均方误差 建模和模拟在工程 1687 - 5605 1687 - 5591 Hindawi 10.1155 / 2018/6524945 6524945 研究文章 位于建筑风压系数模型的建模 http://orcid.org/0000 - 0002 - 6025 - 266 x Mallick 蒙娜丽莎 1 http://orcid.org/0000 - 0001 - 9335 - 6214 Mohanta Abinash 1 http://orcid.org/0000 - 0003 - 3385 - 1875 库马尔 Awadhesh 2 http://orcid.org/0000 - 0002 - 8261 - 6460 拉吉 Vivek 3 首歌 Aiguo 1 博士学位的学者 土木工程学系 Rourkela研究所技术 Odisha 印度 nitrkl.ac.in 2 教授 土木工程学系 Rourkela研究所技术 Odisha 印度 nitrkl.ac.in 3 米科技学者 土木工程学系 Rourkela研究所技术 Odisha 印度 nitrkl.ac.in 2018年 2 12 2018年 2018年 22 08年 2018年 08年 11 2018年 2 12 2018年 2018年 版权©2018蒙娜丽莎Mallick et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

设计的建筑物正在改变与新兴的要求几个审美特性和高效的基于几何设计。新的建筑材料和施工技术的发展使我们能够建立新的建筑高和不对称,但不幸的是这种结构更容易受到风载荷。因此有必要估计风荷载与更高程度的信心。虽然充足的风荷载信息对称和常规结构可在各种国际代码,他们缺乏风力的影响的研究力量不对称结构。介绍了实验和数值研究常用的c形建筑风的影响与不同长宽比及其优化入射角的改变引起的。此外,通过数值分析结果与实验验证。在这项研究中,使用ANSYS数值分析进行了流利的 k- - - - - - ε湍流模型。计算流体动力学(CFD)技术是用来评估模型的各种脸上表面压力的攻角0°- 180°的间隔30°亚音速风洞开路。结果发现了CFD技术与实验结果相比,这表明使用这种技术的可行性预测风压力建立有效和准确。

 Rourkela研究所技术 1。介绍

逐渐增加的需求高,不对称的建筑与有效的几何设计和规划未来有远见的和科学的估计需要各种各样的力量。风力是其中之一,起着关键作用的不对称的建筑。土地短缺和需求良好的审美观点,迫使我们建立非传统plan-shaped建筑。虽然充足的风荷载信息对称结构(传统plan-shaped结构)可以在各种国际代码,例如,是:875(第3部分):1987(代码的练习对风载对建筑和结构)( 1),没有这样的直接引用可用于不规则plan-shaped结构。不对称的效果更为重要和高结构由于涡旋脱落引起的动态响应和飞奔。在负荷作用于建筑中,风荷载是相当难以预测的。然而,计算机程序的演化结构分析了风压的预测相对容易设计建筑适合任意给定的一组应用负载。

虽然现在一天非传统型计划形状是非常普遍的建筑配置,实验以及数值数据等形状不同的风的方向是非常有限的。各种文献提供高风压的影响的研究和不规则形状的建筑物。帕特森和Apelt 2)第一次提出了风流动的研究计算三维建筑物的数值分析,发现准确的结果对于一些风流过简单三维建筑物。郭( 3)进行了风洞模型试验分析建筑形状的影响对高层建筑的风致响应一个矩形截面。后来,Stathopoulos和周 4)提交的论文,显示了湍流风压力的数值预测建筑表面尖角的直角为不同的入射角。Miyashita et al。 5]介绍了影响削减和开口在高层广场建筑的角落。李等人。 6)所描述的结果测量风的影响在两个高楼大厦30层楼高70层,分别。戈麦斯et al。 7]研究了l型的压力分布和u形建筑模型在不同入射角。Chakraborty et al。 8]显示,压力感应“+”plan-shaped高楼广泛不同的广场plan-shaped高楼。阿明和Ahuja 9]提出的影响比对矩形建筑风压分布。Dagnew et al。 10)集中在数值分析高层建筑的风压力通过英联邦咨询航空委员会(CAARC)建筑模型。作者应用CFD技术预测风荷载CAARC形状不规则的模型。Chakraborty et al。 11)提出的一项研究显示不规则plan-shaped建筑都受到不同的压力分布,相比常规plan-shaped建筑后分布。咦,李 12]在一座高楼在香港进行了实验和风洞模型试验来解释力和压力系数和高频的平衡。风洞试验的结果被认为是相当与一个完整的模型试验。李等人。 13)也进行了风洞试验L-plan-shaped高楼风量化动态加载。他们提出了一个经验公式,考虑建筑的比例和领土表达风荷载。Bhattacharyya和Dalui 14]调查意味着风压力E-plan-shaped高楼和比较实验结果与利用CFD数值分析。他们比较他们的结果通过绘制压力轮廓在所有表面使用实验使用CFD分析以及预测的值。为了更好的比较结果,傅里叶级数展开得到使用实验数据并与实验数据和计算流体动力学分析。李等人。 15]研究了最近的一些努力在中国可信计算流体动力学模拟。Chow et al。 16)研究通过CFD模拟烟雾填大大厅。Mohanta和智利的 17CFD模拟)用于研究流场分布收敛复合通道LES湍流模型。

