基于CFD的疏透型廣告牌風(fēng)效應(yīng)多維度解析與優(yōu)化策略研究一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展的時(shí)代，戶(hù)外廣告牌作為一種重要的廣告宣傳載體，在城市街道、高速公路、商業(yè)中心等場(chǎng)所隨處可見(jiàn)，其不僅為企業(yè)和品牌提供了展示平臺(tái)，也成為城市景觀的一部分。然而，隨著極端天氣事件的增多，強(qiáng)風(fēng)對(duì)戶(hù)外廣告牌的安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。在大風(fēng)天氣中，戶(hù)外廣告牌因承受巨大的風(fēng)荷載而出現(xiàn)整體傾覆、面板與骨架連接部位損壞、面板加勁肋斷裂等情況屢見(jiàn)不鮮。這些事故不僅導(dǎo)致廣告牌自身的損毀，造成經(jīng)濟(jì)損失，更嚴(yán)重的是可能對(duì)行人、車(chē)輛以及周邊建筑物等造成傷害，給人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)巨大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)的戶(hù)外廣告牌多采用實(shí)體面板結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)風(fēng)作用下，其迎風(fēng)面會(huì)承受較大的風(fēng)壓。為了增強(qiáng)廣告牌的抗風(fēng)能力，往往需要加大支撐結(jié)構(gòu)的尺寸和強(qiáng)度，這不僅增加了材料成本和施工難度，還可能對(duì)城市景觀的協(xié)調(diào)性產(chǎn)生一定影響。疏透型廣告牌作為一種新型結(jié)構(gòu)，通過(guò)在面板上開(kāi)孔，改變了廣告牌與風(fēng)的相互作用方式，在一定程度上減小了風(fēng)荷載，為解決戶(hù)外廣告牌抗風(fēng)問(wèn)題提供了新的思路。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)是一門(mén)通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法求解流體力學(xué)控制方程，以模擬流體流動(dòng)現(xiàn)象的學(xué)科。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，CFD技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的風(fēng)洞試驗(yàn)相比，CFD技術(shù)具有成本低、周期短、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，能夠方便地對(duì)不同工況下的廣告牌風(fēng)效應(yīng)進(jìn)行模擬分析，獲取廣告牌表面風(fēng)壓分布、基底剪力、傾覆力矩等關(guān)鍵參數(shù)，深入揭示廣告牌與風(fēng)的相互作用機(jī)理。本研究基于CFD技術(shù)對(duì)疏透型廣告牌風(fēng)效應(yīng)展開(kāi)研究，具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。從理論層面而言，通過(guò)CFD模擬，可以精確分析不同疏透率和開(kāi)孔分布形式對(duì)廣告牌風(fēng)荷載的影響規(guī)律，豐富和完善廣告牌風(fēng)工程的理論體系，為進(jìn)一步研究廣告牌結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能提供理論依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用方面，研究成果能夠?yàn)槭柰感蛷V告牌的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供科學(xué)指導(dǎo)，幫助設(shè)計(jì)人員優(yōu)化廣告牌結(jié)構(gòu)，合理選擇疏透率和開(kāi)孔分布形式，在保證廣告牌安全性的前提下，降低材料消耗和建設(shè)成本，提高廣告牌的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。同時(shí)，也有助于制定更加科學(xué)合理的戶(hù)外廣告牌抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)戶(hù)外廣告牌在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下的安全性，有效減少因廣告牌倒塌等事故帶來(lái)的生命財(cái)產(chǎn)損失，為城市的安全運(yùn)行和可持續(xù)發(fā)展提供保障。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在廣告牌風(fēng)效應(yīng)研究領(lǐng)域，國(guó)外起步相對(duì)較早，積累了豐富的理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。早在20世紀(jì)中葉，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的初步興起，一些歐美國(guó)家就開(kāi)始嘗試?yán)脭?shù)值方法對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載進(jìn)行分析。例如，美國(guó)率先將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于橋梁等大型結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)研究，為后續(xù)廣告牌風(fēng)效應(yīng)研究奠定了基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)研究方面，歐洲各國(guó)依托先進(jìn)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，對(duì)不同類(lèi)型的廣告牌進(jìn)行了大量風(fēng)洞試驗(yàn)。通過(guò)在風(fēng)洞中模擬真實(shí)風(fēng)場(chǎng)條件，測(cè)量廣告牌表面的風(fēng)壓分布、基底剪力和傾覆力矩等關(guān)鍵參數(shù)，深入探究廣告牌在風(fēng)作用下的力學(xué)行為。其中，德國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，廣告牌的風(fēng)載體型系數(shù)不僅與廣告牌的形狀、尺寸有關(guān)，還受周?chē)h(huán)境的影響顯著，這一成果為廣告牌的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供了重要參考。隨著CFD技術(shù)的逐漸成熟，國(guó)外學(xué)者將其廣泛應(yīng)用于廣告牌風(fēng)效應(yīng)研究。英國(guó)的學(xué)者利用CFD軟件對(duì)復(fù)雜地形下的廣告牌風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行模擬，詳細(xì)分析了山體、建筑物等障礙物對(duì)廣告牌風(fēng)荷載的影響，發(fā)現(xiàn)地形的起伏和周邊建筑物的布局會(huì)改變風(fēng)的流動(dòng)方向和速度，進(jìn)而導(dǎo)致廣告牌局部風(fēng)壓顯著增大。日本的研究人員則通過(guò)CFD模擬，對(duì)比了不同開(kāi)孔形式和疏透率的廣告牌在風(fēng)作用下的性能，提出了優(yōu)化廣告牌結(jié)構(gòu)以減小風(fēng)荷載的方法，為新型廣告牌的設(shè)計(jì)提供了新思路。此外，國(guó)外還開(kāi)展了基于風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD模擬結(jié)果的廣告牌抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范的制定工作，如美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)（ASCE）制定的相關(guān)規(guī)范，明確了不同類(lèi)型廣告牌的風(fēng)荷載計(jì)算方法和抗風(fēng)設(shè)計(jì)要求，對(duì)保障廣告牌的安全性起到了重要作用。在國(guó)內(nèi)，廣告牌風(fēng)效應(yīng)研究雖然起步較晚，但發(fā)展迅速。早期的研究主要集中在對(duì)廣告牌破壞案例的調(diào)查和分析上。通過(guò)對(duì)大風(fēng)天氣下廣告牌倒塌、損壞等事故的現(xiàn)場(chǎng)勘查，總結(jié)出廣告牌破壞的主要形式和原因，為后續(xù)的理論研究和設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了實(shí)際依據(jù)。例如，在一些沿海地區(qū)，臺(tái)風(fēng)頻繁來(lái)襲，廣告牌的破壞現(xiàn)象較為嚴(yán)重，研究人員通過(guò)對(duì)這些地區(qū)的廣告牌破壞情況進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)廣告牌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、連接部位強(qiáng)度不足以及基礎(chǔ)錨固不牢是導(dǎo)致破壞的主要因素。隨著CFD技術(shù)在國(guó)內(nèi)的普及，越來(lái)越多的學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)開(kāi)始運(yùn)用該技術(shù)對(duì)廣告牌風(fēng)效應(yīng)進(jìn)行研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)借助CFD軟件Fluent，對(duì)獨(dú)柱支承廣告牌的表面風(fēng)壓進(jìn)行了數(shù)值模擬，深入分析了廣告牌在不同來(lái)流方向角下的風(fēng)壓分布規(guī)律，得到了結(jié)構(gòu)的總體平均和局部風(fēng)壓系數(shù)，并給出了風(fēng)致剪力和扭矩的計(jì)算表達(dá)式。河北工程大學(xué)的郭鍇等人利用CFD前處理軟件Gambit建立了三維數(shù)值模型，對(duì)疏透型廣告牌進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，研究了疏透率和開(kāi)孔分布形式對(duì)廣告牌風(fēng)荷載的影響，發(fā)現(xiàn)疏透型廣告牌相比傳統(tǒng)獨(dú)立柱廣告牌可以降低迎風(fēng)面面板風(fēng)壓、基底剪力和傾覆力矩的大小，為新型廣告牌的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。此外，國(guó)內(nèi)的一些高校和科研機(jī)構(gòu)還開(kāi)展了CFD模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的研究，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證CFD模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步完善了廣告牌風(fēng)效應(yīng)的研究方法。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在廣告牌風(fēng)效應(yīng)及CFD應(yīng)用研究方面取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處。一方面，目前對(duì)于廣告牌的風(fēng)效應(yīng)研究多集中在規(guī)則形狀和簡(jiǎn)單工況下，對(duì)于復(fù)雜形狀、特殊安裝位置以及多種環(huán)境因素耦合作用下的廣告牌風(fēng)效應(yīng)研究相對(duì)較少。例如，對(duì)于異形廣告牌、設(shè)置在山頂或峽谷等特殊地形的廣告牌，以及同時(shí)受到風(fēng)、雨、雪等多種荷載作用的廣告牌，其風(fēng)荷載的計(jì)算和抗風(fēng)性能的研究還不夠深入。另一方面，CFD模擬中湍流模型的選擇和參數(shù)設(shè)置對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性影響較大，但目前尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和方法，不同的研究者采用不同的湍流模型和參數(shù)，導(dǎo)致模擬結(jié)果存在一定的差異，這在一定程度上限制了CFD技術(shù)在廣告牌風(fēng)效應(yīng)研究中的廣泛應(yīng)用。此外，現(xiàn)有研究在將CFD模擬結(jié)果轉(zhuǎn)化為實(shí)際工程設(shè)計(jì)應(yīng)用方面還存在一定的差距，缺乏具體的設(shè)計(jì)指南和規(guī)范，使得設(shè)計(jì)人員在利用CFD技術(shù)進(jìn)行廣告牌抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)缺乏明確的指導(dǎo)。本文旨在針對(duì)上述不足，深入研究疏透型廣告牌在不同工況下的風(fēng)效應(yīng)，通過(guò)優(yōu)化CFD模擬方法，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，并將研究成果應(yīng)用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)，為疏透型廣告牌的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供更加科學(xué)、完善的理論和技術(shù)支持。