行的，该风洞全长53米、宽18米，为单回流、并列双试验段的边界层风洞(图1)，分为低速和高速两段，整个回流系统均为水平布置。风洞由一台最大功率为600KW直流电机带动，风速的调节和控制采用计算机终端集中控制的可控硅直流调速系统。高速试验段长17米，模型试验区横截面宽3 米、高2.5米，试验段风速0,60米/秒连续可调。风洞包括高速试验段有前后两个转盘，前转盘位置可模拟均匀流风场，可模拟大气边界层的?、?、?、?类风速廓线，并实现湍流度的相似模拟，在后转盘位置进行与边界层有关的桥梁节段模型、高层建筑、高耸建筑、大跨屋盖抗风研究，以及建筑风环境、风力发电机、工业产品和设备的空气动力学试验。低速试验段长15米、模型试验区横截面宽5.5米、高4.4米，最大风速不小于16 米/秒。该风洞高速试验段和低速试验段横截面尺寸目前在国内中型边界层风洞中是最大，为保证良好的流场性态采取了一系列严格的质量控制措施，同时试验室还将配置先进的测力、测压、测速、测振仪器设备、数据采集和处理系统。该风洞试验室在风洞功能、流场品质、试验仪器配置等均处于国内同类设备中领先地位，并达到国际先进水平。 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 试验流场中参考位置处的参考风速是用皮托管和和微压计来测量和监控的。大气边界层模拟风场的调试和测定时用美国TST公司的streamline热线、热膜风速仪。该设备可用来测试风洞内流场空间某点的速度大小和方向，也可以同时测量空间二点的速度大小及其相关性，样本采样的频率很高，能有效、准确地计算出风洞试验内的流场湍流度。 同时，试验室采用美国PSI公司生产的DTCnet电子式压力扫描系统、PC机、以及自编的信号采集及数据处理软件组成风压测量、记录及数据处理系统。 在试验风洞中模拟大气边界层风流场是建筑模型风洞试验的重要内容。由于集装箱堆处于港口码头地带，所以确定本试验的大气边界层湍流模拟为A类地貌风场(A类地貌定义见我国建筑结构荷载规范(GB50009-2001)。 [1]按照文献，试验模型采用1/40的几何缩尺比，并在风动中模拟了A类风场 [2](图3.2)，其地貌的粗糙度指数为。风洞所用的尖塔和粗糙元如图a,0.12 4.2所示。完成模拟风场布置后，对该模拟地貌进行相关参数(风速、湍流强度)试验测定，以验证模拟风场与实际理论风场的吻合性。图3.3是试验测得的顺风向脉动风速谱，图3.4是风洞模拟A类风场理论值与实际测值比较示意图。可以明显看出，在风洞高度1米以下，控制点的理论风速值与实测风速值非常接近，1米高度以上，控制点的理论值与实测值出现偏差。因此，试验中只要保证集装箱试验模型的总高度不超过1米，就能够保证试验模型是处于A类风流场中。所以，本文所研究的集装箱堆模型总高度均小于800毫米，故可以保证风场模拟的准确性。所以，本试验风场模拟是能得到保证的。 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 Karman0.1 Kaimal2, (n)/u0.01nS Davenport 1E-30.010.1110 nz/u 图3.3 顺风向脉动风谱 1.5 理论点1.4 测点 1.3 紊流度 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 Y Axis Title0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0246810121416 X Axis Title 图3.4 模拟风场与理论风场的测点比较 3.2试验概况 本文所做集装箱堆风洞试验为刚性模型测压试验，用有机玻璃板和ABS板制成，具有足够的强度和刚度，能保证在试验风速下不发生变形，并且不出现明显的振动现象，以保证压力测量的准确性。考虑到集装箱实际尺寸和风场模拟情况，本文选择几何缩尺寸比为1/40。试验模型与原型在外形上保持几何相似。考 o虑到集装箱堆放的对称性，本风洞实验设置风向角有12个，每隔15一个，从oo0,180对试验模型进行了测压。试验时将实验模型放在转盘上，并将试验模型 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 进行帮扎固定，减少其振动，通过旋转转盘模拟不同风向角下测点风压值。 3.2.1 模型尺寸、风向角和测点布置图 目前国际上通用港口集装箱的尺寸主要有三种:20柜、40柜和40高柜。其尺寸如下:20柜6.096 m×2.438 m×2.621 m，自重2.3吨;40柜12.192 m×2.438 m×2.591 m，自重3.9吨;40高柜12.192 m×2.438 m×2.896 m，自重4.1吨;如图3.5所示。本试验只研究40高柜的集装箱，且只考虑单列堆放的单堆集装箱。常见的集装箱堆放如图3.6 所示。 图3.5 集装箱实物图 0? 30? 层高 45? 排数60?90? 图3.6 单堆集装箱及风向角示意图 本实验所研究的9种工况如表3.1所示，几何缩尺寸后的模型尺寸如表3.2所示。(单位:毫米) 4c 6c 8c 12192*12190*11584 12192*12190*17376 12192*12190*23168 5p 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 12192*19504*11584 12192*19504*17376 12192*19504*23168 8p 12192*29256*11584 12192*29256*17376 12192*29256*23168 12p 表3.1 集装箱堆实际尺寸(注:5p4c表示5排4层集装箱堆) 4c 6c 8c 304.8*304.8*289.6 304.8*304.8*434.4 304.8*304.8*579.2 5p 304.8*487.6*289.6 304.8*487.6*434.4 304.8*487.6*579.2 8p 304.8*731.4*289.6 304.8*731.4*434.4 304.8*731.4*579.2 12p 表3.2 集装箱堆缩尺后尺寸(注:5p4c表示5排4层集装箱堆) 本试验的风向角定义如图3.6所示。试验模型测点布置如图3.7所示，考虑 [3]到论文篇幅，这里只列出三种集装箱堆放形式。文献研究指出，集装箱堆背风面角上集装箱倾覆失效临界风速是最小，即在强风作用下最先跌落失效，故试验在此集装箱表面布置较多测点。 