网架设计软件STADS的计算风工程开发——风压分析

王世方，王孟鸿

(北京建筑大学 土木与交通工程学院， 100044 北京)

众所周知，对于体型复杂的结构形式，风洞试验是确定结构表面体型系数的可行方法。随着计算机技术的提高和软件功能的不断完善，数值风洞成本低、周期短、效率高，并且不受模型尺度的影响，目前已成为风洞试验的辅助工具，将逐步替代传统风洞试验进行风压分析[1]。

网架结构的形式为了适应使用功能的需要，结构形式千变万化，规范的体型系数很难囊括，往往需要通过风洞试验确定结构的体型系数，进而进行风荷载的计算和设计[2]。常规的做法是委托有风洞实验室的单位进行风洞试验确定，或者运用FLUENT软件进行模拟计算，并以分块体型系数的形式提供给设计单位进行风荷载计算和网架的结构设计。前者模型试验周期较长、费用高，而后者则存在2个方面繁杂的工作：其一需要大量的建模工作，也就是前处理阶段，其二是荷载施加工作。由于网架结构杆件和节点众多，常规的加载一般是由软件自动计算的，风洞数据和网架软件的脱节，无疑增加了大量的手工输入工作，并且也容易发生数据输入错误。

本文的接口程序设计工作则在网架原有模型的基础上，通过菜单运行和参数控制的方法完成了STADS网架模型与FLUENT软件的接口问题，能够完成模型转换、风压(系数)的自动读取和加载工作，加快了程序运行，避免了大量手工输入带来的数据错误。

1 STADS与ICEM的连接

本文运用ICEM CFD的前处理程序，将STADS网架模型直接导入ICEM CFD中，主要包括如下几步完成。

1.1 STADS到ICEM CFD模型转化

ICEM CFD的模型是由点、线、壁面组成的，原则上可以由网架网格的节点和杆件形成，考虑到大型网架节点众多，增加了网格连通功能，从而形成大的分区[3-4](图1)，减少了FLUENT的计算单元，并且能够保证与原模型的一致性，后续的监控点风压提取以这里的区域划分为标准，每一个区域设置一个壁面，对应一个监控点和风压系数。

图1 网架风压分区Fig.1 Wind pressure zoning of grid structure

1.2 流体域的定义

通过选择合理的计算域，可以提高模拟的精度，提高计算效率[5-6]，流体域的选择主要考虑如下2个方面的因素：

1.2.1 阻塞率

考虑到流域横截面的大小对建筑物的影响，要求数值模拟中的阻塞率在3%以下。

1.2.2 建筑物在流体域中的摆放位置

流域除满足阻塞率要求外，还应考虑建筑物布局。若很靠近入流面，空间较小，使湍流不能充分发展，不利于数值模拟的精度。如果建筑物和出流面之间的预留空间不足，使出流面还处在湍流没有完全发展的回流区域中，导致较大误差。根据研究结果[7]，计算域取值如下：

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

(1)

式中：B为流体域宽度；L1为建筑物到入流面的距离；L2为建筑物到出流面的距离；H为流体域高度；l(x)、l(y)、l(z)分别为建筑物x、y、z方向的长度。

程序自动计算结构的长、宽和高，以对话框的形式提供给使用者修改使用(图2)。

图2 流体域设置Fig.2 Fluid domain setting

1.3 网格划分

网格类型分为结构化网格、非结构化网格。结构化网格的节点、单元关系明确，分布整齐有序，划分需要较大工作量，计算精度高。非结构化网格的节点、单元分布自由，无次序要求，每个空间区域可划分为三角形或四面体单元。由于非结构网格适应性好，对任何空间区域大都可以直接划分网格，在复杂结构中得到广泛应用。因本文建筑体型复杂，采用非结构化网格进行网格划分，网格类型选择Tetra/Mixed，提高网格质量的方法如下：

1.3.1 设置全局网格参数

一般情况下取最小尺寸的1/10。程序可以自动搜索网格大小，并以此规则初步计算最大网格：Max element。

1.3.2 定义Part的网格尺寸

设置局部最大值，加密建筑物表面。上述参数经初步计算后在STADS中以对话框的形式提供给用户修改使用(图3)。

图3 网格划分设置Fig.3 Mesh division setting

1.3.3 网格质量检查与光顺化

对在ICEM中生成的非结构化网格进行质量检查，设置光顺迭代次数和光顺化网格的目标质量，利用光顺化功能提高网格质量。

上述所有工作根据ICEM的脚本语言以及函数格式通过C语言编程嵌固在STADS软件之中，通过控制模型参数直接生成第一个文件：“文件名-1_ICEM_ Import_Model.rpl”，在ICEM CFD中直接读入，从而省去了大量的数据建模前处理工作，并能够保证与原网架模型的一致性。

1.4 网格输出

在ICEM中划分完网格之后，将网格文件导出成一个FLUENT可读的文件。如图4所示，手动选择ANSYS FLUENT求解器。

图4 选择求解器界面Fig.4 Select solver interface

2 STADS与FLUENT的连接

在FLUENT运行阶段，主要进行了3个方面的开发工作：利用UDF定义入流面边界条件；定义边界条件；定义参数设置与监控点。

2.1 利用UDF定义入流面边界条件

2.1.1 平均风速剖面

平均风速沿高度变化的规律即平均风速剖面。一般用对数律或指数律表示，本文选用指数律[8]的表达式：

(2)