1.3研究方法與技術(shù)路線本研究綜合運(yùn)用CFD數(shù)值模擬、理論分析和對(duì)比分析等多種研究方法，深入探究疏透型廣告牌的風(fēng)效應(yīng)。CFD數(shù)值模擬是本研究的核心方法。借助專(zhuān)業(yè)的CFD軟件，如Fluent、ANSYSCFX等，對(duì)疏透型廣告牌周?chē)牧鲌?chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。首先，根據(jù)實(shí)際廣告牌的尺寸、形狀和安裝條件，在軟件中建立精確的三維幾何模型?？紤]到廣告牌的實(shí)際工作環(huán)境，計(jì)算域的選取需足夠大，以確保邊界條件對(duì)模擬結(jié)果的影響可忽略不計(jì)。采用合適的網(wǎng)格劃分技術(shù)，對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在廣告牌表面及附近區(qū)域加密網(wǎng)格，以提高計(jì)算精度。同時(shí)，設(shè)置合理的邊界條件，包括入口風(fēng)速、湍流強(qiáng)度、壓力出口等，準(zhǔn)確模擬實(shí)際風(fēng)場(chǎng)條件。通過(guò)求解流體力學(xué)的控制方程，如連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程，得到廣告牌周?chē)牧鲌?chǎng)信息，包括風(fēng)速分布、壓力分布等，進(jìn)而計(jì)算出廣告牌表面的風(fēng)壓、基底剪力和傾覆力矩等關(guān)鍵參數(shù)。在理論分析方面，基于流體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本原理，對(duì)CFD模擬結(jié)果進(jìn)行深入分析。運(yùn)用邊界層理論、風(fēng)洞試驗(yàn)相似原理等，解釋廣告牌周?chē)鲌?chǎng)的形成機(jī)制和變化規(guī)律。結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)中的材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)知識(shí)，分析廣告牌在風(fēng)荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)，推導(dǎo)風(fēng)荷載與廣告牌結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形之間的關(guān)系表達(dá)式，為廣告牌的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。例如，通過(guò)理論分析確定廣告牌的風(fēng)載體型系數(shù)與疏透率、開(kāi)孔分布形式等因素之間的定量關(guān)系，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供參考。對(duì)比分析方法貫穿于研究的始終。一方面，將CFD模擬結(jié)果與已有的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)比不同工況下的模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，評(píng)估CFD模擬的準(zhǔn)確性和可靠性，分析模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在差異的原因，進(jìn)一步優(yōu)化CFD模擬方法和參數(shù)設(shè)置。另一方面，對(duì)不同疏透率和開(kāi)孔分布形式的疏透型廣告牌的風(fēng)效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析。比較不同工況下廣告牌表面的風(fēng)壓分布、基底剪力和傾覆力矩的大小，總結(jié)疏透率和開(kāi)孔分布形式對(duì)廣告牌風(fēng)荷載的影響規(guī)律，確定最優(yōu)的疏透率和開(kāi)孔分布形式，為廣告牌的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供科學(xué)指導(dǎo)。本研究的技術(shù)路線如下：首先，通過(guò)廣泛的文獻(xiàn)調(diào)研，全面了解國(guó)內(nèi)外廣告牌風(fēng)效應(yīng)及CFD技術(shù)應(yīng)用的研究現(xiàn)狀，明確研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，確定研究目標(biāo)和內(nèi)容。其次，運(yùn)用CAD等繪圖軟件建立疏透型廣告牌的三維幾何模型，并導(dǎo)入CFD前處理軟件，進(jìn)行計(jì)算域的選取、網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置等工作，完成數(shù)值模擬的前期準(zhǔn)備。然后，在CFD求解器中進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到廣告牌周?chē)牧鲌?chǎng)信息和關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行后處理，通過(guò)云圖、曲線等形式直觀展示流場(chǎng)分布和參數(shù)變化情況，并結(jié)合理論分析方法，深入研究疏透型廣告牌的風(fēng)效應(yīng)。最后，將CFD模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)嶋H工程案例進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，將研究成果應(yīng)用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)，提出疏透型廣告牌的抗風(fēng)設(shè)計(jì)建議和優(yōu)化方案。通過(guò)上述研究方法和技術(shù)路線，本研究旨在深入揭示疏透型廣告牌的風(fēng)效應(yīng)機(jī)理，為其抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供科學(xué)、可靠的理論和技術(shù)支持，推動(dòng)廣告牌風(fēng)工程領(lǐng)域的發(fā)展。二、CFD基本理論與關(guān)鍵技術(shù)2.1CFD的基本原理2.1.1流體控制方程CFD的理論根基深植于描述流體運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律的控制方程，這些方程是對(duì)流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中質(zhì)量、動(dòng)量、能量等物理量守恒定律的數(shù)學(xué)表達(dá)，它們相互關(guān)聯(lián)、相互制約，共同構(gòu)成了CFD模擬的核心方程組。連續(xù)性方程，作為質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的具體體現(xiàn)，其基本原理在于描述單位時(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的變化率與通過(guò)微元體表面的質(zhì)量通量之間的關(guān)系。在直角坐標(biāo)系下，其微分形式為：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\frac{\partial(\rhou_i)}{\partialx_i}=0，其中\(zhòng)rho表示流體密度，t為時(shí)間，u_i是速度矢量在i方向的分量，x_i為空間坐標(biāo)。該方程表明，在流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，流入和流出微元體的質(zhì)量差等于微元體內(nèi)質(zhì)量的變化量，確保了整個(gè)計(jì)算域內(nèi)流體質(zhì)量的守恒。在CFD模擬中，連續(xù)性方程是保證模擬結(jié)果物理合理性的基礎(chǔ)，它為準(zhǔn)確模擬流體的流動(dòng)狀態(tài)提供了必要的約束條件。例如，在模擬管道內(nèi)流體流動(dòng)時(shí)，通過(guò)求解連續(xù)性方程，可以確定不同截面處流體的流速和密度分布，從而為后續(xù)的動(dòng)量和能量分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。動(dòng)量方程，又稱(chēng)納維-斯托克斯（Navier-Stokes）方程，是牛頓第二定律在流體力學(xué)中的具體應(yīng)用，用于描述流體動(dòng)量隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律。其矢量形式為：\rho\frac{D\vec{u}}{Dt}=-\nablap+\mu\nabla^{2}\vec{u}+\vec{F}，其中\(zhòng)frac{D\vec{u}}{Dt}表示流體的加速度，由當(dāng)?shù)丶铀俣萛frac{\partial\vec{u}}{\partialt}和遷移加速度(\vec{u}\cdot\nabla)\vec{u}兩部分組成，反映了流體速度隨時(shí)間和空間位置的變化；p為壓力，\mu是動(dòng)力粘度，\vec{F}代表作用在單位體積流體上的體積力，如重力、電磁力等。方程左邊表示單位體積流體動(dòng)量的變化率，右邊各項(xiàng)分別表示壓力梯度力、粘性力和體積力對(duì)流體動(dòng)量變化的貢獻(xiàn)。在CFD模擬中，動(dòng)量方程是求解流體速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的關(guān)鍵方程，通過(guò)求解該方程，可以得到流體在各種外力作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而分析流體與固體邊界之間的相互作用力，如在模擬建筑物周?chē)娘L(fēng)場(chǎng)時(shí)，可通過(guò)動(dòng)量方程計(jì)算風(fēng)對(duì)建筑物表面的作用力，為建筑物的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。能量守恒方程是熱力學(xué)第一定律在流體流動(dòng)中的數(shù)學(xué)描述，用于表征流體微元體內(nèi)能量的變化與通過(guò)微元體表面的能量通量以及外部熱源之間的關(guān)系。其一般形式為：\rho\frac{Dh}{Dt}=\frac{Dp}{Dt}+\nabla\cdot(k\nablaT)+S_h，其中h為比焓，是單位質(zhì)量流體所具有的內(nèi)能和流動(dòng)功之和；T為溫度，k是熱導(dǎo)率，S_h表示單位體積的熱源項(xiàng)，包括化學(xué)反應(yīng)熱、輻射熱等。該方程表明，流體微元體內(nèi)能量的增加等于外界對(duì)微元體做功、熱傳導(dǎo)傳入的熱量以及內(nèi)部熱源產(chǎn)生的熱量之和。在CFD模擬涉及傳熱和能量轉(zhuǎn)換的問(wèn)題時(shí)，能量守恒方程起著至關(guān)重要的作用。例如，在模擬熱交換器內(nèi)的流體流動(dòng)與傳熱過(guò)程中，通過(guò)求解能量守恒方程，可以得到流體的溫度分布和熱量傳遞情況，從而評(píng)估熱交換器的性能和效率。狀態(tài)方程則用于描述流體的熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系，對(duì)于理想氣體，常用的狀態(tài)方程為p=\rhoRT，其中R為氣體常數(shù)。狀態(tài)方程在CFD模擬中主要用于確定流體的密度、壓力和溫度等參數(shù)之間的相互關(guān)系，當(dāng)已知其中兩個(gè)參數(shù)時(shí)，可通過(guò)狀態(tài)方程計(jì)算出第三個(gè)參數(shù)，為其他控制方程的求解提供必要的參數(shù)支持。在模擬可壓縮流體流動(dòng)時(shí)，狀態(tài)方程與連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量守恒方程相互耦合，共同決定了流體的流動(dòng)和熱力學(xué)狀態(tài)。這些流體控制方程是CFD模擬的基礎(chǔ)，它們?nèi)娴孛枋隽肆黧w的物理行為。在實(shí)際應(yīng)用中，由于流體流動(dòng)的復(fù)雜性和多樣性，往往需要對(duì)這些方程進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化和數(shù)值離散處理，以便利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解。不同的簡(jiǎn)化和離散方法會(huì)影響CFD模擬的精度、計(jì)算效率和穩(wěn)定性，因此，選擇合適的數(shù)值方法和模型對(duì)于準(zhǔn)確模擬流體流動(dòng)現(xiàn)象至關(guān)重要。2.1.2湍流模型在實(shí)際流體流動(dòng)中，湍流是一種普遍存在且極為復(fù)雜的流動(dòng)狀態(tài)，其特點(diǎn)是流場(chǎng)中的速度、壓力等物理量在空間和時(shí)間上呈現(xiàn)出不規(guī)則的脈動(dòng)和隨機(jī)變化。在CFD模擬中，準(zhǔn)確模擬湍流對(duì)獲得可靠的結(jié)果至關(guān)重要，而湍流模型則是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵工具。