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 5p6c集装箱堆测点布置 8p6c集装箱堆测点布置 12p6c集装箱堆测点布置 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 图3.7 单堆集装箱测点布置 3.2.2 参考位置、试验风速和数据采集 在风洞中选一个不受建筑试验模型影响、且离风洞洞壁边界层足够远的位置作为试验参考点，在该处设置了二根皮托管来测量参考点风压，一根是用来测量总压，另一根测量静压，如图3.8所示。这些都将用来计算各测点上与参考高度有关但与试验风速无关的无量纲风压系数。本试验参考点选在高度为60厘米处，按在缩尺寸为1/40的情况下对应于实际高度为24m。 v 13.0 12.5 12.0 11.5 11.0 05101520t 图3.9 参考点处测压示意图 图3.10 参考点处风速时程示意图 本试验为了与国家规范基本风压对应的10米高度处风压，所以选定的无量纲风压系数是相对于为10米高度，相当于试验风洞中的25厘米。 图3.10给出了参考点处的风速时程曲线，从曲线上可知，基本风速约为12m/s.测压信号采样的频率约为300HZ,每个测点采样样本总长度为6600个数据。试验中，对每个测点在每个风向角下都记录了6600个数据的风压时域信号，同时对参考点总压和静压同样是记录了6600的数据。 3.3 集装箱表面风压研究 3.3.1不同风向角下部分测点风压系数 C 在空气动力学中，物体表面的压力通常是用无量纲压力系数表示，即 pi ptp(),i,Ct,，，p (3-3-1) pp,,0 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 ppt()是模型上第测孔所在位置的压力系数，为测点所测风压值，Ctii，，0ip Cp和分别是参考点处所测得的总压与静压。为方便表示，本文后续均以表示pi, 第测点的风压系数。 i 由于风压是一个随机变量，因此为了获得平均风压系数，必须对所记录的 C数据进行统计分析，以获得各测点在各风向角下的平均风压系数，同时还pmeani, C可以获得各测点各风向角下的脉动均方根风压系数。(以10米高度为参考prmsi, 的风压系数) 根据概率统计理论可知，各测点在某一风向来流作用下，其风压系数的极大值和极小值可以表示为 CCgC,， (3-3-2) ppprmsmax CCgC,, (3-3-3) ppprmsmin [4]C其中g,,34为峰值因子，在这里取g,3，为均方根风压系数。 prms 为节省篇幅，图4.11只绘出了背风面角上集装箱各测点在A类风场下的CCC，，，随风向角变化的曲线。 pmeani,pimax,pmini, CP CP CPpmeanpmeanCP0.3 CP CPpmaxpmax0.3 CP CP0.0pminpmin0.0-0.3-0.3-0.6-0.6 -0.9-0.9 -1.2-1.2??03060901200306090120 1 15 CPCP CPpmean0.8 CP0.0pmax0.4 CP-0.5pmin0.0-1.0 -0.4-1.5 CPpmean-0.8-2.0 CPpmax CP-2.5-1.2pmin -3.0?-1.6?03060901200306090120 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 33 34 CPCP 0.00.4 -0.50.0 -1.0-0.4 -1.5-0.8 CPpmean-2.0 CP-1.2pmean CPpmax-2.5 CPpmax CP-1.6pmin CP-3.0pmin-2.0??03060901200306090120 50 66 CCC 图3.11 5p4c部分测点的,和随风向角变化的曲线 pmeanpmaxpmin CPCP 0.30.3 0.00.0 -0.3-0.3 -0.6-0.6 CP-0.9-0.9pmean CPpmean CPpmax CP-1.2-1.2pmax CPpmin CPpmin-1.5-1.5??03060901200306090120 1 15 CPCP 0.30.0 0.0-0.3 -0.6-0.3-0.9-0.6-1.2 CP-0.9-1.5pmean CPpmean CP-1.8pmax CP-1.2pmax CP-2.1pmin CPpmin-1.5-2.4?? 03060901200306090120 33 34 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 CPCP 0.00.0 -0.5-0.5-1.0-1.0-1.5-1.5 CP CP-2.0pmeanpmean-2.0 CP CP-2.5pmaxpmax CP CP-2.5pmin-3.0pmin ?-3.0-3.503060901200306090120 50 66 CCC图3.12 8p6c部分测点的,和随风向角变化的曲线 pmeanpmaxpmin CPCP 0.00.4 CPpmean CP-0.2pmax0.0 CPpmin-0.4 -0.4-0.6 CP-0.8-0.8pmean CPpmax-1.0-1.2 CPpmin?-1.2?03060901200306090120 1 15 CPCP-0.20.0 -0.4-0.5 -0.6-1.0 -1.5-0.8 CPpmean CPpmean-2.0 CP-1.0pmax CPpmax CP-2.5pmin CP-1.2pmin??-3.003060901200306090120 33 34 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 CPCP 0.40.5 0.00.0 -0.5-0.4 -1.0-0.8 -1.5-1.2 -2.0-1.6 CP CPpmeanpmean-2.5-2.0 CP CPpmaxpmax-3.0-2.4 CP CPpminpmin-3.5-2.8??-4.003060901200306090120 50 66 CCC图3.13 12p8c部分测点的,和随风向角变化的曲线 pmeani,pimax,pmini, 从该些曲线可以看出，集装箱表面风压系数大小随风向角的变化而变化。0度风向角时，由于前面集装箱的阻挡，背风向角部集装箱表面风压系数较小，风压波动也较小;随角度的增大，风压系数绝对值都也随之增大，风压波动性也表 CCC现明显。