在目前的研究中,数值以及实验分析进行了不规则形状,即。,位于建筑的风迎角0°- 180°的间隔30°。ANSYS流利的使用领域和研究风流数值模型,并利用风洞实验数据获得。本文的主要目的是评估风压的变化在不同的c形模型由于风的变化角度和建筑物的长宽比(高度)通过实验分析和数值分析,这些结果验证。验证的结果是必要的,因为没有直接参考风压在不规则形状的建筑可以计算。因此,有必要比较实验和数值数据。

 2。实验装置 2.1。实验和模型的细节

实验是在一个开放的电路进行亚音速风洞空气动力学实验室的航空航天工程系,印度理工学院Kharagpur,印度。风速保持不变在12.9 m / s。风洞的底面由胶合板、测试部分长1.83米,横截面的尺寸0.61米×0.61米。模型被放置在边界层区域,集中在测试部分的距离1.2米从一开始的测试部分。确定模型在边界层区域,木制立方25毫米大小的块,和清晰的间隔50 mm四面八方都是固定在一个4毫米厚胶合板表如图 1。

风洞的示意图。

实验模型由透明有机玻璃表3毫米的厚度。两个位于模型的细节,如颈- 1和c - 2不同高度的比例配置,如图 2(一个)- - - - - - 2 (c)鉴于在表 1。图 3位于建筑模型的代表照片放置在测试部分。

(a - c)颈- 1的等距视图-和C-2-shaped建筑模型和压力表接头位置模型的外围。

建筑模型与不同纵横比的细节。

Sl。不。 整体深度, D(毫米) 深度, d(毫米) 整体的宽度, B(毫米) 宽度、 b(毫米) 高度, H(毫米) 计划区域,(毫米2) 曲率半径, R(毫米)
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8)
颈- 1 120年 90年 120年 60 70年 11613年 30.
c - 2 120年 90年 120年 60 60 11613年 30.

位于建筑模型在测试部分的照片。

模型是配备了90年到120年数字压力表接头点在4 - 5行3 - 5列的表面。压力表接头点保持在少间隔墙边界附近利用锋利的压力变化由于流动分离和更大的间距中间的表面。

在实验的自由流速度测量的帮助下皮托管。模型是配备了90年到120年数字压力表接头点在4 - 5行3 - 5列的表面。压力表接头点保持在少间隔墙边界附近利用锋利的压力变化由于流动分离和更大的间距中间的表面。自由结束的管道连接到数字传感器阵列(DSA)记录相应的脉动风压开发点。所有数据由DSA扫描测量阀门公司,美国3217/16模型DSA痘。这个DSA设备将给平均5 s的压力持续时间。同时,更大的精度,压力测量在每个抽头点重复了三遍,并得到了三个压力数据的均值。压力系数 C P 为每个抽头点计算通过将压力数据在以下方程如下: (1) C P = P − P ∞ P 0 − P ∞ , 在哪里 p =平均压力试验得到的数据, P ∞ =参考的静压管 P 0 在沉降室=总压强。