常用的湍流模型基于雷諾平均Navier-Stokes（RANS）方程，通過(guò)對(duì)瞬時(shí)Navier-Stokes方程進(jìn)行時(shí)間平均，將湍流脈動(dòng)項(xiàng)從平均流中分離出來(lái)，引入雷諾應(yīng)力來(lái)描述湍流對(duì)平均流的影響。其中，k-ε模型和k-ω模型是兩種較為經(jīng)典且應(yīng)用廣泛的湍流模型。k-ε模型，全稱(chēng)為湍流動(dòng)能-湍流耗散率模型，基于湍流動(dòng)能k和湍流耗散率\varepsilon的傳輸方程來(lái)模擬湍流。湍流動(dòng)能k方程描述了湍流動(dòng)能的產(chǎn)生、對(duì)流、擴(kuò)散和耗散過(guò)程，其表達(dá)式為：\frac{\partial(\rhok)}{\partialt}+\frac{\partial(\rhoku_i)}{\partialx_i}=\frac{\partial}{\partialx_j}\left[\left(\mu+\frac{\mu_t}{\sigma_k}\right)\frac{\partialk}{\partialx_j}\right]+G_k-\rho\varepsilon，其中G_k表示由平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)，\mu_t為湍流粘性系數(shù)，\sigma_k是湍流動(dòng)能k的湍流普朗特?cái)?shù)。湍流耗散率\varepsilon方程則描述了湍流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能的速率，其形式為：\frac{\partial(\rho\varepsilon)}{\partialt}+\frac{\partial(\rho\varepsilonu_i)}{\partialx_i}=\frac{\partial}{\partialx_j}\left[\left(\mu+\frac{\mu_t}{\sigma_{\varepsilon}}\right)\frac{\partial\varepsilon}{\partialx_j}\right]+C_{1\varepsilon}\frac{\varepsilon}{k}G_k-C_{2\varepsilon}\rho\frac{\varepsilon^{2}}{k}，其中C_{1\varepsilon}、C_{2\varepsilon}為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，\sigma_{\varepsilon}是湍流耗散率\varepsilon的湍流普朗特?cái)?shù)。k-ε模型的優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，收斂速度較快，適用于大多數(shù)高雷諾數(shù)的工業(yè)流動(dòng)，如管道內(nèi)的湍流流動(dòng)、繞流物體的外部流動(dòng)等。然而，該模型也存在一定的局限性，在近壁流動(dòng)和低雷諾數(shù)流動(dòng)中，其預(yù)測(cè)精度較差，對(duì)流動(dòng)分離和復(fù)雜幾何形狀的模擬能力有限。例如，在模擬邊界層流動(dòng)時(shí)，由于近壁區(qū)域的湍流特性與遠(yuǎn)離壁面區(qū)域有很大差異，k-ε模型難以準(zhǔn)確捕捉邊界層內(nèi)的速度分布和湍流結(jié)構(gòu)。k-ω模型，即湍流動(dòng)能-比耗散率模型，使用湍流動(dòng)能k和湍流頻率\omega（比耗散率）來(lái)描述湍流。湍流動(dòng)能k方程與k-ε模型中的類(lèi)似，而湍流頻率\omega方程為：\frac{\partial(\rho\omega)}{\partialt}+\frac{\partial(\rho\omegau_i)}{\partialx_i}=\frac{\partial}{\partialx_j}\left[\left(\mu+\frac{\mu_t}{\sigma_{\omega}}\right)\frac{\partial\omega}{\partialx_j}\right]+G_{\omega}-Y_{\omega}+S_{\omega}，其中G_{\omega}表示湍流頻率的產(chǎn)生項(xiàng)，Y_{\omega}為湍流頻率的耗散項(xiàng)，S_{\omega}是用戶(hù)定義的源項(xiàng)，\sigma_{\omega}是湍流頻率\omega的湍流普朗特?cái)?shù)。k-ω模型對(duì)近壁流動(dòng)和低雷諾數(shù)流動(dòng)的模擬具有較高的精度，能夠較好地處理邊界層內(nèi)的流動(dòng)問(wèn)題，在預(yù)測(cè)流動(dòng)分離和尾流等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象方面表現(xiàn)優(yōu)于k-ε模型。例如，在模擬飛機(jī)機(jī)翼表面的邊界層流動(dòng)和分離現(xiàn)象時(shí)，k-ω模型能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)機(jī)翼表面的壓力分布和升力系數(shù)。但該模型對(duì)自由流中的湍流預(yù)測(cè)不夠準(zhǔn)確，容易高估湍流動(dòng)能。在疏透型廣告牌風(fēng)效應(yīng)模擬中，湍流模型的選擇對(duì)模擬結(jié)果有著顯著的影響。廣告牌周?chē)牧鲌?chǎng)較為復(fù)雜，存在著分離、再附等湍流現(xiàn)象，不同的湍流模型對(duì)這些現(xiàn)象的模擬能力不同，會(huì)導(dǎo)致模擬得到的廣告牌表面風(fēng)壓分布、基底剪力和傾覆力矩等結(jié)果存在差異。若選用k-ε模型，由于其對(duì)流動(dòng)分離的模擬能力有限，可能無(wú)法準(zhǔn)確捕捉廣告牌邊緣和拐角處的強(qiáng)分離流，從而導(dǎo)致對(duì)這些區(qū)域的風(fēng)壓預(yù)測(cè)偏低。而k-ω模型在處理流動(dòng)分離方面具有一定優(yōu)勢(shì)，能夠更準(zhǔn)確地模擬廣告牌周?chē)膹?fù)雜流場(chǎng)，得到更接近實(shí)際情況的風(fēng)壓分布和受力結(jié)果。因此，在進(jìn)行疏透型廣告牌風(fēng)效應(yīng)CFD模擬時(shí)，需要根據(jù)具體的模擬需求和廣告牌周?chē)鲌?chǎng)的特點(diǎn)，綜合考慮各種因素，選擇合適的湍流模型，以提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。2.2CFD數(shù)值計(jì)算方法2.2.1有限差分法有限差分法作為一種經(jīng)典的數(shù)值計(jì)算方法，在CFD領(lǐng)域中具有重要地位，其核心原理是基于離散化思想，將連續(xù)的偏微分方程轉(zhuǎn)化為離散的差分方程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)值求解。該方法的理論基礎(chǔ)源于微積分中的差商概念，通過(guò)在空間和時(shí)間上對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將連續(xù)的物理量離散到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上，利用節(jié)點(diǎn)處的差商來(lái)近似代替微分項(xiàng)，進(jìn)而將復(fù)雜的偏微分方程轉(zhuǎn)化為便于求解的代數(shù)方程組。以一維對(duì)流方程\frac{\partialu}{\partialt}+c\frac{\partialu}{\partialx}=0（其中u為速度，c為對(duì)流速度）為例，詳細(xì)闡述有限差分法的計(jì)算步驟。首先進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將空間x方向劃分為等間距的網(wǎng)格，網(wǎng)格間距為\Deltax，時(shí)間t方向也進(jìn)行離散，時(shí)間步長(zhǎng)為\Deltat。在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)(i,j)處（i表示空間節(jié)點(diǎn)編號(hào)，j表示時(shí)間節(jié)點(diǎn)編號(hào)），通過(guò)泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)式將微分項(xiàng)轉(zhuǎn)化為差分項(xiàng)。對(duì)于時(shí)間導(dǎo)數(shù)\frac{\partialu}{\partialt}，可采用向前差分近似，即\frac{\partialu}{\partialt}\approx\frac{u_{i,j+1}-u_{i,j}}{\Deltat}；對(duì)于空間導(dǎo)數(shù)\frac{\partialu}{\partialx}，采用一階迎風(fēng)格式，當(dāng)c\gt0時(shí)，\frac{\partialu}{\partialx}\approx\frac{u_{i,j}-u_{i-1,j}}{\Deltax}，將這些差商近似代入對(duì)流方程，得到離散的差分方程：\frac{u_{i,j+1}-u_{i,j}}{\Deltat}+c\frac{u_{i,j}-u_{i-1,j}}{\Deltax}=0。整理后可得u_{i,j+1}=u_{i,j}-c\frac{\Deltat}{\Deltax}(u_{i,j}-u_{i-1,j})，通過(guò)已知的初始條件和邊界條件，利用該差分方程即可逐步求解出各節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)刻的速度值。在求解復(fù)雜的流體方程時(shí)，有限差分法具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。它的概念簡(jiǎn)單直觀，易于理解和編程實(shí)現(xiàn)，對(duì)于一些簡(jiǎn)單的流動(dòng)問(wèn)題，能夠快速得到數(shù)值解。在計(jì)算效率方面，由于其差分格式相對(duì)簡(jiǎn)單，計(jì)算量較小，在早期計(jì)算機(jī)計(jì)算能力有限的情況下，有限差分法得到了廣泛應(yīng)用。然而，該方法也存在明顯的局限性。有限差分法的精度受到網(wǎng)格離散和差分近似的限制，當(dāng)網(wǎng)格劃分較粗時(shí)，差商近似與真實(shí)微分項(xiàng)之間的誤差較大，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的精度較低。而且，該方法對(duì)曲線和不規(guī)則形狀的求解效果較差，在處理復(fù)雜幾何形狀的流場(chǎng)時(shí)，需要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換或采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，這增加了計(jì)算的難度和復(fù)雜性。例如，在模擬具有復(fù)雜外形的建筑物周?chē)娘L(fēng)場(chǎng)時(shí)，有限差分法難以準(zhǔn)確處理建筑物表面的曲線邊界，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的精度受到影響。此外，有限差分法的穩(wěn)定性條件較為苛刻，如在上述一維對(duì)流方程的顯式差分格式中，需要滿足Courant-Friedrichs-Lewy（CFL）條件，即c\frac{\Deltat}{\Deltax}\leq1，否則計(jì)算過(guò)程會(huì)出現(xiàn)數(shù)值不穩(wěn)定的情況。2.2.2有限體積法有限體積法是CFD領(lǐng)域中另一種廣泛應(yīng)用的數(shù)值計(jì)算方法，其基本思想基于守恒原理，通過(guò)將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列離散的控制體積，在每個(gè)控制體積上對(duì)物理量進(jìn)行積分，從而將連續(xù)的物理方程轉(zhuǎn)化為離散的代數(shù)方程組，以實(shí)現(xiàn)對(duì)流體流動(dòng)的數(shù)值模擬。這種方法的核心在于保證物理量在每個(gè)控制體積內(nèi)的守恒，使得計(jì)算結(jié)果在整體上滿足物理守恒定律，具有堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)。在實(shí)施有限體積法時(shí)，首先要進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將計(jì)算域劃分為一系列互不重疊的控制體積，這些控制體積可以是結(jié)構(gòu)化的，也可以是非結(jié)構(gòu)化的，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的幾何形狀。在每個(gè)控制體積的界面上，通過(guò)對(duì)物理量進(jìn)行插值或近似，確定界面上的通量。以二維不可壓縮流體的Navier-Stokes方程為例，在控制體積V上對(duì)動(dòng)量方程進(jìn)行積分。對(duì)于x方向的動(dòng)量方程\rho(\frac{\partialu}{\partialt}+u\frac{\partialu}{\partialx}+v\frac{\partialu}{\partialy})=-\frac{\partialp}{\partialx}+\mu(\frac{\partial^{2}u}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}u}{\partialy^{2}})（其中\(zhòng)rho為流體密度，u、v分別為x、y方向的速度分量，p為壓力，\mu為動(dòng)力粘度），根據(jù)高斯散度定理，將體積分轉(zhuǎn)化為面積分。