测点位置不同，其、和的取值随风向角变化也是不pmeani,pimax,pmini, 一样，边沿区及角区测点风压系数绝对值普遍很大，如33号、66号测点。此外， CCC集装箱堆放层数的增加，也使得测点，，增大。 pmeani,pimax,pmini, 3.3.2不同风向角下的各面平均风压系数 CCC将大量试验数据经式3-3处理后，得到大量测点的，，。pmeani,pimax,pmini,但是，这样的表达形式显然过于复杂繁多，不利于分析最不利风向角及对应的风荷载，也不利于综合考虑其表面所受风压大小。为此，需要考虑整个集装箱各表 C面的平均风压系数。 pb, CC集装箱表面平均风压系数可以用各测点与该测点所属表面面积pb,pmeani, A的乘积取加权平均得到: i CA,pmeanii,iC, (3-3-4) pb,A 以下一些图给出了各种工况下背风面角上集装箱顶面和背风面的平均风压系数。 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 CPCP 0.00.0 -0.2-0.2 -0.4-0.4 -0.6 -0.6 5p4c 5p4c-0.8 5p6c 5p6c-0.8 5p8c-1.0 5p8c ??-1.0-1.203060901200306090120 背风面 顶面 图3.14 5p背风面、上表面平均风压系数随风向角变化曲线 CPCP 0.0-0.2 -0.2-0.4 -0.4-0.6 -0.6-0.8 8p4c 8p4c 8p6c 8p6c-0.8-1.0 8p8c 8p8c ??-1.0-1.203060901200306090120 背风面 顶面 图3.15 8p背风面、上表面平均风压系数随风向角变化曲线 CPCP0.00.0-0.2 -0.2-0.4 -0.6-0.4 -0.8-0.6 12p4c-1.0 12p4c 12p6c 12p6c-0.8-1.2 12p8c 12p8c??-1.4-1.003060901200306090120 背风面 顶面 图3.16 12p背风面、上表面平均风压系数随风向角变化曲线 从图3.14、图3.15、图3.16可以看出:这两个面平均风压系数随风向角改变的变化趋势是一致的。随着风向角的增加，背风面平均风压系数均是先减小(90?左右达到最小，)后增加，顶面平均风压系数一直在减小，有 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 些达到,1.4，其原因是该面随着风向角的变化逐渐从尾流区转向迎风迅速分离区;集装箱堆放排数相同时，这两面平均风压系数随层数的增加而相应的增大(绝对值增大)。因此，从平均风压系数大小来讲，随着层数和风向角(小于90?)的增加，集装箱背风面角上集装箱所受风荷载也是在增加。相应地，强风作用下这个集装箱也将越容易跌落失效，造成一些损失。因此，这个集装箱是最危险的集装箱。 3.4 本章小结 [5] 目前，风洞试验费用昂贵、成本高，远没有达到能大量的、普遍的做试验的地步。在风工程研究中，往往只能结合实际研究情况，对一些典型工况进行试验研究。本章中风洞试验只研究了单列堆放的集装箱堆，在9种不同堆放排数、层数条件下，背风向角上集装箱的表面风压系数变化的情况。主要内容为: 1)像集装箱堆这种散装堆积结构的风洞试验在国内几乎没有人研究过，可参考的文献非常的少。本文基于结构特点，将研究重点放在关键的背风向角上集装箱部位。 2)集装箱堆在不同的风向角下各面风压系数截然不同，按本文所定的风向角考虑，在0度风向角情况下，表面风压系数较小，随着角度的增加，表面风压系数也随着增大，且脉动效应也更加明显。所以，强台风来临时，沿海港口需注意海边台风风向，并结合港口地形地势，调整集装箱堆放方向，有助于防止集装箱在强风作用下的倾覆。 3)为了研究在强台风作用下，集装箱堆倾覆失效临界风速随堆放排数、层数的变化规律，下一章将在本章表面风压系数规律的基础上，推导出各种堆放形式的集装箱堆倾覆失效临界风速，以供港口相关部门参考使用，并作为后续CFD计算机数值模拟结果的参照。 参考文献 [1] 黄鹏，顾明. 风洞中模拟大气边界层流场的方法研究[J].同济大学学报，Vol，27，No.2， 1999. 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 [2] 建筑结构荷载规范[M]. 北京:中国建筑工业出版社，2005 [3] 孙伟. 海港集装箱群抗风应用的数值模拟研究[D]. 硕士毕业论文，2008 [4] 黄本才，汪丛军. 结构抗风分析原理及应用[M]. 上海: 同济大学出版社,2008. [5] 李江河. 航空风洞中大气边界层的模拟[C]. 第三届全国结构风效应学术会议论文 集,1988 :201~205 第四章 港口集装箱堆倾覆失效研究 4.1 引 言 如何分析像集装箱堆这种散装堆积结构在强台风作用下的稳定性，台风来临 [1]时如何正确堆放和布置集装箱堆才能更好提高集装箱堆抗倾覆能力,文献从 [2]力学上分析了集装箱在强风下的稳定性，文献较详细地对港口单列集装箱堆风荷载特性及集装箱的倾覆失效进行了研究，分析了集装箱堆倾覆失效模式及失效临界风速随风向角、堆放排数和堆放层数的变化规律，并在此基础上，从结构抗风角度上，给出了港口集装箱堆放上的建议。但是，该文献仅仅从力学平衡入手，利用计算流体力学软件CFD-CFX进行了数值模拟研究，并没有采用结构风工程主要研究方法—风洞试验来验证。目前，对此类散装堆积结构风洞试验研究，国内外都很少人进行研究过。 我们知道港口集装箱堆是散装堆积结构，一般情况下各个集装箱之间均没有有效的进行绑扎加固等防倒措施。在强台风作用下，其跌落失效的模式主要有以下几种:1、整堆滑移或倾覆失稳2、最后一排整体滑移或倾覆失稳3、最后一排顶层集装箱滑移或倾覆失稳。为了后文计算集装箱堆失效的最小风速，有必要分析其最可能的失效模式。根据以往强台风登入港口的灾后调查及简单力学分析发现:一、第一种失效模式肯定不会出现，二、第二种失效模式所需的来流临界风 [2]速要比第三种失效模式的临界风速大;文献也指出集装箱堆发生局部的集装箱失效临界风速要比发生整排集装箱失效临界风速要小。因此本章主要研究第三种失效模式。 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 [1][2]文献和文献均采用数值模拟方法研究了集装箱堆失效临界风速随堆放排数层数的变化规律。