式中：α为系数，表示地面粗糙度指数；UZ为Z高度处的平均风速，Z为任意离地高度；U0为平均风速，其标准参考高度Z0，国内高度取10 m。

2.1.2 湍流强度

各国规范给出了顺风向湍流强度相应的经验公式。我国荷载规范[9]给出的公式为：

(3)

式中：Iu表示Z高度处湍流强度；I10表示10 m高处名义湍流度。

日本规范[10]建议的湍流强度，计算公式如下所示：

(4)

式中：Zb为参考高度；ZG为梯度高度。其相应的建筑场地条件见表1。

2.1.3 湍流积分尺度

湍流积分尺度可以用旋涡的平均尺寸来度量。

表1 日本规范中的建筑场地条件Tab.1 Building site conditions in Japanese code

根据欧洲规范[11]，其经验公式为：

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

(5)

根据日本规范[10]，其经验公式为：

(6)

式中:l为湍流积分尺度。

2.1.4 湍动能及耗散率

计算湍动能及耗散率的公式为：

(7)

式中：k为湍动能；ε为湍流耗散率；Cμ是计算的系数，通常情况下可取0.09。

本节的功能通过菜单控制变量自动生成C语言解释程序“文件名-2_FLUENT_Generating_User_ Defined_Function.cpp”以备调用，湍流强度模型可以选择中国标准(式3)和日本模型(式4)。

2.2 定义边界条件

1) 计算流域入流面选用速度入口边界条件(Velocity-Inlet)。使用UDF加载。

2) 出口是完全发展出流边界条件(Outflow)。

3) 计算流域顶部和两侧采用对称边界条件(Symmetry)。

4) 建筑物表面和地面选用无滑移的壁面条件(Wall)。

湍流模型采用雷诺平均法中的 RNGk-ε模型[12]。

2.3 定义参数设置与监控点

采用SIMPLEC算法，配合二阶迎风离散格式进行求解计算[13],在计算过程中，对建筑物表面的平均压力进行监测；非定常计算时，将建筑物的节点设置为监控点。

选择标准初始化方式从入口(Inlet)开始计算，在这一部分将建筑物表面的平均压力设定为监视值，根据残差曲线、监控值趋势来判断结果的收敛情况，可手动停止计算。

该部分功能程序根据菜单的控制变量自动生成“文件名-3_FLUENT_Set_Parameters.jou”文件，并通过运行该部分文件来完成。

3 风压系数的计算与荷载文件的生成

3.1 风压监控点的提取

为便于结构设计应用，根据风压分布规律顺等压线走向划分区域，风压梯度大的地方划分区域较小，风压梯度小的地方划分区域较大。根据简化分区模型，同时考虑到计算效率，壁面中心节点处风压即可代表该分区壁面风压值。选取每一个分区壁面的中心点作为风压控制点，程序自动形成提取节点坐标文件“文件名-4_FLUENT_Computational_Results_of_Pressure.jou”，运行该文件形成风压文件“文件名-6_pressure_Z.txt”，用于下一步风压系数的计算。

3.2 风压系数计算

在STADS软件中，通过加载菜单，自动读取“文件名-6_pressure_Z.txt”，按照FLUENT计算结果施加风荷载，通过以下公式计算[14]：

(8)

式中：Cpi为测点i的风压系数；P∞为参考点的静压力值，选用建筑物最高处远前方的某点为参考点；Pi为测点i的风压值；V∞为参考点的风速。

图5 接口程序流程图Fig.5 Flow chart of interface program

生成风压系数文件：体型系数文件[文件名-7_Pressure_coefficient.txt]，同时可以形成风压系数分布图。接口程序调用流程如图5所示。

4 算例分析

STADS接口程序设计主要完成了模型导入和读取风压加载的功能，通过对话框(图6)控制，程序默认来流风向，通过结构旋转完成不同角度的风压计算，自动生成如下4个运行文件：

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

完成了某电厂277 m×186 m筒壳型网架的风压计算，考虑了每隔30度的风压荷载共12种风向，图7显示了网架模型，图8显示了0度风向角的各分块体型系数分布图。

图6 算例参数设置Fig.6 Example parameter setting

图7 网架模型Fig.7 Grid model

图8 0度风向角分块体型系数Fig.8 Block figure coefficient at 0 degree wind direction angle

5 结论

该接口程序设计，通过对ICEM和FLUENT的脚本命令进行整理和归纳，在STADS中用C语言进行编程，实现对风压计算软件主体的控制，为相关接口程序设计提供依据。

STADS借助FLUENT软件完成了复杂体型网架结构的风压计算功能，模型转换节省了建模的繁杂工作，分区设置监控点并通过运行jou文件提取多点风压，减轻了监控点设置及提取过程的工作量，并增加了风压系数计算以及自动依据计算风压对结构施加风荷载的功能。从而使设计软件对复杂体型网架结构的风压计算成为可能，同时可以为网架结构抗风设计提供参考。

有些问题仍然还有待进行深入分析，比如：对于具有一定厚度的结构和开敞结构，涉及局部网格需要细化处理，非结构网格则显得不够细腻，采用结构化网格的精细划分的自动处理仍然有待做深入的分析，这些将在今后的工作中做更加细致的分析。