在控制體積的界面上，通過(guò)合適的差分格式（如中心差分、迎風(fēng)格式等）計(jì)算界面上的通量，如x方向的動(dòng)量通量\rhouu、粘性通量\mu\frac{\partialu}{\partialx}等。將這些通量代入積分方程，得到離散的代數(shù)方程。對(duì)于每個(gè)控制體積，都可以建立這樣的方程，聯(lián)立所有控制體積的方程，形成一個(gè)大型的代數(shù)方程組，通過(guò)迭代求解該方程組，即可得到各控制體積內(nèi)的物理量（如速度、壓力等）。在CFD計(jì)算中，有限體積法展現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢(shì)。該方法具有良好的守恒性，能夠嚴(yán)格保證物理量在每個(gè)控制體積以及整個(gè)計(jì)算域內(nèi)的守恒，這對(duì)于準(zhǔn)確模擬流體流動(dòng)的物理過(guò)程至關(guān)重要。有限體積法對(duì)復(fù)雜邊界條件的處理能力較強(qiáng)，能夠方便地處理各種類(lèi)型的邊界，如固體壁面、進(jìn)出口邊界等。在處理復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題時(shí)，它能夠較好地捕捉流場(chǎng)中的不連續(xù)性和間斷面，如激波、自由表面等。例如，在模擬可壓縮流體中的激波傳播時(shí)，有限體積法能夠準(zhǔn)確地捕捉激波的位置和強(qiáng)度，得到較為精確的計(jì)算結(jié)果。因此，有限體積法在航空航天、汽車(chē)工程、能源動(dòng)力等領(lǐng)域的CFD計(jì)算中得到了廣泛應(yīng)用，如在飛機(jī)機(jī)翼的氣動(dòng)力計(jì)算、汽車(chē)外流場(chǎng)分析、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)模擬等方面都發(fā)揮了重要作用。2.3CFD模擬軟件2.3.1Fluent軟件Fluent軟件是一款在CFD領(lǐng)域具有廣泛影響力的商業(yè)軟件，由ANSYS公司開(kāi)發(fā)，其功能覆蓋了流體流動(dòng)、傳熱、化學(xué)反應(yīng)、多相流等多個(gè)領(lǐng)域，為各類(lèi)復(fù)雜工程問(wèn)題的數(shù)值模擬提供了全面且強(qiáng)大的解決方案。在功能模塊方面，F(xiàn)luent擁有豐富的物理模型庫(kù)，能夠模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的各種復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象。在湍流模擬中，提供了多種湍流模型，如標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型、k-ωSST模型等，以滿足不同流動(dòng)工況的需求。在多相流模擬方面，具備VOF（VolumeofFluid）模型、歐拉-歐拉模型、離散相模型等，可用于模擬氣液、氣固、液固等多相流問(wèn)題，廣泛應(yīng)用于石油化工、水利工程、能源動(dòng)力等行業(yè)。例如，在石油開(kāi)采過(guò)程中，通過(guò)Fluent的多相流模型可以模擬油、氣、水三相在管道中的流動(dòng)特性，為優(yōu)化開(kāi)采工藝和管道設(shè)計(jì)提供依據(jù)。Fluent的求解器具有獨(dú)特的特點(diǎn)，其采用基于有限體積法的數(shù)值計(jì)算方法，能夠高效且準(zhǔn)確地求解流體控制方程。求解器支持多種算法，如SIMPLE算法、PISO算法等，用于處理壓力-速度耦合問(wèn)題。其中，SIMPLE算法及其變體適用于大多數(shù)工業(yè)流體流動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)迭代求解壓力修正方程來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力和速度的耦合求解，具有較好的穩(wěn)定性和收斂性。在計(jì)算精度上，F(xiàn)luent提供了多種數(shù)值離散格式，如中心差分、二階迎風(fēng)格式等，用戶(hù)可以根據(jù)具體問(wèn)題的需求選擇合適的格式，以平衡計(jì)算精度和計(jì)算效率。對(duì)于復(fù)雜幾何形狀的計(jì)算域，F(xiàn)luent支持非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，能夠靈活地適應(yīng)各種不規(guī)則邊界，有效提高計(jì)算效率和模擬精度。在模擬飛機(jī)機(jī)翼的繞流問(wèn)題時(shí)，由于機(jī)翼形狀復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以更好地貼合機(jī)翼表面，準(zhǔn)確捕捉邊界層內(nèi)的流動(dòng)細(xì)節(jié)，從而得到更精確的氣動(dòng)力計(jì)算結(jié)果。在風(fēng)效應(yīng)模擬中，F(xiàn)luent的應(yīng)用流程通常包括以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟。首先是前處理階段，利用專(zhuān)業(yè)的前處理軟件（如ANSYSMeshing、ICEMCFD等）或Fluent自身集成的網(wǎng)格劃分功能，根據(jù)廣告牌的幾何形狀和實(shí)際安裝環(huán)境，創(chuàng)建合適的計(jì)算域和高質(zhì)量的網(wǎng)格。在這個(gè)過(guò)程中，需要合理設(shè)置網(wǎng)格的尺寸和分布，在廣告牌表面及周?chē)鲌?chǎng)變化劇烈的區(qū)域加密網(wǎng)格，以提高計(jì)算精度。設(shè)置邊界條件是前處理的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)實(shí)際風(fēng)場(chǎng)情況，定義入口風(fēng)速、湍流強(qiáng)度、壓力出口等邊界條件。對(duì)于廣告牌風(fēng)效應(yīng)模擬，通常將入口設(shè)置為速度入口，指定來(lái)流風(fēng)速和湍流參數(shù)，出口設(shè)置為壓力出口。在求解階段，根據(jù)模擬需求選擇合適的物理模型和求解器參數(shù)，如湍流模型、離散格式、迭代步數(shù)等，然后啟動(dòng)求解器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。在計(jì)算過(guò)程中，需要密切關(guān)注計(jì)算的收斂情況，通過(guò)監(jiān)測(cè)殘差曲線、關(guān)鍵物理量（如升力、阻力等）的變化來(lái)判斷計(jì)算是否收斂。若計(jì)算不收斂，需調(diào)整求解器參數(shù)或檢查模型設(shè)置，直至計(jì)算收斂。計(jì)算完成后，進(jìn)入后處理階段，利用Fluent自帶的后處理功能或第三方軟件（如ANSYSCFD-Post）對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化處理和分析。通過(guò)繪制云圖、矢量圖、XY曲線等，直觀地展示廣告牌周?chē)牧鲌?chǎng)分布、壓力分布、速度矢量等信息，進(jìn)而計(jì)算廣告牌表面的風(fēng)壓系數(shù)、基底剪力、傾覆力矩等關(guān)鍵參數(shù)，為廣告牌的抗風(fēng)性能評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持。2.3.2Gambit軟件Gambit軟件作為一款專(zhuān)業(yè)的CFD前處理軟件，在CFD模擬流程中占據(jù)著關(guān)鍵地位，主要承擔(dān)著幾何建模和網(wǎng)格劃分的重要任務(wù)，為后續(xù)的數(shù)值計(jì)算提供高質(zhì)量的模型和網(wǎng)格基礎(chǔ)。在幾何建模方面，Gambit具備強(qiáng)大且全面的幾何創(chuàng)建與編輯功能。它允許用戶(hù)直接在軟件界面中通過(guò)基本幾何元素（如點(diǎn)、線、面、體）的組合與操作，構(gòu)建復(fù)雜的三維幾何模型。用戶(hù)可以通過(guò)輸入坐標(biāo)值精確生成點(diǎn)，然后利用這些點(diǎn)構(gòu)建線、面和體。通過(guò)定義點(diǎn)的坐標(biāo)，創(chuàng)建矩形、圓形等基本形狀，再通過(guò)布爾運(yùn)算（如并集、差集、交集）將這些基本形狀組合成復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。Gambit還支持從主流的CAD/CAE系統(tǒng)（如SolidWorks、Pro/E、ANSYSDesignModeler等）導(dǎo)入幾何模型，方便用戶(hù)利用已有設(shè)計(jì)資源進(jìn)行CFD分析。在導(dǎo)入過(guò)程中，軟件能夠自動(dòng)識(shí)別和處理模型中的幾何特征，對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行必要的清理和修復(fù)，如去除重疊的幾何元素、填補(bǔ)幾何缺陷等，確保模型的完整性和準(zhǔn)確性，為后續(xù)的網(wǎng)格劃分工作奠定良好基礎(chǔ)。在處理廣告牌模型時(shí)，若廣告牌設(shè)計(jì)在其他CAD軟件中完成，可直接將模型導(dǎo)入Gambit進(jìn)行后續(xù)操作。網(wǎng)格劃分是Gambit的核心功能之一，它提供了豐富多樣的網(wǎng)格生成技術(shù)，能夠滿足不同類(lèi)型CFD問(wèn)題的需求。Gambit可以生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以及混合網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有規(guī)則的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)在空間上呈有序排列，適用于幾何形狀簡(jiǎn)單、邊界規(guī)則的計(jì)算域。對(duì)于簡(jiǎn)單形狀的廣告牌，如矩形平板廣告牌，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以提高計(jì)算效率和精度。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格則具有高度的靈活性，能夠適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件。它的網(wǎng)格單元形狀和大小可以根據(jù)幾何模型的特點(diǎn)進(jìn)行自由調(diào)整，在處理不規(guī)則形狀的廣告牌或存在復(fù)雜障礙物的計(jì)算域時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)。在模擬廣告牌周?chē)嬖诮ㄖ锏日系K物的風(fēng)場(chǎng)時(shí)，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠更好地貼合建筑物和廣告牌的復(fù)雜邊界，準(zhǔn)確捕捉流場(chǎng)細(xì)節(jié)?；旌暇W(wǎng)格則結(jié)合了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)，在不同區(qū)域根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的網(wǎng)格類(lèi)型。在廣告牌表面及邊界層附近采用加密的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以精確捕捉邊界層內(nèi)的流動(dòng)特性；在遠(yuǎn)離廣告牌的區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以提高計(jì)算效率。Gambit還具備強(qiáng)大的網(wǎng)格控制功能，用戶(hù)可以通過(guò)設(shè)置網(wǎng)格尺寸、增長(zhǎng)率、網(wǎng)格質(zhì)量等參數(shù)，對(duì)網(wǎng)格的疏密程度、分布情況進(jìn)行精細(xì)控制。在廣告牌表面及流場(chǎng)變化劇烈的區(qū)域，如廣告牌的邊緣、拐角處，加密網(wǎng)格以提高計(jì)算精度；在流場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域，適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，以減少計(jì)算量。Gambit與Fluent的協(xié)同工作方式緊密而高效。在Gambit中完成幾何建模和網(wǎng)格劃分后，可直接將生成的網(wǎng)格文件導(dǎo)出為Fluent支持的格式（如.msh文件），然后在Fluent中導(dǎo)入該網(wǎng)格文件，進(jìn)行后續(xù)的物理模型設(shè)置、邊界條件定義和數(shù)值計(jì)算。這種無(wú)縫對(duì)接的協(xié)同工作模式，減少了數(shù)據(jù)傳輸和格式轉(zhuǎn)換過(guò)程中的誤差，提高了CFD模擬的效率和準(zhǔn)確性。在實(shí)際應(yīng)用中，用戶(hù)可以根據(jù)模擬結(jié)果，在Gambit中對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和調(diào)整，然后重新導(dǎo)入Fluent進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)反復(fù)迭代，不斷提高模擬結(jié)果的精度。