本章利用前一章风洞试验所测的集装箱表面风压来研究其失效模式和临界风速，同时研究来流风向、堆放排数、堆放层数对失效临界风速的影响。结合这种散装堆积特点，并考虑到集装箱堆与地面没有有效连接，提出采用一种等效静力风荷载方法考虑这种影响。相关结论可为港口集装箱抗风或者堆放布局提供一些指导性的意见，并为以后这种散装堆积结构的抗风研究及抗风措施提供一些参考。 4.2 等效静力风荷载 静力等效风荷载是一种静力荷载，但它对建筑结构的作用等同同时考虑平均风作用和脉动风作用。在结构设计中，结构工程师往往需要知道结构所承受的静力等效风荷载的大小，然后才能与其它荷载进行组合，最终得到所受荷载大小。由于使用简单方便，在工程应用中得到普遍应用。对静力等效风荷载的研究较多，也提出一些使用方便、等效合理的方法。比较常见的方法主要有:荷载相应法(LRC法)、背景分量与共振分量的组合法、阵风荷载法(GLF)、惯性风荷载法(GBJ法)和通用等效风荷载法。文献[3] [4]对这些方法有详细研究分析，在这不再详述。 本章节参照阵风荷载法并结合所研究内容，采用阵风弯矩因子来确定等效静力弯矩值。阵风弯矩因子法定义为测点对倾覆底边的弯矩峰值与平均弯矩之比，以此来表征集装箱对脉动风荷载的放大作用。作用在集装箱上的并考虑脉动放大作用的等效静力风荷载可用下式表示: ww,Gμμ (4-2-1) iiiziORs μμμμ式中，为风荷载体形系数，为风荷载风压高度系数，为第四章所研究sizisizi C定义的测点平均风压系数。本文第四章已研究得到各风向角下集装箱表面pmeani, w各测点的平均风压系数。为集装箱堆正前方10米高度处平均风速产生的风OR 压，相当于建筑荷载规范(GB50009-2001)中该地区的基本风压。在本文，它 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 12被定义为所确定临界风速所产生的风压值，其值为，某测点的阵风弯矩因,,2 子(类似于阵风响应因子或者风振系数)，可由下式确定， Mpeaki,G, (4-2-2) iMmeani, Mxyz(,,)其中，表示为倾覆峰值弯矩，表示倾覆平均弯矩， Mxyz(,,)peak MMgM,, (4-2-3)peakimeaniprmsi,,, [4]M其中，为峰值因子，其中为峰值因子，在这里取，为某g,,34g,3gprmsi,一点对倾覆底边的弯矩均方差，此值由风洞试验所得的测点对倾覆底边的弯矩时程曲线，经统计分析得到。某一测点对倾覆弯矩底边的倾覆弯矩时程曲线如图4.1所示。根据实验所采样的测点风压值，可知每一测点对底边的弯矩值都有6600个，这样就可以得到测点对底边的平均弯矩值、极小弯矩值和极大弯矩值。 考虑到单个集装箱可能因最大静摩擦力太小而发生滑移失效，因此为后面研究需要，这里参照阵风弯矩因子定义，定义阵风风压系数因子，来考虑风荷载对集装箱滑移作用的脉动效应或者说放大作用。 Cmax,iG,cpi, (4-2-4) Cpmeani, CCgC,， (4-2-5) ppprmsmax CCgC,, (4-2-6) ppprmsmin [4]CCCg,,34g,3其中为峰值因子，在这里也取，、 及在第pmaxprmspmin四章已经算出。 由随机振动及统计概率论理论知道:当空间上某一点的脉动风速达到最大值时，与该点相隔一定距离的另一点脉动风速一般不会同时达到最大值，在一定范围内，两点距离相隔愈远，其脉动风速同时达到最大值的可能性愈小，这种性质称为脉动风的空间相关性。在顺风向，对于如高层建筑那样在高度与宽度均较大的尺度的建筑，在风荷载计算中要同时考虑这种水平方向与竖向方向上的相关性。而对于高耸结构类的细长构筑物，一般只需考虑竖直方向的相关性。针对不同的结构类别，很多风工程研究者提出不同的经验公式来表达这种相关性，以此来对最终风荷载做一定的折减计算。但是，在本文研究的集装箱长度方向和高度 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 方向的尺寸都较小，各表面面积也就较小，为此可以不考虑脉动风的空间相关性，即认为集装箱表面各测点的风压能同时达到最大值，这样处理结果偏于安全且简单计算。 N.m(10 P1013) 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 05101520 t 图4.1 某测点弯矩时程曲线 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 4.3 集装箱倾覆失效临界风速 4.3.1 集装箱失效临界风速推导 每年台风登入时，沿海集装箱都要受到不同程度的破坏。经灾后现场调查发现，背风面角上的集装箱跌落失效是最常见。本小节从集装箱堆受强风后稳定性分析入手，推导出集装箱堆的倾覆失效临界风速计算关系式，以供港口工作人员查阅使用。 台风登入沿海港口时，要使集装箱在强台风作用下保持稳定必须满足两个条件:一是集装箱所受风力?集装箱的最大静摩擦力;二是表面风压作用在其中一边的弯矩?集装箱自重对该边的弯矩值。据此，可以得到以下两个式子 22 ,,,,22FFwAwAu，,，,G,,,,,,XYXiXiYjYj,,,, (4-3-1) XiYj,,,,,, 1 MAGb,,ii (4-3-2) 2i ,b其中，G为集装箱的重量，为集装箱的宽度，为集装箱之间的最大静摩擦系数，Ai为测点所属面积。将式(4-2)分别代入式(4-3-1)和式(4-3-2)可以得到: 22 ,,,, ，,GwAGwAu,,,,G,,,,,,isiziORXijsjzjORYj,, (4-3-3) XiYj,,,,,, 1 wGdAGbμμ,,iiziORiis (4-3-4) 2i 12将w,,,代入上两式，可以得到集装箱滑移失效临界风速为: OR2 224uG,,L22 (4-3-5) ，，,,,,,,GAGA，,,,,,,,,,,,,,,isiziXijsjzjYj,,,,XiYj,,,,，， 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 集装箱倾覆失效临界风速为: Gb ,,D (4-3-6) GdAμμ,,iiziiis i 由于集装箱倾覆失效的方向不同，式(5.11)可以写成以下两式: Gb,,x (4-3-6a) GdAμμ,,xiizixii,s,i Ga,,y (4-3-6b) GdAμμ,,yiiziyii,s, i 最后，比较式(4-3-5)和式(4-3-6)所算的的临界风速大小，可以到: ,,,,,min,,,, (4-3-7) pLxy [2],就是所要求的临界风速。