 3所示。数值模拟

数值模拟进行了在这项研究中使用ANSYS流利使用计算流体动力学(CFD)技术,基于控制体积法。RNG k − ε 模型是用来模拟湍流的影响。RNG模型利用重整化群(RNG)方法解决navier - stokes方程,考虑到小尺度运动的影响。RNG方法是数学技术,可以用来获得一个类似于湍流模型 k − ε 模型。Bhattacharyya和Dalui 18研究风力和不对称的表面压力系数e型建筑使用CFD软件ANSYS排名。他们使用两个方程 k-ε湍流模型模拟他们的作品提供一个好的数值努力和计算精度之间的妥协。耶拿等( 19五边形)提出了数值研究干扰影响高层建筑和分析进行变现 k − ε 模型。Swaddiwudhipong和汗 20.)利用CFD研究高层建筑的风致动力响应。两个广泛使用的湍流模型之间的比较研究,即。,莱斯和 k-εReynolds-average n - s模型已经由程et al。 21]。Villalpando et al。 22]研究了流动模拟湍流模型的风力涡轮机周围NACA 63 - 415翼型在不同攻角。RNG重正化群模型包含在标准的修改 k-ε( 22)模型,它可提高其性能。田( 23)提出了一个新的评估技术,风力涡轮发电机使用CFD设计基于模型的非定常流模拟与风向的变化。

它有利于使用( k − ε )湍流模型中最常用的计算流体动力学(CFD)。它模拟意味着对湍流条件下的流动特性。这是two-equation模型给出了一个通用的描述湍流通过两个传输方程。

第一个变量决定了动荡和能源运输被称为湍流动能( k )。

第二个变量是湍流耗散运输( ε ),这决定了湍流动能耗散率。

的 k − ε 湍流模型是有限的充分发展湍流和nonseparated流。它可以稳定问题由于数值刚度。这个模型仍然广泛使用,尽管它的缺点。这表现为复杂的流动涉及严重的压力梯度,分离,和强大的流线曲率。RNG湍流产生低水平,低估的价值 k 。这产生一个少粘性流创建更现实的流动特性复杂的几何形状。

3.1。数值分析

数值分析,模型创建了不同纵横比的c形建筑在ANSYS分析使用 k − ε 湍流模型。ANSYS(流利)使用有限元法求解控制方程,即,the region of interest is divided into the finite number of cells (the mesh or grid).

数据在数值分析认为:

类型的流体:空气

空气密度:1.225公斤/米3

空气的粘度: 1.789 × 10 − 5 公斤·s / m

湍流模型: k − ε 模型

解决:pressure-based

3.2。域和啮合

域尺寸如图 4(一)和 4 (b)被认为是在因特网中提到et al。 24]。上游侧是5 h的脸,下游一侧作为15 h的脸,两个侧间隙的域是作为5 h的建筑,和顶部间隙也作为5 h从建筑物的顶面。这样的大尺寸域有助于涡生成的背风一侧的建筑,和回流的风也可以预防的。

(a, b)计划和高程域。

有限体积离散化方法用于离散化整个域分离风流,升流和向下运动机制会发生类似于实验研究。位于模型的离散化(啮合)如图 5。

位于模型的啮合。

 3.3。边界条件

完成数值模拟和仿真,有几个边界条件考虑。流动参数的入口、出口墙和表面需要被考虑。入口的流动速度是12.9米/秒,同样的速度提供了实验过程,这样的结果可以比较。在入口流速沿着积极的 X方向。

 4所示。结果与讨论 4.1。风的流动模式

压力变化的建筑是直接受风力流型的影响。涡生成和分离流等不同类型的机制,逆风,顺风发生由于风流动的动态行为。调查这样的机制更准确地说,位于建筑周围的风流动模式正在研究不同角度的发生率不同,从0°- 180°30°的间隔使用CFD技术。流型对不同角度的发病率数据所示 6(一)- - - - - - 6 (e)。

风流型对不同入射角度。(一)0°。(b) 30°。(c) 60°。(d) 90°。(e) 180°。

风直接影响面对风力入射角0°- 180°C,分别对垂直轴压力分布是对称的,和漩涡生成后地区也是对称的情况下(图 6)。

 4.2。压力系数的变化

压力系数的研究是必要的在每一个风激励下unconventional-shaped建筑设计。Chakraborty et al。 11),慕克吉et al。 25]分析了临界压力系数可能不会发现风垂直于入射角度。出于这个原因,详细研究风压变化需要对风入射角度。