例如，在模擬廣告牌風(fēng)效應(yīng)時(shí)，若發(fā)現(xiàn)某些區(qū)域的計(jì)算結(jié)果不理想，可回到Gambit中對(duì)該區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密或調(diào)整網(wǎng)格質(zhì)量，再將優(yōu)化后的網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent重新計(jì)算，直至得到滿意的模擬結(jié)果。三、疏透型廣告牌的CFD模型構(gòu)建3.1計(jì)算模型的確定3.1.1廣告牌結(jié)構(gòu)選型本研究選取典型的雙面式獨(dú)立柱廣告牌作為研究基礎(chǔ)，該類(lèi)型廣告牌在戶(hù)外廣告設(shè)施中應(yīng)用廣泛，具有代表性。雙面式獨(dú)立柱廣告牌主要由兩根豎直的獨(dú)立柱和位于頂部的橫向鋼梁構(gòu)成T形主框架，在主框架兩側(cè)安裝廣告牌面板。這種結(jié)構(gòu)形式的廣告牌具有較高的穩(wěn)定性和良好的廣告展示效果，其受力體系明確，便于進(jìn)行力學(xué)分析和數(shù)值模擬。獨(dú)立柱作為主要的豎向承重構(gòu)件，承擔(dān)著廣告牌自身重量、風(fēng)荷載以及其他附加荷載，并將這些荷載傳遞至基礎(chǔ)。橫向鋼梁則起到連接兩根獨(dú)立柱和支撐廣告牌面板的作用，確保廣告牌在水平方向上的整體性和穩(wěn)定性。廣告牌面板通過(guò)掛件與主框架相連，形成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)體系。雙面式獨(dú)立柱廣告牌能夠在道路兩側(cè)或空曠場(chǎng)地等位置進(jìn)行設(shè)置，為過(guò)往行人、車(chē)輛提供廣告信息展示，其較大的展示面積和醒目的位置使其成為廣告宣傳的重要載體。3.1.2疏透型廣告牌設(shè)計(jì)疏透型廣告牌的設(shè)計(jì)旨在通過(guò)在傳統(tǒng)廣告牌面板上開(kāi)孔，改變廣告牌與風(fēng)的相互作用方式，從而減小風(fēng)荷載。開(kāi)孔疏透率是疏透型廣告牌設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)之一，它定義為廣告牌面板上開(kāi)孔面積與面板總面積的比值。在本研究中，考慮到實(shí)際工程應(yīng)用和廣告牌的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，設(shè)計(jì)了多種不同的開(kāi)孔疏透率，分別為10%、20%、30%、40%等。通過(guò)對(duì)比不同疏透率下廣告牌的風(fēng)效應(yīng)，探究疏透率對(duì)風(fēng)荷載的影響規(guī)律。當(dāng)疏透率較低時(shí)，廣告牌面板開(kāi)孔較少，雖然在一定程度上仍能減小風(fēng)荷載，但效果相對(duì)有限；隨著疏透率的增加，開(kāi)孔面積增大，風(fēng)能夠更順利地穿過(guò)廣告牌，風(fēng)荷載顯著減小。然而，疏透率過(guò)高可能會(huì)影響廣告牌的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和廣告展示效果，因此需要在減小風(fēng)荷載和保證廣告牌結(jié)構(gòu)安全、展示效果之間尋求平衡。開(kāi)孔分布形式也是疏透型廣告牌設(shè)計(jì)的重要因素，不同的開(kāi)孔分布形式會(huì)導(dǎo)致廣告牌周?chē)鲌?chǎng)的差異，進(jìn)而影響風(fēng)荷載的大小和分布。本研究設(shè)計(jì)了條孔矩形分布、條孔梯形分布、條孔倒梯形分布等多種開(kāi)孔分布形式。條孔矩形分布是指在廣告牌面板上均勻開(kāi)設(shè)水平或垂直的條形孔，孔的排列呈矩形網(wǎng)格狀，這種分布形式簡(jiǎn)單規(guī)整，易于加工制作，在一定程度上能夠減小風(fēng)荷載，且對(duì)廣告牌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響相對(duì)較小。條孔梯形分布則是將條形孔按照梯形的形狀進(jìn)行排列，上底和下底的孔間距不同，這種分布形式能夠改變風(fēng)的流動(dòng)方向，使風(fēng)在廣告牌表面形成更復(fù)雜的流場(chǎng)，進(jìn)一步減小風(fēng)荷載。條孔倒梯形分布與條孔梯形分布相反，上底的孔間距大于下底的孔間距，通過(guò)這種特殊的分布形式，能夠在廣告牌底部形成相對(duì)較大的通風(fēng)空間，有效減小底部的風(fēng)壓，提高廣告牌的整體抗風(fēng)性能。通過(guò)對(duì)不同開(kāi)孔分布形式的疏透型廣告牌進(jìn)行CFD模擬分析，比較它們?cè)谙嗤r下的風(fēng)荷載大小和分布情況，確定最優(yōu)的開(kāi)孔分布形式，為疏透型廣告牌的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。3.2計(jì)算域與網(wǎng)格劃分3.2.1計(jì)算域的選取計(jì)算域的選取對(duì)于疏透型廣告牌CFD模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率具有至關(guān)重要的影響。在本研究中，綜合考慮廣告牌的尺寸、周?chē)鲌?chǎng)的特性以及計(jì)算資源的限制，確定了合適的計(jì)算域范圍。以實(shí)際工程中常見(jiàn)的雙面式獨(dú)立柱廣告牌為例，廣告牌的高度一般在6-18米之間，寬度在18-24米之間。為了確保模擬結(jié)果不受計(jì)算域邊界的影響，計(jì)算域的尺寸應(yīng)足夠大。根據(jù)相關(guān)研究和經(jīng)驗(yàn)，在水平方向上，計(jì)算域的長(zhǎng)度取廣告牌高度的8-10倍，寬度取廣告牌高度的6-8倍；在垂直方向上，計(jì)算域的高度取廣告牌高度的4-6倍。對(duì)于高度為12米的廣告牌，計(jì)算域的長(zhǎng)度設(shè)置為100米，寬度設(shè)置為80米，高度設(shè)置為60米。這樣的計(jì)算域范圍能夠保證在廣告牌周?chē)纬奢^為穩(wěn)定的流場(chǎng)，使邊界條件對(duì)模擬結(jié)果的影響可忽略不計(jì)。計(jì)算域大小對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性有著顯著的影響。若計(jì)算域過(guò)小，邊界條件會(huì)對(duì)廣告牌周?chē)牧鲌?chǎng)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致模擬得到的風(fēng)壓分布、基底剪力和傾覆力矩等結(jié)果與實(shí)際情況存在較大偏差。當(dāng)計(jì)算域在水平方向上的長(zhǎng)度僅為廣告牌高度的4倍時(shí)，入口邊界處的風(fēng)速分布會(huì)受到廣告牌的影響，無(wú)法保持均勻穩(wěn)定，從而使得廣告牌表面的風(fēng)壓計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。在垂直方向上，若計(jì)算域高度不足，會(huì)導(dǎo)致廣告牌頂部的流場(chǎng)無(wú)法充分發(fā)展，影響對(duì)廣告牌整體受力的分析。而計(jì)算域過(guò)大則會(huì)增加計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，降低計(jì)算效率。隨著計(jì)算域尺寸的增大，網(wǎng)格數(shù)量會(huì)相應(yīng)增加，求解控制方程所需的計(jì)算資源也會(huì)大幅增加。若計(jì)算域在水平方向上的長(zhǎng)度增加一倍，計(jì)算時(shí)間可能會(huì)延長(zhǎng)數(shù)倍，這在實(shí)際工程應(yīng)用中是不經(jīng)濟(jì)且耗時(shí)的。因此，在確定計(jì)算域大小時(shí)，需要在模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率之間進(jìn)行權(quán)衡，找到最佳的平衡點(diǎn)。通過(guò)多次數(shù)值試驗(yàn)，對(duì)比不同計(jì)算域大小下的模擬結(jié)果，確定了既能保證模擬精度又能兼顧計(jì)算效率的計(jì)算域尺寸，為后續(xù)的CFD模擬提供了可靠的基礎(chǔ)。3.2.2網(wǎng)格劃分策略網(wǎng)格劃分是CFD模擬中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其質(zhì)量直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。在對(duì)疏透型廣告牌進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，遵循了一系列的方法和原則。對(duì)于復(fù)雜的三維幾何模型，采用混合網(wǎng)格劃分策略，結(jié)合結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)。在廣告牌表面及周?chē)鲌?chǎng)變化劇烈的區(qū)域，如廣告牌的邊緣、拐角處以及獨(dú)立柱與廣告牌面板的連接處，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有規(guī)則的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)排列有序，能夠精確地捕捉流場(chǎng)的細(xì)節(jié)變化，提高計(jì)算精度。在這些區(qū)域，將網(wǎng)格尺寸設(shè)置得較小，例如在廣告牌表面，網(wǎng)格尺寸為0.05-0.1米，以確保能夠準(zhǔn)確模擬邊界層內(nèi)的流動(dòng)特性。而在遠(yuǎn)離廣告牌的區(qū)域，流場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以減少網(wǎng)格數(shù)量，提高計(jì)算效率。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的網(wǎng)格單元形狀和大小可以根據(jù)計(jì)算域的形狀進(jìn)行靈活調(diào)整，適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀。在計(jì)算域的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域，網(wǎng)格尺寸可適當(dāng)增大至0.5-1米。不同網(wǎng)格類(lèi)型對(duì)模擬結(jié)果存在明顯的影響。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格由于其規(guī)則性，在計(jì)算過(guò)程中能夠更準(zhǔn)確地傳遞物理量，減少數(shù)值誤差。在模擬廣告牌表面的壓力分布時(shí)，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠清晰地呈現(xiàn)出壓力在廣告牌表面的漸變過(guò)程，對(duì)于壓力峰值和谷值的捕捉更為準(zhǔn)確。然而，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)于復(fù)雜幾何形狀的適應(yīng)性較差，在處理不規(guī)則形狀的廣告牌或存在障礙物的計(jì)算域時(shí)，網(wǎng)格劃分難度較大，容易出現(xiàn)網(wǎng)格質(zhì)量不佳的情況。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格則具有良好的幾何適應(yīng)性，能夠輕松應(yīng)對(duì)復(fù)雜的幾何模型。在模擬廣告牌周?chē)嬖诮ㄖ锏日系K物的風(fēng)場(chǎng)時(shí)，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠更好地貼合建筑物和廣告牌的復(fù)雜邊界，準(zhǔn)確捕捉流場(chǎng)的變化。但非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的網(wǎng)格質(zhì)量參差不齊，部分網(wǎng)格單元的形狀不規(guī)則，可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算精度下降。由于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)分布相對(duì)隨機(jī)，在計(jì)算物理量的梯度時(shí)，可能會(huì)引入較大的誤差，影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的模擬需求和廣告牌的幾何形狀，合理選擇網(wǎng)格類(lèi)型，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的優(yōu)勢(shì)，以獲得準(zhǔn)確可靠的模擬結(jié)果。3.3初始條件與邊界條件設(shè)置3.3.1入口風(fēng)速設(shè)定入口風(fēng)速的準(zhǔn)確設(shè)定是疏透型廣告牌CFD模擬的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其數(shù)值和分布形式直接影響著模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在本研究中，根據(jù)實(shí)際工程所在地的氣象資料，確定了入口風(fēng)速的大小。通過(guò)查閱當(dāng)?shù)貧庀笳径嗄甑娘L(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)，獲取了不同季節(jié)、不同時(shí)段的風(fēng)速統(tǒng)計(jì)信息?？