实际上，简单力学分析及参考文献可知，集装p 箱绕x轴(长轴)倾覆失效的临界风速是比绕y轴(短轴)倾覆失效临界风速小的多。因此，后文只研究集装箱滑移失效和绕轴x倾覆失效的临界风速。 31.226kgm室温条件下的空气密取为，参照钢结构设计规范(GB50017, —2003)，并考虑到实际上集装箱表面存在凹槽，故再考虑增大系数1.4，集装箱表面之间的最大静摩擦系数取为0.70，为测点到倾覆底边的距离，取dG4100kg。 4.3.2 临界风速表 经大量计算得到各种工况下集装箱滑移失效临界风速表(表4.1)，绕长轴倾覆失效临界风速表(表4.2)。 0 15 30 45 60 75 105 120 90 55.05 40.39 38.83 34.86 30.48 29.68 30.58 33.61 5p4c 28.72 34.14 32.56 33.03 30.84 27.47 25.12 27.23 30.78 5p6c 25.98 29.94 30.88 30.96 30.20 26.27 25.06 26.15 29.88 5p8c 22.86 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 55.43 45.41 38.09 36.37 32.83 30.61 28.81 32.26 8p4c 30.33 47.88 40.16 34.08 31.61 28.33 26.95 25.44 29.40 8p6c 24.67 42.32 36.11 31.27 28.64 26.86 24.65 23.84 27.69 8p8c 22.94 56.21 47.59 41.26 37.67 34.78 32.85 30.98 38.63 12p4c 31.42 55.34 43.44 38.51 35.61 31.34 31.09 26.16 30.04 12p6c 28.42 47.96 41.61 34.41 31.10 27.67 26.19 26.81 31.16 12p8c 25.97 集装箱滑移失效临界风速表 0 15 30 45 60 75 105 120 90 41.73 39.36 37.33 34.42 30.48 28.59 36.34 39.69 5p4c 28.93 33.47 31.67 30.03 30.70 27.22 25.78 28.60 33.10 5p6c 24.26 30.88 29.91 30.08 29.05 26.12 25.72 28.33 34.58 5p8c 21.47 58.15 44.41 37.98 35.38 31.98 29.48 31.14 37.43 8p4c 29.85 46.45 39.49 34.17 30.64 27.34 25.76 28.23 33.53 8p6c 23.17 40.99 37.17 33.23 30.53 25.63 24.25 25.52 31.60 8p8c 22.33 55.55 46.25 39.86 36.58 35.49 32.17 30.15 36.06 12p4c 29.88 54.48 42.89 37.09 34.24 29.71 29.08 27.88 33.46 12p6c 27.64 48.51 40.61 33.54 30.44 26.91 27.02 24.96 30.51 12p8c 26.37 5.4 集装箱绕长轴倾覆失效临界风速 从上两表可以看出:?集装箱发生绕长轴倾覆失效的临界风速要比发生滑移的临界风速小;?各种堆放形式的集装箱堆失效临界风速取最小时的风向角均在90度上下;?随着堆放层数的增加，一定排数的集装箱堆失效临界风速减小。 [2]文献研究指出，当堆放排数达到一定时，堆放层数对其临界风速的影响会很小，在本章中，因试验工况有限，这一点还不能说明清楚。 4.4 本章小结 这一章首先是利用风洞试验得到测点的风压时程，结合散装堆积结构特点，并参照结构风工程中等效静力风荷载常见处理方法，定义了阵风弯矩因子和阵风风压系数因子，来考虑脉动风的静力放大作用。其次，根据集装箱可能的几种失效模式，从简单的力平衡和力矩平衡入手，分析强风下集装箱的稳定性，并推导出集装箱最终失效的临界风速计算表达式，进而计算了试验工况下集装箱失效临 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 界风速。主要结论为: 1)在强台风作用下，集装箱堆背风面角上的集装箱更易发生绕长轴的倾覆失效，在不同的风向角下，失效临界风速相差很大。0度时，临界风速最大，是最安全，90度左右，各种堆放形式下的临界风速达到最小。所以，台风来临时，注意海边台风风向，结合港口码头的地形地势，调整集装箱堆放方向，有助于防止集装箱在强风作用下的倾覆。 2)本章所得到倾覆失效临界风速表将作为下一章数值模拟计算结果准确性的一个评判标准。 3)为了进一步得到不同型号不同堆放排数层数的集装箱失效临界风速，下一章将采用目前在结构风工程研究中迅速发展的数值模拟方法，继续计算其失效。 参考文献 [1] 赵青春，彭兴黔，乔常贵，等. 港口集装箱强风作用下的抗倾覆计算[J]. 郑州轻工业学 院学报，2008(04):59-62 [2] 孙伟. 海港集装箱群抗风应用的数值模拟研究[D]. 华侨大学硕士毕业论文，2008. [3] 黄本才，汪丛军. 结构抗风分析原理及应用[M]. 上海: 同济大学出版社，2008. [4] 周晅毅. 大跨度屋盖结构风荷载及风致响应研究[D].同济大学博士论文，2008. 第五章 港口集装箱数值模拟研究 5.1 引言 目前，风洞试验由于模型制作费时费力，试验周期长，难于同时研究不同的建筑设计方案。同时，风洞试验一致未能很好的解决缩尺度模型所带来一系列的物理量的相似问题，如风速，时间，雷诺数、斯托拉哈数等参数。在风洞试验中，这些参数在风洞试验中无法同时得到满足，由此带来误差。这些误差，目前还没有较好的方法来修正所测得的数据及研究结果。所以，风洞试验还有很多问题待解决。 随着计算机性能的大幅度提高，以计算流体动力学软件CFD为核心的计算 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 风工程得到迅速的发展。