索膜建筑空气流场的计算力学分析

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１８ 江苏建筑 ２００６年第１期（总第１０４期）

索膜建筑空气流场的计算力学分析

方立新．冯健

（东南大学建筑学院。南京２１００９６）

【摘 要】文章介绍了现代流体力学分析的工具和基本原理，讨论了运用计算流体力学数值分析（ｃＦＤ）技术对张拉索膜结

构的建筑风场研究的进展。并用实际算例展示了ＣＦＤ对类锥型帐篷式索膜结构空气流动的数值仿真能力。

【关键词】计算流体力学；张拉索膜结构；风工程

【中图分类号］ＴＵ１１９．２［文献标识码］Ａ【文章编号］１００５—６２７０（２００６）０１—００１８—０３

Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ａｐｐｌｙｉｎｇ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃ ｆｏｒ Ａｉｒｆｌｏｗ

Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｉｎ Ｆａｂｒｉｃ Ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ

ＦＡＮＧ Ｉ５一ｘｉｎ ＦＥＮＧ Ｊｉａｎ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｍｏｄｅｍ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ａｄｖａｎｃｅ ｉｎ

ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ａｉｒｆｌｏｗ ａｒｏｕｎｄ ｔｅｎｓｉｌｅ ｆａｂｒｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ． Ｆｕｒｔｈｅｒ，ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆ ｃｏｎｉｃ—ａｌｉｋｅ ｆａｂｒｉｃ

ｔｅｎｔ ｉｓ ｇｉｖｅｎ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｂｙ ＣＦＤ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ；Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｆａｂｒｉｃ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ；Ｗｉｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

０概述 所谓计算流体动力学即ＣＦＤ是定量设计的有力工具，

今天，无论是高技建筑还是所谓新有机建筑，对生态和 其基本特征为对流体行为的数值模拟和计算机实验，求解

环境的关注热情是前所未有的。 结果能预报流动过程的细节。它从基本物理定理出发，在很

随着技术水平的不断发展，在建筑设计领域对于风环 大程度上替代了力学实验设备，有相当理想的经济性。建筑

境研究的重视已达到一个较高的程度．其研究进展往往成 领域以往较少会与流体试验打交道，这并非表明对此不感

为设计方案创新的源泉。很多建筑师在设计过程中加大了 兴趣，更多是因为行业不接受流体试验的成本，因此随着数

专业协作的深度。对建筑物内外风环境进行细致的分析计 字技术的发展，计算流体力学的相关技术突破将对关注生

算，在量化结果的基础上评估自然通风组织的效果，而以往 态自然环境的建筑设计带来深远的影响。

只有结构专业在确定风荷载时倾向于量化分析，建筑师则 １计算原理

是对风环境的计算不太关心的，因而在建筑方案的空间设 在计算流体动力学（ＣＦＤ）应用各种离散化数值方法对

计中对自然通风的组织不够重视，存在着一定的随意性，常 流体力学问题进行实验的过程中，主要是针对时间域及空

根据粗放的概念或凭经验来推断不同方案中通风效果的优 间域连续的速度场和压力场。用一系列有限个离散点上的

与劣；然而，在建筑空间和功能越来越复杂的今天。仅凭概 变量值的集合来代替，通过一定原则建立起关于这些离散

念而不作深入验证显然已不能适应形势的要求．例如张拉 点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组

膜建筑近年在国内应用相当广泛，其形态一般是曲面如锥 获得场变量的值闭。其结构为：数值方法求解非线性联立的

形或鞍形，与常见规正形态的结构相比其建筑风场比较复 质量、能量、动量等微分方程组，即流体动力学控制方程Ｎ一

杂，难以凭经验估算，但是由于其属于对风比较敏感的柔性 Ｓ方程，将流体的物理空间映射为上述三个流动基本方程

结构【ｌ】，因此，评估张拉膜建筑的风环境有很明确的实际价 控制下的数值空间，通过这种数值模拟，得到三维空间上各

值。国外近年对此研究较多，但取得的进展也较多局限于试 个位置上的速度、压力、温度等的分布，以及这些物理量随

验范畴。而国内则相对处于起步阶段。 时间的变化情况。

如何验证设计方案中建筑空间内外的空气流动风场， 对流体力学各类本构方程与封闭模型的求解基本不依

涉及到流体力学理论。流体力学理论相当复杂，建筑领域也 靠解析方法，而选择常见的数值计算方法如有限元、有限差

不是它重点的应用领域，通常对于形态复杂的建筑，当风场 分或有限体积法。

设计很关键时，会考虑做模型的风洞试验，但是代价昂贵， 这些数值计算方法的计算机程序编制比较复杂，但目

不仅不利于多方案比较．试验模型缩尺后的边界效应也会 前有不少流体力学分析工作可以借助商业ＣＦＤ软件来进

产生误差，对于国内的现实条件而言，难以在建筑设计领域 行．这些软件包括ＦＬＵＥＮＴ、ＰＨＯＥＮＩＣＳ、ＣＦＸ和ＳＴＡＲ—ＣＤ

推广并让空气流场的分析评估工作走近普通设计人员；然 等。但无论是自编程序还是应用现成软件，依靠ＣＦＤ获得

而，与此相对应，目前已趋于成熟并能在工程中实际应用的

【收稿［３￣］１２００５－０９－１５

计算流体动力学（ＣＦＤ）则可以大显身手。

【作者简介】方立新，东南大学建筑学院，副教授，博士。