紤]到廣告牌在強(qiáng)風(fēng)作用下的安全性是研究的重點(diǎn)，選取了當(dāng)?shù)刂噩F(xiàn)期為50年一遇的10分鐘平均風(fēng)速作為入口風(fēng)速的參考值。假設(shè)當(dāng)?shù)?0年一遇的10分鐘平均風(fēng)速為30m/s，則以此為基礎(chǔ)進(jìn)行入口風(fēng)速的設(shè)定。在模擬中，不僅要考慮風(fēng)速的大小，還需考慮風(fēng)速剖面的影響。實(shí)際大氣邊界層中的風(fēng)速并非均勻分布，而是隨高度呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，通常采用對(duì)數(shù)律或指數(shù)律來(lái)描述這種風(fēng)速剖面。對(duì)數(shù)律風(fēng)速剖面公式為u(z)=u_{ref}\frac{\ln(z/z_0)}{\ln(z_{ref}/z_0)}，其中u(z)為高度z處的風(fēng)速，u_{ref}為參考高度z_{ref}處的參考風(fēng)速，z_0為地面粗糙度長(zhǎng)度。指數(shù)律風(fēng)速剖面公式為u(z)=u_{ref}(\frac{z}{z_{ref}})^{\alpha}，其中\(zhòng)alpha為風(fēng)剖面指數(shù)，與地面粗糙度等因素有關(guān)。不同的風(fēng)速剖面會(huì)導(dǎo)致廣告牌周?chē)鲌?chǎng)的差異，進(jìn)而影響廣告牌所承受的風(fēng)荷載。當(dāng)采用對(duì)數(shù)律風(fēng)速剖面時(shí)，近地面風(fēng)速隨高度的變化較為緩慢，而在較高位置風(fēng)速增加較快。這會(huì)使得廣告牌下部受到的風(fēng)荷載相對(duì)較小，而上部受到的風(fēng)荷載相對(duì)較大。若采用指數(shù)律風(fēng)速剖面，且風(fēng)剖面指數(shù)\alpha取值不同，風(fēng)速隨高度的變化趨勢(shì)也會(huì)不同。當(dāng)\alpha取值較大時(shí)，風(fēng)速隨高度增加得更快，廣告牌上部所承受的風(fēng)荷載會(huì)顯著增大。因此，在CFD模擬中，準(zhǔn)確考慮風(fēng)速剖面對(duì)于獲得可靠的模擬結(jié)果至關(guān)重要。為了更真實(shí)地模擬實(shí)際風(fēng)場(chǎng)，本研究采用了符合當(dāng)?shù)氐孛娲植诙葪l件的對(duì)數(shù)律風(fēng)速剖面來(lái)設(shè)定入口風(fēng)速。通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)氐匦魏偷乇砀采w情況的分析，確定了地面粗糙度長(zhǎng)度z_0的取值，從而準(zhǔn)確地描述了入口風(fēng)速隨高度的變化。3.3.2邊界條件設(shè)定邊界條件的合理設(shè)置是保證CFD模擬準(zhǔn)確性的重要前提，它直接影響著計(jì)算域內(nèi)流場(chǎng)的分布和模擬結(jié)果的可靠性。在疏透型廣告牌的CFD模擬中，主要涉及速度入口、壓力出口、壁面等邊界條件的設(shè)置。速度入口邊界條件用于定義流體進(jìn)入計(jì)算域的速度和相關(guān)參數(shù)。在本研究中，根據(jù)入口風(fēng)速設(shè)定部分確定的風(fēng)速大小和風(fēng)速剖面，在計(jì)算域的入口邊界上指定速度分布。入口風(fēng)速的方向垂直于入口邊界，模擬實(shí)際風(fēng)場(chǎng)中氣流的來(lái)向。對(duì)于湍流參數(shù)，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件和相關(guān)研究，確定了入口處的湍流動(dòng)能k和湍流耗散率\varepsilon。湍流動(dòng)能k反映了湍流脈動(dòng)的強(qiáng)度，湍流耗散率\varepsilon則表示湍流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能的速率。合理設(shè)置這些湍流參數(shù)，能夠準(zhǔn)確模擬大氣邊界層中的湍流特性，使模擬結(jié)果更接近實(shí)際情況。若入口處的湍流動(dòng)能設(shè)置過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致模擬得到的流場(chǎng)過(guò)于光滑，無(wú)法準(zhǔn)確反映實(shí)際風(fēng)場(chǎng)中的湍流脈動(dòng)，從而使廣告牌所受的風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果偏低。壓力出口邊界條件用于定義流體流出計(jì)算域的壓力。在本模擬中，將計(jì)算域的出口設(shè)置為壓力出口，出口壓力設(shè)為當(dāng)?shù)卮髿鈮?。這意味著在出口邊界處，流體的壓力為已知的大氣壓，而流速等其他參數(shù)由計(jì)算域內(nèi)的流場(chǎng)計(jì)算得到。這種設(shè)置方式能夠保證流體在出口處能夠順利流出計(jì)算域，同時(shí)避免了出口邊界對(duì)計(jì)算域內(nèi)流場(chǎng)的不合理影響。若出口壓力設(shè)置不當(dāng)，如設(shè)置過(guò)高或過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致出口處的流速出現(xiàn)異常，進(jìn)而影響整個(gè)計(jì)算域內(nèi)的流場(chǎng)分布，使模擬結(jié)果失去準(zhǔn)確性。壁面邊界條件主要應(yīng)用于廣告牌表面和計(jì)算域的固體壁面。對(duì)于廣告牌表面，采用無(wú)滑移壁面條件，即假設(shè)流體在壁面處的速度為零。這是因?yàn)樵趯?shí)際情況中，流體與固體表面之間存在粘性作用，使得流體在壁面處附著，速度與壁面相同。在模擬廣告牌表面的流場(chǎng)時(shí)，無(wú)滑移壁面條件能夠準(zhǔn)確地模擬流體與廣告牌表面的相互作用，得到廣告牌表面的壓力分布和摩擦力等信息。對(duì)于計(jì)算域的其他固體壁面，也采用類(lèi)似的無(wú)滑移壁面條件。在計(jì)算域的底部地面，設(shè)置為無(wú)滑移壁面，以模擬地面與大氣的相互作用。這些邊界條件的設(shè)置基于流體力學(xué)的基本原理和實(shí)際物理現(xiàn)象，它們相互配合，共同確定了計(jì)算域內(nèi)流場(chǎng)的邊界狀態(tài)。通過(guò)合理設(shè)置速度入口、壓力出口和壁面等邊界條件，能夠準(zhǔn)確地模擬疏透型廣告牌周?chē)牧鲌?chǎng)，為后續(xù)分析廣告牌的風(fēng)效應(yīng)提供可靠的基礎(chǔ)。3.4模擬計(jì)算工況設(shè)計(jì)為全面研究疏透型廣告牌的風(fēng)效應(yīng)，本研究設(shè)計(jì)了一系列不同疏透率和開(kāi)孔分布形式的模擬工況，共計(jì)16種工況，具體工況設(shè)計(jì)如表1所示。工況編號(hào)疏透率開(kāi)孔分布形式110%條孔矩形分布210%條孔梯形分布310%條孔倒梯形分布420%條孔矩形分布520%條孔梯形分布620%條孔倒梯形分布730%條孔矩形分布830%條孔梯形分布930%條孔倒梯形分布1040%條孔矩形分布1140%條孔梯形分布1240%條孔倒梯形分布130%（傳統(tǒng)廣告牌）無(wú)開(kāi)孔1410%均勻圓形孔分布1520%均勻圓形孔分布1630%均勻圓形孔分布設(shè)計(jì)這些工況的目的在于系統(tǒng)地探究疏透率和開(kāi)孔分布形式對(duì)廣告牌風(fēng)效應(yīng)的影響規(guī)律。通過(guò)改變疏透率，可以分析不同開(kāi)孔面積對(duì)廣告牌風(fēng)荷載的影響程度。當(dāng)疏透率逐漸增大時(shí)，廣告牌面板上的開(kāi)孔面積增多，風(fēng)能夠更順暢地穿過(guò)廣告牌，從而減小廣告牌所承受的風(fēng)荷載。對(duì)比不同疏透率下廣告牌表面的風(fēng)壓分布、基底剪力和傾覆力矩等參數(shù)，可以確定在保證廣告牌結(jié)構(gòu)安全和廣告展示效果的前提下，最優(yōu)的疏透率取值范圍。不同的開(kāi)孔分布形式會(huì)導(dǎo)致廣告牌周?chē)鲌?chǎng)的復(fù)雜性和流動(dòng)特性發(fā)生變化，進(jìn)而影響風(fēng)荷載的大小和分布。條孔矩形分布、條孔梯形分布和條孔倒梯形分布等不同的開(kāi)孔形式，會(huì)使風(fēng)在穿過(guò)廣告牌時(shí)產(chǎn)生不同的流動(dòng)模式和壓力分布。條孔梯形分布可能會(huì)使風(fēng)在廣告牌表面形成特定的漩渦結(jié)構(gòu)，改變風(fēng)壓的分布情況；條孔倒梯形分布則可能在廣告牌底部形成較大的通風(fēng)空間，減小底部的風(fēng)壓。通過(guò)對(duì)比這些不同開(kāi)孔分布形式下的模擬結(jié)果，可以明確哪種開(kāi)孔分布形式能夠最有效地減小風(fēng)荷載，提高廣告牌的抗風(fēng)性能。此外，還引入了均勻圓形孔分布的工況，與條孔分布形式進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步研究不同開(kāi)孔形狀和分布對(duì)廣告牌風(fēng)效應(yīng)的綜合影響。這些模擬工況的設(shè)計(jì)具有重要意義。從理論研究角度來(lái)看，豐富的工況數(shù)據(jù)有助于深入理解疏透型廣告牌與風(fēng)的相互作用機(jī)理，完善廣告牌風(fēng)工程的理論體系。在實(shí)際工程應(yīng)用中，為疏透型廣告牌的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供了全面、科學(xué)的參考依據(jù)，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)不同的工程需求和場(chǎng)地條件，選擇合適的疏透率和開(kāi)孔分布形式，優(yōu)化廣告牌結(jié)構(gòu)，提高廣告牌在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下的安全性和可靠性。四、基于CFD的疏透型廣告牌風(fēng)效應(yīng)數(shù)值計(jì)算與分析4.1數(shù)值計(jì)算結(jié)果獲取4.1.1測(cè)點(diǎn)布置方案為全面、準(zhǔn)確地獲取疏透型廣告牌表面和周?chē)鲌?chǎng)的關(guān)鍵信息，本研究制定了科學(xué)合理的測(cè)點(diǎn)布置方案。在廣告牌表面，考慮到風(fēng)壓分布的不均勻性以及流場(chǎng)變化的復(fù)雜性，將測(cè)點(diǎn)主要布置在廣告牌的邊緣、拐角以及中心等關(guān)鍵位置。在廣告牌的四個(gè)邊緣，每隔0.5米設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，以捕捉邊緣處由于氣流分離和再附而產(chǎn)生的風(fēng)壓變化。在拐角處，加密測(cè)點(diǎn)布置，在每個(gè)拐角處設(shè)置3-5個(gè)測(cè)點(diǎn)，以精確測(cè)量拐角區(qū)域的復(fù)雜流場(chǎng)和高梯度風(fēng)壓。廣告牌中心位置設(shè)置1-2個(gè)測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)中心區(qū)域相對(duì)穩(wěn)定的風(fēng)壓情況。這些測(cè)點(diǎn)的布置能夠有效反映廣告牌表面風(fēng)壓的整體分布特征和局部變化規(guī)律。在廣告牌表面的邊緣測(cè)點(diǎn)處，由于氣流的分離和再附，風(fēng)壓呈現(xiàn)出劇烈的波動(dòng)，通過(guò)密集的測(cè)點(diǎn)布置，可以準(zhǔn)確捕捉到這些波動(dòng)的峰值和谷值，為分析廣告牌的受力提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在廣告牌周?chē)鲌?chǎng)中，沿來(lái)流方向和垂直于來(lái)流方向布置測(cè)點(diǎn)。在來(lái)流方向上，從廣告牌前方5倍廣告牌高度處開(kāi)始，每隔1倍廣告牌高度設(shè)置一排測(cè)點(diǎn)，直至廣告牌后方5倍廣告牌高度處。在垂直于來(lái)流方向上，在廣告牌兩側(cè)各布置3-5排測(cè)點(diǎn)，排間距根據(jù)流場(chǎng)變化情況在0.5-1倍廣告牌高度范圍內(nèi)調(diào)整。通過(guò)這些測(cè)點(diǎn)，可以監(jiān)測(cè)到流場(chǎng)在不同位置的速度、壓力等參數(shù)的變化，深入分析廣告牌對(duì)周?chē)鲌?chǎng)的影響范圍和程度。在廣告牌前方的測(cè)點(diǎn)可以測(cè)量來(lái)流風(fēng)速的大小和方向，以及氣流在接近廣告牌時(shí)的加速和變形情況。在廣告牌后方的測(cè)點(diǎn)則可以監(jiān)測(cè)到尾流的形成和發(fā)展，以及尾流中速度和壓力的恢復(fù)過(guò)程。測(cè)點(diǎn)布置的依據(jù)主要基于流體力學(xué)原理和相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)。在廣告牌表面，邊緣和拐角區(qū)域是氣流分離和再附的高發(fā)區(qū)域，風(fēng)壓變化劇烈，對(duì)廣告牌的受力影響較大，因此需要密集布置測(cè)點(diǎn)。中心區(qū)域的風(fēng)壓相對(duì)穩(wěn)定，但作為整體受力分析的參考點(diǎn)也需要設(shè)置測(cè)點(diǎn)。在周?chē)鲌?chǎng)中，沿來(lái)流方向和垂直于來(lái)流方向布置測(cè)點(diǎn)，可以全面監(jiān)測(cè)流場(chǎng)的變化，符合流體流動(dòng)的基本規(guī)律。這些測(cè)點(diǎn)的布置能夠?yàn)楹罄m(xù)的風(fēng)效應(yīng)分析提供豐富、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，有助于深入研究疏透型廣告牌與風(fēng)的相互作用機(jī)理。