这种软件模拟具有诸多优势:可以比较准确地模拟大气边界层中风的流动;不受风洞模型试验中相似准则的限制，可以模拟一般的绕流风场问题，也可以模拟高雷诺数的气流流动等风洞模型试验无法解决的一些问题;可以模拟各种地貌和不同的风环境下，复杂体型的建筑物及建筑物群的表面风压、周围风速和绕流风的紊流结构;还可以对计算结果进行处理，形成直观的压力分布图和风场流线图，为建筑物的整体结构和局部的设计提供有效的依据;同时，计算机数值模拟方法费用低、耗时少。从长远看，结构风工程计算机数值模拟方法不仅能克服风洞试验的诸多局限性，而且可为建筑风场提供高效的、较为准确的模拟结果，将成为预测及研究结构风荷载的有效方法。 计算机软件数值模拟方法以风流动的连续方程和Navier-Stokes方程为基本方程，通过对方程的离散化，利用计算机强大的计算功能，通过数值方法获得风场的离散解。 [1]文献已对集装箱抗风进行了较为详细的数值模拟研究，这一章将参照此 SSTk,,,文献，选定湍流模型并进一步细化网格划分，选定好相关参数，继续对港口集装箱失效临界风速进行研究。最后还将数值模拟结果与先前风洞试验结果相比较，进而验证湍流模型及相关参数选着的合适性。 5.2 集装箱风致失效机理 要使集装箱在强风作用下保持稳定必须满足两个条件1.横向风力必须,集装箱的最大静摩擦力2.风压作用于其中一条边的弯矩,重力作用于它的弯矩。 由此可得出公式: 22F()，,,FGF,yzx (5-2-1) hbhaF,，m,(G,F),0Fm()0,,,,,GF 和 (5-2-2) yxzxyz2222 FFFP(x,y,z)(x,y,z)其中为点的风压， 、、分别为风力作用下集装yxz mmm箱收到的x,y,z方向的集中力，、、分别为风力作用下集装箱受到的yxz 围绕x、y、z 轴方向的弯矩(图2)，为集装箱的最大静摩擦系数，一般取0.75，, 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 G为集装箱自重。 22F，FhbhbxyF,-F令:， ， MF MF,,,,,mF,,，,,mFLzxyxzyxyz,2222 z z E FzA FxBDFy x0x Cy y 图5.1 集装箱体受力 为了便于比较将横向力系数、绕x轴的倾覆力矩系数和绕y轴的倾覆力矩系 数分别表示为: FL,, (5-2-3a) L12,,2 Mx,, (5-2-3b) x12H,,2 My ,, (5-2-3c) y12H,,2 把式(5-2-3)分别代人式(5-2-1)和式(5-2-2)，求出临界风速: 2G,, (5-2-4a) L,,L Gb, ,, (5-2-4b) xH,,x Ga,,, (5-2-4c) yH,,y 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 则定义集装箱失效的临界风速为: (5-2-5) ,,,,,min;;,,p;Lxy ,为空气密度(25?时空气密度取1.226?/m3)，为参考点风速，H为参, ,,考高度，为横向力使物体失稳的临界风速，为绕x轴倾覆力矩使物体失稳Lx ,的临界风速,为绕y轴倾覆力矩使物体失稳的临界风速。 y 5.3 湍流模型及边界条件 5.3.1 湍流模型的选择 k,,目前在计算风工程中，应用比较多的湍流物理模型主要有:RNG 、SST k,,k,,k,,、SSG RSM、BSL-RSM四种，对应分别是标准模型、模型、雷诺应力模型(RSM)的改进模型，这些湍流模型在分离流、涡流等复杂流场模拟中有较强的功能[2]。文献[3]对这些湍流模型及其方程都有详细的介绍，在此不在详述。 k,,本文采用SST 模型由Menter[4]发展，以基线模型(Baseline model,BSL模型)为基础，对涡粘性参数作了一些修改，以考虑湍流主剪应力运输的影响，以 k,,提高墙面附近分离流的计算精度。SST 剪切应力输运模式在近壁处采用 k,,k,,k,,Wilcox模式，在边界层边缘和自由剪切层采用模式(形式)，其间通过一个混合函数来过渡，属于积分到壁面的不可压缩/可压缩湍流的两方程涡 k,,k,,粘性模式。在边界层的尾流区域为了有效结合和模式，在本章中将统 k,,k,,k,,一写成形式。SST模型和标准模型相似。SST湍流物理模型比标 k,,准的模型能更准确的模拟钝体绕流，而且计算工作量也不大，其优越性在业界广泛认同，故应用较广。 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 5.3.2 数值风洞及网格划分 在数值模拟中，首先要考虑的是数值风洞大小的选取。在整个风场模拟中，要在离建筑结构较远的区域人为的设置一些壁面，形成有限的空间域，这样才能使求解域封闭，得到较准确的可行的解，这个空间域便是数值风洞，它的大小与计算的收敛性密切相关，也最终影响计算的精度。风洞太大，会增加很多网格数量，导致收敛太慢，也对计算机的性能提出更高要求;风洞太小，会对建筑物表面风压分布产生影响。一般地，数值模拟的结构形状大小不同，所建立的数值风洞大小也是不一样。比如高层建筑与低矮建筑物，风流流经时，前者是以侧面绕流为主，需要让侧面绕流充分，其计算域的水平宽度应大于8倍建筑物宽度，高度可取小一点;后者是以顶面绕流为主，其计算域的高度要取大一点。对于背风面距出口的距离应使湍流充分发展，太小会导致出口有回流，导致计算不能收敛 [5]一般要求在10倍的建筑高度。文献研究了港口集装箱群数值模拟中计算域的设置，指出计算域合理的取值范围:计算域高度7h,8h,计算域宽度8Ly,9Ly，计算域上游长度9h,10h，计算域下游长度18h,20h(h为集装箱堆高度，Ly为集装箱堆迎风面宽度)。本章数值模拟参照此文献，建立数值风洞大小。 数值风洞模拟结果在很大程度上取决于离散计算域网格的优劣。网格应当精细到足够捕捉一些物理现象的特征变化，例如剪切层、涡旋等。数值风洞模拟时，一般采用结构化网格或者非结构化网格，前者在实际模拟中较少用到，因为实际结构物大多数体型复杂，生成结构化网格困难，而且整个风洞太大，这样结构化网格在很多不需要加密的地方占用大量网格资源，增加计算时间和收敛难度。首先实际尺寸建立集装箱堆模型，并将模型位于流域沿流动方向上游1/3处。集装箱形状规则，故模型附近的内域和远离模型的外围空间均选用具有规则拓扑的六面体网格单元进行离散，同时采用网格控制措施对模型表面网格进行加密，特别是背风面上模型角部集装箱区域做了进一步的加密处理，严格控制近壁面网格尺 [6]度，进而完成整个内域混合网格离散。这样数值风洞中，产生了外部计算域、中部计算域和内部计算域。 内部计算域:一般得到非结构化六面体单元40万个左右; 中部计算域:四面体单元40万个左右; 外部计算域3:非结构化六面体单元10万个左右。 