索膜建筑空氣流場的計算力學分析

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１８ 江蘇建筑 ２００６年第１期（總第１０４期）

索膜建筑空氣流場的計算力學分析

方立新．馮健

（東南大學建筑學院。南京２１００９６）

【摘 要】文章介紹了現代流體力學分析的工具和基本原理，討論了運用計算流體力學數值分析（ｃＦＤ）技術對張拉索膜結

構的建筑風場研究的進展。并用實際算例展示了ＣＦＤ對類錐型帳篷式索膜結構空氣流動的數值仿真能力。

【關鍵詞】計算流體力學；張拉索膜結構；風工程

【中圖分類號］ＴＵ１１９．２［文獻標識碼］Ａ【文章編號］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 所謂計算流體動力學即ＣＦＤ是定量設計的有力工具，

今天，無論是高技建筑還是所謂新有機建筑，對生態和 其基本特征為對流體行為的數值模擬和計算機實驗，求解

環境的關注熱情是前所未有的。 結果能預報流動過程的細節。它從基本物理定理出發，在很

隨著技術水平的不斷發展，在建筑設計領域對于風環 大程度上替代了力學實驗設備，有相當理想的經濟性。建筑

境研究的重視已達到一個較高的程度．其研究進展往往成 領域以往較少會與流體試驗打交道，這并非表明對此不感

為設計方案創新的源泉。很多建筑師在設計過程中加大了 興趣，更多是因為行業不接受流體試驗的成本，因此隨著數

專業協作的深度。對建筑物內外風環境進行細致的分析計 字技術的發展，計算流體力學的相關技術突破將對關注生

算，在量化結果的基礎上評估自然通風組織的效果，而以往 態自然環境的建筑設計帶來深遠的影響。

只有結構專業在確定風荷載時傾向于量化分析，建筑師則 １計算原理

是對風環境的計算不太關心的，因而在建筑方案的空間設 在計算流體動力學（ＣＦＤ）應用各種離散化數值方法對

計中對自然通風的組織不夠重視，存在著一定的隨意性，常 流體力學問題進行實驗的過程中，主要是針對時間域及空

根據粗放的概念或憑經驗來推斷不同方案中通風效果的優 間域連續的速度場和壓力場。用一系列有限個離散點上的

與劣；然而，在建筑空間和功能越來越復雜的今天。僅憑概 變量值的集合來代替，通過一定原則建立起關于這些離散

念而不作深入驗證顯然已不能適應形勢的要求．例如張拉 點上場變量之間關系的代數方程組，然后求解代數方程組

膜建筑近年在國內應用相當廣泛，其形態一般是曲面如錐 獲得場變量的值閉。其結構為：數值方法求解非線性聯立的

形或鞍形，與常見規正形態的結構相比其建筑風場比較復 質量、能量、動量等微分方程組，即流體動力學控制方程Ｎ一

雜，難以憑經驗估算，但是由于其屬于對風比較敏感的柔性 Ｓ方程，將流體的物理空間映射為上述三個流動基本方程

結構【ｌ】，因此，評估張拉膜建筑的風環境有很明確的實際價 控制下的數值空間，通過這種數值模擬，得到三維空間上各

值。國外近年對此研究較多，但取得的進展也較多局限于試 個位置上的速度、壓力、溫度等的分布，以及這些物理量隨

驗范疇。而國內則相對處于起步階段。 時間的變化情況。

如何驗證設計方案中建筑空間內外的空氣流動風場， 對流體力學各類本構方程與封閉模型的求解基本不依

涉及到流體力學理論。流體力學理論相當復雜，建筑領域也 靠解析方法，而選擇常見的數值計算方法如有限元、有限差

不是它重點的應用領域，通常對于形態復雜的建筑，當風場 分或有限體積法。

設計很關鍵時，會考慮做模型的風洞試驗，但是代價昂貴， 這些數值計算方法的計算機程序編制比較復雜，但目

不僅不利于多方案比較．試驗模型縮尺后的邊界效應也會 前有不少流體力學分析工作可以借助商業ＣＦＤ軟件來進

產生誤差，對于國內的現實條件而言，難以在建筑設計領域 行．這些軟件包括ＦＬＵＥＮＴ、ＰＨＯＥＮＩＣＳ、ＣＦＸ和ＳＴＡＲ—ＣＤ

推廣并讓空氣流場的分析評估工作走近普通設計人員；然 等。但無論是自編程序還是應用現成軟件，依靠ＣＦＤ獲得

而，與此相對應，目前已趨于成熟并能在工程中實際應用的

【收稿［３￣］１２００５－０９－１５

計算流體動力學（ＣＦＤ）則可以大顯身手。

【作者簡介】方立新，東南大學建筑學院，副教授，博士。