 4.3。实验结果

压力等高线绘制每入射角不同的面孔。一些压力等高线图所示 7和 8分别对所有的面孔。同时,平均压力系数的所有面临数据所示 9(一个)和 10 ()。

等压线不同面孔的颈- 1模型在不同风角度。(一)面临90°。(b)面对b 45°。(c)面临0°c。(d)面对G 90°。(e)面对H 180°。(f)的脸我90°。

c - 2模型的压力等值线在不同的面孔在不同风角度。(一)面临90°。(b)面对b 45°。(c)面临0°c。(d)面对G 90°。(e)面对H 180°。(f)的脸我90°。

平均压力系数对所有的脸颈- 1模型。(一)实验研究。(b)数值研究。

平均压力系数c - 2模型的脸。(一)实验研究。(b)数值研究。

数据 7和 8显示平均压力系数模型的轮廓的脸上颈- 1和c - 2风入射角度为0°- 180°的间隔30°。风力入射角0°,面对一个平行于风流动方向,和C的正面垂直于流动的方向。面临G H,和我内心的迎风面。在面对一个,最大负的 C p 发生在右侧和最低的左边侧面图 7(一)。图 7 (b)表明,最大压力出现在左边和右边的最小曲率部分(B)面临由于风的流动分离流动。在图 7 (c),面对C与风向垂直,最大的正压发生在脸的中部和最小压力边缘双方由于曲率和边缘效应。内心的迎风面G和我有类似的流模式(数据 7 (d)和 7 (e))。负压降低向边缘。类似地,c - 2的平均压力系数轮廓形状的模型显示在图 8。

 4.4。数值结果

压力变化和平均压力系数的颈- 1和c - 2模型的面孔也详细研究了数值CFD对不同入射角度。它可以清楚的看到,数值预测压力轮廓聚合和预测实验结果。但非常少的平均压力系数的变化对实验结果(数据 9和 10)。

 4.5。误差分析

误差分析也是由获得平均百分比误差(我),标准偏差(SD),确定系数( R2),平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)和平均绝对百分比误差(日军)[ 26, 27]。预测的平均误差百分比 C p 通过各种模型及其标准偏差图所示 11。表 2和 3显示目前的实验数据的误差分析与不同面孔的颈- 1和c - 2模型。所有的预测 R2值接近0.99也很好拟合其他数据和RMSE值在允许的限度内对所有的面孔。更好的结果有关误差分析显示位于模型实际应用的可接受性。

的平均误差百分比为不同的面孔。

预测的误差分析 C p 颈- 1的模型。

的脸 R2 美 RMSE 日军
一个 0.99 0.234 0.238 −9.212
B 0.86 0.232 0.241 −7.812
C 0.99 0.178 0.182 −6.739
G 0.83 0.208 0.210 −18.488
H 0.87 0.211 0.212 −21.818
我 0.86 0.200 0.200 −15.976

预测的误差分析 C p c - 2的模型。

的脸 R2 美 RMSE 日军
一个 0.95 0.223 0.228 −11.369
B 0.92 0.196 0.197 −3.718
C 0.95 0.198 0.198 −21.524
G 0.95 0.096 0.099 −6.717
H 0.96 0.094 0.128 −14.053
我 0.89 0.195 0.197 −13.872
5。结论

当前的研究表明,压力诱导模型构建显著影响模型几何、配置、纵横比、入射角。总结了本研究的重要结果如下:

平均压力系数是本研究的主要目的。最大的正面积极的平均压力系数出现在C和最大负压发生在模型的内表面。

位于脑部的研究进行了模型实验以及数值使用风洞试验和计算流体动力学技术,分别。

压力变化的建筑是直接受风力流型的影响。

涡生成和分离流等不同类型的机制,升流,向下运动发生是由于风流动的动态行为。

的预测值误差分析是衡量四个等精度测量程序 R2值,平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)和平均绝对百分比误差(日军)。它是观察到所有的错误都是在允许的限度内。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

 确认

作者表达深深的感激之情的航空航天工程系,印度理工学院Kharagpur,印度为允许,提供设施来进行实验。作者也感谢土木工程部门负责人NIT Rourkela,和国家技术Rourkela研究所的支持。

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