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 图5.2 外部计算域网格图 图5.3 外部计算域内部示意图 图5.4 中部计算域网格图 图5.5 内部计算域模型及其网格 5.3.3 边界条件的设置 数值风洞的边界条件即为计算域(或流域)边界条件，主要有:入口、出口、地面、顶壁、侧壁以及建筑模型壁面。 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 [2]入口来流条件:这里采用内部无扰动的空风洞进行。采用平均速度进口，给定来流的平均速度剖面与湍流参数。入口来流边界条件设置尽量与模型风洞试验 ,u(z)=u(/)ZZu12,ms,,0.12相一致，即式中，取，，以便计算结果000 与试验结果比较。入口湍流剖面按湍动能和耗散率的形式输入，采用文k(z),(z) [7] [8]献的表达式: 2,,,()1.2()()kz,Izuz,,3432,()Ckz (5-3-1) ,(),z,,KL,,, 式中系数,,与按风洞截面尺寸估算，取30m。湍流强度ILK,0.41C,0.09,, ,,a0.05[9]Iz,，0.1(/350)采用日本规范中的定义,其表达式为: ，集装箱堆顶部紊流度约为20% ,和风洞试验相近。 出口边界条件:使湍流充分发展，采用开放式的压力出口，即流场任何物理量沿出口法向的梯度为零; 流域顶部及两侧:采用自由滑动壁面; u,0结构壁面和地面:采用无滑移壁面条件，即在壁面上，。 i 5.3.4 离散格式的确定 建筑物在强风的作用下的流动都是高雷诺数的流动，对流项占优，在用有限体积法进行数值计算时对流项的插值格式非常重要，一阶迎风格式通常包含比较大的数值耗散，在做定量分析时要避免使用。目前采用的是二阶迎风的插值格式，具有比较高的精度，但常常会产生振荡，影响数值解的收敛性，只有采用接近二阶的混合格式来抑制解振荡。因此，一般用的较多是接近二阶的混合格式。因此，本文的数值模拟对流项选用1.75阶格式(混合因子取为0.75)，其计算精度可以达到较好的效果。 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 5.4 数值模拟结果及分析 为了与先前的风洞试验结果相比较，这里也只模拟型号为40高规的集装箱，得到集装箱堆倾覆失效临界风速,并与第四章风洞试验结果相比较(图5.6)。结果表明:两者变化趋势非常一致，结果误差均在20%以内，总体上吻合较好。整体而言，风洞试验得到的临界风速要比数值模拟结果要小一些。说明所用的湍流模型及参数对集装箱倾覆失效模拟是合适的，可以大量模拟研究其它堆放形式下集装箱的倾覆失稳。 504c风洞试验 4c数值模拟 456c风洞试验 6c数值模拟 8c风洞试验40 8c数值模拟临界风速35 30 25 风向角0?30?45?60?90? 5p 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 654c风洞试验604c数值模拟 6c风洞试验55 6c数值模拟50 8c风洞试验458c数值模拟临界风速40 35 30 25风向角0?30?45?60?90? 8p 65 4c风洞试验60 4c数值模拟556c风洞试验 6c数值模拟50 8c风洞试验458c数值模拟临界风速40 35 30 25风向角0?30?45?60?90? 12p 图5.5 数值模拟结果与风洞试验结果比较 k,, 为此，这里将采用所选的湍流模型SST 模型及相关参数设置，进一步的模拟计算出其它堆放形式下的集装箱堆倾覆失效临界风速(表5.1)，以供工作人员参考使用。 排数 2 4 5 6 8 10 12 层高 2 36.8 39.3 39.6 40.0 40.8 36.8 33.6 4 29.7 33.6 33.8 34.9 34.2 33.1 31.1 5 25.7 31.1 31.4 31.7 33.6 32.7 30.1 6 25.4 30.7 31.7 30.7 31.9 31.8 27.9 7 24.9 30.3 31.3 30.6 30.3 30.8 27.7 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 8 24.6 29.4 30.6 29.0 27.6 27.8 26.7 参考文献 [1] 孙伟. 海港集装箱群抗风应用的数值模拟研究[D]. 华侨大学硕士毕业论文，2008. [2] 曾锴,汪丛军,黄本才,周大伟. 计算风工程中几个关键影响因素的分析与建议[J]. 气动力 学学报, Vol.25,No.4,2007. [3] 黄本才，汪丛军. 结构抗风分析原理及应用[M]. 上海: 同济大学出版社，2008. [4] F. R. Menter. Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications. AIAA Journal, 1994, 32(8):1598-1605. [5] 乔常贵,彭兴黔,赵青春. 港口集装箱群数值模拟中计算域设置的研究[J].郑州轻工业学 院学报,2008(02):104-107. [6] 顾明,黄强,黄鹏,全涌,谢壮宁. 低层双坡房屋屋面平均风压影响因素的数值模拟研究[J]. 建筑结构学报,2009(10):205-211 [7] 杨伟. 基于RANS的结构风荷载和响应的数值模拟研究.硕士学位论文[D]. 上海:同济大 学桥梁工程系,2004. [8] 周大伟. 高层建筑风压风流场稳态与大涡模拟研究.硕士学位论文[D]. 上海:同济大学 航空航天与力学学院,2005. [13] A IJ recommendations for loads on buildings [ S ].English Version. Tokoy: Architectural Institute of Japan, 2004. 第六章 总结与展望 本文运用风洞试验和数值模拟技术对强台风作用下沿海港口集装箱堆的稳 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 定性进行了较为系统全面的研究，分析总结了强台风作用下集装箱堆表面风压分布特点，提出采用阵风因子来考虑这类散装堆积结构的稳定性，由此推到了其发生滑移或倾覆失效的临界风速计算表达式，并得到一些堆放形式下的失效临界风速。以下对全文的研究工作做以简要的回顾，并提出进一步的设想。 