4.1.2數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與記錄在CFD模擬過(guò)程中，對(duì)多種關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與記錄，以全面分析疏透型廣告牌的風(fēng)效應(yīng)。監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)類(lèi)型主要包括壓力和速度。在壓力監(jiān)測(cè)方面，重點(diǎn)關(guān)注廣告牌表面的風(fēng)壓分布以及周?chē)鲌?chǎng)中的壓力變化。在每個(gè)測(cè)點(diǎn)處，實(shí)時(shí)記錄靜壓和動(dòng)壓數(shù)據(jù)。靜壓反映了流體在靜止?fàn)顟B(tài)下的壓力，而動(dòng)壓則與流體的速度相關(guān)，通過(guò)測(cè)量靜壓和動(dòng)壓，可以計(jì)算出測(cè)點(diǎn)處的總壓。在廣告牌表面，不同位置的靜壓和動(dòng)壓差異較大，通過(guò)記錄這些數(shù)據(jù)，可以清晰地了解風(fēng)壓在廣告牌表面的分布情況，確定高壓力區(qū)域和低壓力區(qū)域，為分析廣告牌的受力提供重要依據(jù)。在廣告牌邊緣的測(cè)點(diǎn)，由于氣流的分離和加速，動(dòng)壓較大，靜壓相對(duì)較低，導(dǎo)致總壓變化明顯。速度監(jiān)測(cè)主要包括來(lái)流速度、廣告牌周?chē)鲌?chǎng)中各測(cè)點(diǎn)的速度矢量以及速度大小。來(lái)流速度是CFD模擬的重要輸入?yún)?shù)，在模擬過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保模擬條件的準(zhǔn)確性。對(duì)于廣告牌周?chē)鲌?chǎng)中的速度矢量，通過(guò)監(jiān)測(cè)其方向和大小，可以直觀地了解氣流在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度變化情況。在廣告牌附近，氣流受到廣告牌的阻擋和干擾，速度矢量發(fā)生明顯變化，通過(guò)記錄這些變化，可以深入分析廣告牌對(duì)周?chē)鲌?chǎng)的影響。在廣告牌頂部，氣流會(huì)形成向上的渦旋，速度矢量呈現(xiàn)出復(fù)雜的分布，通過(guò)監(jiān)測(cè)可以準(zhǔn)確捕捉到這種渦旋的形成和發(fā)展過(guò)程。數(shù)據(jù)記錄方式采用自動(dòng)化記錄與人工檢查相結(jié)合的方法。在CFD軟件中設(shè)置數(shù)據(jù)記錄參數(shù)，使軟件在模擬過(guò)程中按照設(shè)定的時(shí)間間隔自動(dòng)記錄各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。對(duì)于關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如廣告牌表面的風(fēng)壓極值、基底剪力和傾覆力矩等，除了自動(dòng)記錄外，還進(jìn)行人工檢查和核對(duì)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。模擬結(jié)果以文本文件和二進(jìn)制文件的形式保存，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。文本文件中記錄了各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間、位置等信息，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和初步分析。二進(jìn)制文件則保存了更詳細(xì)的模擬結(jié)果，包括流場(chǎng)的三維數(shù)據(jù)等，用于后續(xù)的可視化處理和深入分析。4.2計(jì)算結(jié)果分析4.2.1壓力云圖分析通過(guò)CFD模擬，得到了不同工況下疏透型廣告牌的壓力云圖，這些云圖直觀地展示了廣告牌表面和周?chē)鲌?chǎng)的壓力分布特征。在傳統(tǒng)廣告牌（疏透率為0%）的壓力云圖中，可以清晰地看到廣告牌迎風(fēng)面承受著較大的正壓力，壓力分布呈現(xiàn)出中間高、邊緣低的特點(diǎn)。這是因?yàn)闅饬髟谟龅綇V告牌時(shí)，在迎風(fēng)面形成滯止區(qū)域，氣流速度降低，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，導(dǎo)致壓力升高。而在廣告牌的邊緣，由于氣流的分離和加速，壓力相對(duì)較低。在廣告牌的背面，由于氣流的繞流作用，形成了負(fù)壓區(qū)域，負(fù)壓值在廣告牌中心位置相對(duì)較大，向邊緣逐漸減小。這種壓力分布導(dǎo)致廣告牌整體承受較大的風(fēng)荷載，容易產(chǎn)生變形和破壞。對(duì)于疏透型廣告牌，隨著疏透率的增加，壓力分布發(fā)生了顯著變化。當(dāng)疏透率為10%時(shí)，雖然廣告牌迎風(fēng)面的壓力有所減小，但整體壓力分布仍與傳統(tǒng)廣告牌相似。隨著疏透率增加到20%、30%，廣告牌迎風(fēng)面的壓力進(jìn)一步減小，且壓力分布更加均勻。這是因?yàn)殚_(kāi)孔使得部分氣流能夠穿過(guò)廣告牌，減少了迎風(fēng)面的氣流阻滯，降低了壓力峰值。在疏透率為30%的廣告牌壓力云圖中，迎風(fēng)面的壓力峰值明顯降低，壓力分布更加平緩，說(shuō)明開(kāi)孔對(duì)減小風(fēng)荷載起到了顯著作用。而在廣告牌的背面，負(fù)壓區(qū)域的范圍和負(fù)壓值也有所減小，這是由于開(kāi)孔改變了氣流的繞流路徑，減少了背面的氣流分離和渦旋。不同開(kāi)孔分布形式也對(duì)壓力分布產(chǎn)生影響。條孔矩形分布的廣告牌，壓力分布相對(duì)較為規(guī)則，在開(kāi)孔區(qū)域周?chē)鷫毫ψ兓鄬?duì)較小。而條孔梯形分布和條孔倒梯形分布的廣告牌，由于開(kāi)孔形狀和排列的特殊性，在廣告牌表面形成了特定的壓力分布模式。條孔梯形分布使得氣流在廣告牌表面形成了一定的漩渦結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致壓力分布呈現(xiàn)出局部的高低變化。條孔倒梯形分布則在廣告牌底部形成了較大的通風(fēng)空間，使得底部的壓力明顯降低，從而改善了廣告牌的整體受力狀況。通過(guò)對(duì)壓力云圖的分析，可以直觀地了解疏透型廣告牌在風(fēng)作用下的壓力分布規(guī)律，為進(jìn)一步分析廣告牌的風(fēng)效應(yīng)提供了重要依據(jù)。4.2.2測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓曲線分析通過(guò)繪制測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓隨時(shí)間或空間的變化曲線，能夠深入分析風(fēng)壓的波動(dòng)特性和影響因素。選取廣告牌表面不同位置的測(cè)點(diǎn)，繪制其風(fēng)壓隨時(shí)間的變化曲線，結(jié)果顯示，各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓呈現(xiàn)出明顯的波動(dòng)特性。在廣告牌的迎風(fēng)面，由于氣流的不穩(wěn)定和湍流的作用，風(fēng)壓波動(dòng)較為劇烈。而在廣告牌的背風(fēng)面，風(fēng)壓波動(dòng)相對(duì)較小，但也存在一定的周期性變化。這是因?yàn)楸筹L(fēng)面的氣流受到廣告牌的阻擋和繞流影響，形成了一定的尾流結(jié)構(gòu)，尾流中的氣流速度和壓力存在周期性的變化。對(duì)比不同疏透率下同一測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓曲線，發(fā)現(xiàn)隨著疏透率的增加，風(fēng)壓的波動(dòng)幅度逐漸減小。當(dāng)疏透率從10%增加到30%時(shí)，迎風(fēng)面測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓波動(dòng)峰值明顯降低。這是因?yàn)殚_(kāi)孔使得廣告牌表面的氣流更加順暢，減少了氣流的分離和渦旋，從而降低了風(fēng)壓的波動(dòng)。不同開(kāi)孔分布形式也對(duì)風(fēng)壓波動(dòng)產(chǎn)生影響。條孔梯形分布的廣告牌，由于其開(kāi)孔形狀和排列方式，使得氣流在廣告牌表面形成了復(fù)雜的流動(dòng)模式，導(dǎo)致風(fēng)壓波動(dòng)相對(duì)較大。而條孔倒梯形分布的廣告牌，在底部形成了較大的通風(fēng)空間，使得底部的風(fēng)壓波動(dòng)相對(duì)較小，從而改善了廣告牌的整體穩(wěn)定性。繪制測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓隨空間的變化曲線，能夠直觀地展示風(fēng)壓在廣告牌表面的分布規(guī)律。在廣告牌的高度方向上，風(fēng)壓隨著高度的增加而逐漸增大。這是由于風(fēng)速隨高度的增加而增大，根據(jù)伯努利方程，風(fēng)壓與風(fēng)速的平方成正比，因此風(fēng)壓也隨之增大。在廣告牌的寬度方向上，風(fēng)壓在邊緣處變化較為劇烈，而在中心區(qū)域相對(duì)穩(wěn)定。這是因?yàn)檫吘壧幍臍饬鞣蛛x和再附現(xiàn)象較為明顯，導(dǎo)致風(fēng)壓變化較大。通過(guò)對(duì)測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓曲線的分析，可以全面了解疏透型廣告牌在風(fēng)作用下的風(fēng)壓波動(dòng)特性和分布規(guī)律，為廣告牌的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供了重要的數(shù)據(jù)支持。4.2.3基底剪力與傾覆力矩分析通過(guò)CFD模擬計(jì)算得到了廣告牌立柱的基底剪力和傾覆力矩，深入分析它們與疏透率和開(kāi)孔分布的關(guān)系，對(duì)于評(píng)估廣告牌的抗風(fēng)性能具有重要意義。隨著疏透率的增加，廣告牌立柱的基底剪力和傾覆力矩均呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。當(dāng)疏透率從0%（傳統(tǒng)廣告牌）增加到10%時(shí)，基底剪力和傾覆力矩分別下降了約15%和20%。這是因?yàn)殚_(kāi)孔使得部分風(fēng)能夠穿過(guò)廣告牌，減小了廣告牌迎風(fēng)面的風(fēng)壓力，從而降低了作用在立柱上的水平力和傾覆力矩。隨著疏透率進(jìn)一步增加到30%，基底剪力和傾覆力矩下降幅度更為顯著，分別下降了約35%和45%。這表明疏透率的增加能夠有效地減小廣告牌所承受的風(fēng)荷載，提高廣告牌的抗風(fēng)能力。不同開(kāi)孔分布形式對(duì)基底剪力和傾覆力矩也有一定的影響。在相同疏透率下，條孔倒梯形分布的廣告牌基底剪力和傾覆力矩相對(duì)較小。這是因?yàn)闂l孔倒梯形分布在廣告牌底部形成了較大的通風(fēng)空間，使得底部的風(fēng)壓減小，從而降低了作用在立柱底部的水平力和傾覆力矩。而條孔矩形分布和條孔梯形分布的廣告牌，其基底剪力和傾覆力矩相對(duì)較大。條孔矩形分布的開(kāi)孔分布較為均勻，對(duì)風(fēng)壓的減小作用相對(duì)較弱；條孔梯形分布雖然在一定程度上改變了氣流的流動(dòng)方向，但在減小底部風(fēng)壓方面不如條孔倒梯形分布有效。通過(guò)對(duì)基底剪力和傾覆力矩與疏透率和開(kāi)孔分布關(guān)系的分析，可以為疏透型廣告牌的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵的參考依據(jù)。在實(shí)際工程中，可以根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求和場(chǎng)地條件，選擇合適的疏透率和開(kāi)孔分布形式，以減小廣告牌的基底剪力和傾覆力矩，提高廣告牌在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下的穩(wěn)定性和安全性。4.3疏透率對(duì)風(fēng)荷載的影響4.3.1不同疏透率廣告牌對(duì)比通過(guò)對(duì)不同疏透率廣告牌的模擬結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，深入分析疏透率對(duì)風(fēng)荷載的影響規(guī)律。在模擬過(guò)程中，保持其他條件（如風(fēng)速、廣告牌尺寸、開(kāi)孔分布形式等）不變，僅改變疏透率。當(dāng)疏透率為10%時(shí)，廣告牌表面的風(fēng)壓分布呈現(xiàn)出一定的特點(diǎn)。在迎風(fēng)面，由于開(kāi)孔較少，氣流受阻程度相對(duì)較大，風(fēng)壓仍然較高，但相較于傳統(tǒng)無(wú)開(kāi)孔廣告牌，風(fēng)壓已有一定程度的降低。在廣告牌的邊緣和拐角處，由于氣流的分離和再附，風(fēng)壓變化較為劇烈，存在明顯的壓力峰值和谷值。在背風(fēng)面，負(fù)壓區(qū)域仍然存在，但負(fù)壓值相對(duì)傳統(tǒng)廣告牌有所減小。此時(shí)，廣告牌立柱的基底剪力和傾覆力矩相對(duì)較大，表明風(fēng)荷載對(duì)廣告牌的作用仍然較為顯著。隨著疏透率增加到20%，廣告牌迎風(fēng)面的風(fēng)壓進(jìn)一步降低，壓力分布更加均勻。開(kāi)孔數(shù)量的增加使得更多的氣流能夠穿過(guò)廣告牌，減少了迎風(fēng)面的氣流阻滯，降低了壓力峰值。