6.1 本文工作总结 1、本文首先对与结构风工程密切相关的大气边界层风特性(平均风、脉动风)做了一些介绍，然后对风工程研究的主要方法—风洞试验做了陈诉。这些为后文风洞试验方案的设计、试验过程、数据采集及处理、数值模拟等提供理论指导。 2、详细地介绍了集装箱堆的风洞试验，包括风场模拟、模型制作、参考点数值、测点布置、数据采集等，为后面数据处理做好准备。 3、利用风洞试验数据，分析了背风面角上集装箱表面的风压分布特征。结果表明:集装箱堆在不同的风向角下各面风压系数截然不同，按本文所定的风向角考虑，在0度风向角情况下，表面风压系数较小，随着角度的增加，表面风压系数也随着增大，且脉动效应也更加明显。所以，强台风来临时，沿海港口需注意海边台风风向，并结合港口地形地势，调整集装箱堆放方向，有助于防止集装箱在强风作用下的倾覆。随着层数的增加，各面风压系数也随着增加，集装箱趋于危险。 4、提出采用阵风因子来考虑这种散装堆积结构的脉动静力放大作用，并利用简单的力平衡与弯矩平衡分析强风下集装箱的稳定性，由此得到其滑移和倾覆失效临界风速计算表达式。接着利用风洞试验数据，计算得到了几种堆放形式下集装箱的临界风速。这些临界风速将是后文数值模拟结果是否准确的判定依据。 5、采用SST 湍流模型及合适的相关参数，对试验所研究的几种堆放k,, 形式的集装箱堆进行数值模拟，计算得到其倾覆失效临界风速，并将结果与试验结果相比较，结果表明:两者变化趋势较一致，误差均在20%以内，说明了湍流模型及相关参数的选择是合适的，进而采用它大量数值模拟了其它堆放形式的集装箱堆，得到它们的倾覆失效临界风速表，可供相关工作人员参考使用。在对单列三个建筑风干扰分析的基础上，对两列六个串列建筑组成的建筑群进行了分析 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 总结。分别在0?、30?、45?、60?、90?五个风向角下，8个不同间距S(分x别取为b、1.5b、2b、2.5b、3b、4b、6b、8b)、5个间距S(分别取为b、1.5b、y 2b、3b、5b)，共计5×8×5=200种工况进行了计算与分析。得出的主要结论有: (1)间距S的大小对建筑群中各个建筑表面的平均风压系数有较大的影响，x 且S的大小对各个建筑表面的影响各不相同。而间距S的大小仅对于建筑群中xy 建筑相邻的侧面有较大的干扰作用，对于其他的面影响不大。 (2)不同的风向角时，S的大小对建筑表面平均风压系数的影响也有较大x 的差别。0?风向角时，当间距S小于4b时，由于建筑间相距较近，干扰总体x 呈现为遮挡效应，后两排建筑的迎风面在前排建筑尾流旋涡的影响区域内，均表现为负压。建筑相邻的侧面由于“狭管效应”，风速有着不同程度的加强;而当间距S小于4b时，整体而言，60?风向角时三排建筑之间的相互干扰效应较45?x 风向角的要小。在斜风向(30?、45?、60?风向角)的情况下，风流动通畅，有利于通风。干扰效应在间距小于2b时较为显著，当间距S大于4b后，干扰x 作用逐步变小，间距S为8b时，对建筑迎风面和背风面干扰作用已经很小。 x (3)在综合分析各个风向角下的干扰效应基础上，表5.3给出了各个表面平均风压系数干扰因子的函数，为实际工程提供一定的参考。 (4)间距S的大小也影响群体间干扰效应，间距S变化时，由于“狭管”yy 效应的强弱造成建筑群中相邻侧面的平均风压系数有较大的变化。当间距S小y于2b时，A、C、E面的平均风压系数有很小的变动，而相邻的侧面风压系数变化较大;当间距S大于2b时，建筑群中各个表面的干扰因子均趋于稳定，忽略y 间距S带来的干扰效应。 y 6.2 本文不足及改进 1、集装箱的堆放形式非常多样，本文仅仅研究了堆成一列的单堆集装箱在强台风下的稳定性，风洞试验只也是做了少数几种堆放形式的集装箱。所以非常有必要扩大对其他堆放形式的集装箱堆进行研究。 2、文中仅对单堆集装箱进行了研究，没有考虑其它堆集装箱对其的干扰作用，在实际中，码头都是同时存在很多堆集装箱。因此，后期有必要开展多堆之间的干扰研究。 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 3、本文在对集装箱稳定性分析时，对集装箱堆进行了相应的简化，即忽略集装箱表面的凹槽以及集装箱锚固锁的作用，还有集装箱之间的最大静摩擦系数的取值尚待商榷。 3、有待进一步发展完善数值风洞模拟技术。 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 硕士在读期间发表的论文 [1] 张春晖，孙伟，彭兴黔. 强风作用下港口集装箱干扰效应的数值模拟[J]. 华 侨大学学报(自然科学版). VOL.31,No.1,69-73. [2] 张春晖. 彭兴黔. 品字形建筑群静力干扰效应的数值模拟研究[J]. 华侨大学 学报(自然科学版)，待刊 [3] 张春晖，彭兴黔，乔常贵. 单列建筑群静力干扰效应的数值模拟[J]. 力学与实践，待刊 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究 致 谢 时光飞逝，转眼间三年的硕士生活快接近尾声，回想起这些年的点点滴滴，深切地感受到老师、同学和亲戚朋友对我的关爱，至此向帮助和关心过我的师友表示衷心的感谢!。 如今，我的硕士毕业论文即将完成，心中非常高兴。本论文是在导师彭兴黔教授的悉心指导下完成的。一直以来，我尊敬的导师彭兴黔在科研、学习和生活各方面给了我殷切地关怀和不遗余力地帮助和指导，使我的科研能力，理论水平，研究方法，组织与协调能力等方面得到很大的提高。导师渊博的知识、丰富的工作经验、严谨的治学态度、诚实正直的人品与平易近人的性格，时时激励与感动着我，使我终身受益。值论文完稿之际，我向导师表示最诚挚的谢意，祝愿老师在以后的工作和生活中身体健康、工作顺利、万事如意～ 感谢湖南大学风洞实验室陈政清老师、李寿英老师，李寿科博士对本文风洞试验的指导帮助。感谢乔常贵师兄、赵青春师兄和朱海、徐刚、刘春艳、杨蓉等同门师兄弟姐妹们为我论文提供的无私的帮助，同时还要感谢曾建宇、周博、张健等对我学习和生活上的关心和帮助。 特别感谢含辛茹苦的父亲和母亲这么多年来的养育之恩，感谢他们一直以来对我学习和生活上的支持与鼓励，在此表示深深的敬意～ 正是由于以上的帮助、鼓励和鞭策，使我能够顺利完成自己的学习任务和毕业论文。最后，谨以此文献给所有关心和帮助过我的老师,同学,朋友,以及养育我的,始终关心支持我的父母和家人。 张春晖 2010年2月于刺桐园 华侨大学硕士学位论文 港口集装箱风洞试验与数值模拟研究