在背風(fēng)面，負(fù)壓區(qū)域的范圍和負(fù)壓值進(jìn)一步減小，說(shuō)明開(kāi)孔對(duì)改變氣流繞流路徑、減小背風(fēng)面壓力起到了更明顯的作用。相應(yīng)地，廣告牌立柱的基底剪力和傾覆力矩也有較大幅度的下降，分別下降了約25%和30%，表明風(fēng)荷載對(duì)廣告牌的作用明顯減弱。當(dāng)疏透率達(dá)到30%時(shí)，廣告牌的風(fēng)荷載特性發(fā)生了更為顯著的變化。迎風(fēng)面的風(fēng)壓顯著降低，壓力分布趨于平緩，氣流能夠較為順暢地穿過(guò)廣告牌，減少了氣流的分離和渦旋。背風(fēng)面的負(fù)壓區(qū)域進(jìn)一步縮小，負(fù)壓值也降至較低水平。此時(shí)，廣告牌立柱的基底剪力和傾覆力矩下降幅度更為明顯，分別下降了約35%和45%，表明疏透率的增加對(duì)減小風(fēng)荷載效果顯著。不同疏透率下廣告牌的風(fēng)荷載參數(shù)變化趨勢(shì)表明，疏透率與風(fēng)荷載之間存在著密切的關(guān)系。隨著疏透率的增加，廣告牌所承受的風(fēng)荷載呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，這種趨勢(shì)在基底剪力和傾覆力矩的變化上表現(xiàn)得尤為明顯。疏透率的變化還會(huì)影響廣告牌表面的風(fēng)壓分布，使風(fēng)壓分布更加均勻，減少了局部壓力集中現(xiàn)象。這是因?yàn)殚_(kāi)孔使得氣流能夠在廣告牌表面形成更復(fù)雜的流動(dòng)模式，降低了氣流的阻滯和分離，從而減小了風(fēng)荷載。通過(guò)對(duì)不同疏透率廣告牌的對(duì)比分析，可以為疏透型廣告牌的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。在實(shí)際工程中，根據(jù)廣告牌的使用環(huán)境和設(shè)計(jì)要求，合理選擇疏透率，能夠有效地降低風(fēng)荷載，提高廣告牌的抗風(fēng)性能。4.3.2最佳疏透率的確定為了確定使風(fēng)荷載最小的最佳疏透率，對(duì)不同疏透率下廣告牌的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入的數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合理論計(jì)算進(jìn)行綜合判斷。從數(shù)據(jù)分析結(jié)果來(lái)看，隨著疏透率的增加，廣告牌的基底剪力和傾覆力矩逐漸減小。在疏透率從10%增加到30%的過(guò)程中，基底剪力和傾覆力矩的下降幅度較為明顯。當(dāng)疏透率超過(guò)30%后，雖然風(fēng)荷載仍有一定程度的減小，但減小的幅度逐漸變緩。當(dāng)疏透率達(dá)到40%時(shí)，基底剪力和傾覆力矩相較于疏透率為30%時(shí)，分別下降了約5%和8%，下降幅度相對(duì)較小。從理論計(jì)算的角度出發(fā)，根據(jù)流體力學(xué)的相關(guān)理論，建立了疏透型廣告牌風(fēng)荷載與疏透率之間的理論模型。通過(guò)該模型的計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)疏透率達(dá)到一定值后，繼續(xù)增加疏透率對(duì)減小風(fēng)荷載的作用逐漸減弱。這是因?yàn)楫?dāng)疏透率增加時(shí)，雖然更多的氣流能夠穿過(guò)廣告牌，減小了迎風(fēng)面的風(fēng)壓力，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致廣告牌的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有所降低，使得廣告牌在風(fēng)荷載作用下的變形增加，從而在一定程度上抵消了部分減小風(fēng)荷載的效果。綜合考慮風(fēng)荷載的減小效果和廣告牌的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、廣告展示效果等因素，確定使風(fēng)荷載最小的最佳疏透率為30%。在這個(gè)疏透率下，廣告牌既能有效地減小風(fēng)荷載，降低立柱的基底剪力和傾覆力矩，提高抗風(fēng)性能，又能保證廣告牌的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，同時(shí)不會(huì)對(duì)廣告展示效果產(chǎn)生較大的影響。在實(shí)際工程應(yīng)用中，選擇疏透率為30%的疏透型廣告牌，可以在保證安全的前提下，實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益和廣告宣傳效果。當(dāng)然，對(duì)于一些特殊的使用環(huán)境和設(shè)計(jì)要求，還需要根據(jù)具體情況對(duì)疏透率進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。在風(fēng)力較強(qiáng)的地區(qū)，可能需要適當(dāng)提高疏透率以增強(qiáng)廣告牌的抗風(fēng)能力；而對(duì)于對(duì)廣告展示效果要求較高的場(chǎng)合，則需要在減小風(fēng)荷載和保證展示效果之間進(jìn)行更加細(xì)致的權(quán)衡。4.4開(kāi)孔分布形式對(duì)風(fēng)荷載的影響4.4.1不同開(kāi)孔分布形式對(duì)比通過(guò)CFD模擬，對(duì)條孔矩形分布、條孔梯形分布和條孔倒梯形分布這三種開(kāi)孔分布形式的廣告牌風(fēng)荷載特性進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。在條孔矩形分布的廣告牌中，風(fēng)在穿過(guò)開(kāi)孔時(shí)，由于孔的排列規(guī)則，氣流的流動(dòng)相對(duì)較為平穩(wěn)。在廣告牌的迎風(fēng)面，風(fēng)壓分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，在開(kāi)孔區(qū)域周?chē)?，風(fēng)壓相對(duì)較低，而在未開(kāi)孔的區(qū)域，風(fēng)壓相對(duì)較高。這是因?yàn)殚_(kāi)孔使得部分氣流能夠順利穿過(guò)廣告牌，減少了迎風(fēng)面的氣流阻滯，從而降低了開(kāi)孔區(qū)域的風(fēng)壓。在背風(fēng)面，由于氣流的繞流作用，形成了一定的負(fù)壓區(qū)域，但負(fù)壓值相對(duì)較小。在條孔矩形分布的廣告牌中，背風(fēng)面的負(fù)壓區(qū)域主要集中在廣告牌的中心位置，向邊緣逐漸減小。條孔梯形分布的廣告牌，由于開(kāi)孔形狀和排列的特殊性，風(fēng)在穿過(guò)廣告牌時(shí)會(huì)形成更為復(fù)雜的流場(chǎng)。在迎風(fēng)面，風(fēng)壓分布呈現(xiàn)出局部的高低變化。這是因?yàn)樘菪伍_(kāi)孔使得氣流在廣告牌表面產(chǎn)生了特定的漩渦結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致風(fēng)壓分布不均勻。在漩渦中心區(qū)域，風(fēng)壓較低，而在漩渦邊緣，風(fēng)壓相對(duì)較高。在背風(fēng)面，負(fù)壓區(qū)域的范圍和負(fù)壓值相對(duì)較大。這是由于梯形開(kāi)孔改變了氣流的繞流路徑，使得背風(fēng)面的氣流分離和渦旋現(xiàn)象更加明顯，從而增大了背風(fēng)面的負(fù)壓。條孔倒梯形分布的廣告牌，在底部形成了較大的通風(fēng)空間，這對(duì)風(fēng)荷載產(chǎn)生了顯著的影響。在迎風(fēng)面，底部的風(fēng)壓明顯降低，這是因?yàn)榈撞枯^大的通風(fēng)空間使得氣流能夠更順暢地通過(guò)，減少了底部的氣流阻滯。在廣告牌的上部，風(fēng)壓分布相對(duì)較為均勻，但整體風(fēng)壓值也有所降低。在背風(fēng)面，負(fù)壓區(qū)域的范圍和負(fù)壓值相對(duì)較小。這是因?yàn)榈固菪伍_(kāi)孔使得氣流在廣告牌表面的流動(dòng)更加均勻，減少了背風(fēng)面的氣流分離和渦旋，從而降低了背風(fēng)面的負(fù)壓。不同開(kāi)孔分布形式對(duì)風(fēng)荷載的影響主要體現(xiàn)在風(fēng)壓分布和基底剪力、傾覆力矩等方面。條孔矩形分布的廣告牌風(fēng)壓分布相對(duì)較為規(guī)則，對(duì)風(fēng)荷載的減小作用相對(duì)較弱；條孔梯形分布的廣告牌風(fēng)壓分布不均勻，背風(fēng)面負(fù)壓較大，導(dǎo)致基底剪力和傾覆力矩相對(duì)較大；條孔倒梯形分布的廣告牌在底部形成較大通風(fēng)空間，有效減小了底部風(fēng)壓和背風(fēng)面負(fù)壓，使得基底剪力和傾覆力矩相對(duì)較小。通過(guò)對(duì)不同開(kāi)孔分布形式廣告牌風(fēng)荷載特性的對(duì)比分析，可以為疏透型廣告牌的設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)，選擇合適的開(kāi)孔分布形式，能夠有效減小風(fēng)荷載，提高廣告牌的抗風(fēng)性能。4.4.2最佳開(kāi)孔分布形式的確定綜合考慮風(fēng)荷載和廣告牌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，通過(guò)對(duì)不同開(kāi)孔分布形式的模擬結(jié)果進(jìn)行深入分析，確定最佳開(kāi)孔分布形式。從風(fēng)荷載角度來(lái)看，條孔倒梯形分布的廣告牌在減小風(fēng)荷載方面表現(xiàn)最為出色。在相同疏透率下，其基底剪力和傾覆力矩相對(duì)較小。這是因?yàn)闂l孔倒梯形分布在廣告牌底部形成了較大的通風(fēng)空間，使得底部的風(fēng)壓顯著降低，從而減小了作用在立柱底部的水平力和傾覆力矩。在模擬疏透率為30%的工況下，條孔倒梯形分布的廣告牌基底剪力相較于條孔矩形分布降低了約10%，傾覆力矩降低了約15%。在廣告牌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面，條孔倒梯形分布也具有一定優(yōu)勢(shì)。由于底部風(fēng)壓的減小，廣告牌底部所受的壓力相對(duì)均勻，減少了因壓力集中導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞風(fēng)險(xiǎn)。較大的通風(fēng)空間使得廣告牌在風(fēng)中的受力更加合理，降低了結(jié)構(gòu)變形和倒塌的可能性。在實(shí)際工程中，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是廣告牌設(shè)計(jì)的重要考量因素，條孔倒梯形分布能夠在保證風(fēng)荷載較小的同時(shí)，提高廣告牌的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。綜合風(fēng)荷載和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性?xún)煞矫嬉蛩?，條孔倒梯形分布被確定為最佳開(kāi)孔分布形式。這種開(kāi)孔分布形式不僅能夠有效減小風(fēng)荷載，降低廣告牌在強(qiáng)風(fēng)作用下的受力，提高抗風(fēng)性能，還能保證廣告牌的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，減少結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)廣告牌的具體使用環(huán)境和設(shè)計(jì)要求，選擇條孔倒梯形分布作為開(kāi)孔分布形式，以實(shí)現(xiàn)廣告牌的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)然，對(duì)于一些特殊情況，如廣告牌的安裝位置、周?chē)h(huán)境等因素的影響，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的分析和研究，對(duì)開(kāi)孔分布形式進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和優(yōu)化。五、疏透型廣告牌風(fēng)致響應(yīng)分析5.1SAP模型的建立5.1.1模型簡(jiǎn)化與參數(shù)設(shè)置將疏透型廣告牌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為SAP2000模型，在簡(jiǎn)化過(guò)程中，充分考慮廣告牌的實(shí)際受力特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)形式。忽略廣告牌面板上的一些次要細(xì)節(jié)，如廣告牌表面的微小凸起、裝飾線條等，將廣告牌面板簡(jiǎn)化為平面薄板單元，僅保留其主要的承載功能。對(duì)于廣告牌的支撐結(jié)構(gòu)，包括獨(dú)立柱和橫向鋼梁，采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，通過(guò)合理設(shè)置梁?jiǎn)卧慕孛嫣匦院筒牧蠀?shù)，準(zhǔn)確反映支撐結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。將獨(dú)立柱簡(jiǎn)化為等截面梁?jiǎn)卧鶕?jù)實(shí)際尺寸設(shè)置其截面面積、慣性矩等參數(shù)。在參數(shù)設(shè)置方面，材料參數(shù)的選擇至關(guān)重要。廣告牌的面板通常采用金屬材料，如鋁合金或鋼材，根據(jù)實(shí)際選用的材料，在SAP2000中設(shè)置相應(yīng)的彈性模量、泊松比和密度。鋁合金的彈性模量一般在70GPa左右，泊松比約為0.33，密度為2700kg/m3；