ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN VĂN THƠNG

THÍ NGHIỆM HẦM GIĨ ẢO CHO CƠNG TRÌNH NHÀ
BẰNG MƠ PHỎNG CFD

Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng và cơng nghiệp
Mã số ngành:

60 58 02 08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp. Hồ Chí Minh, 02 - 2018


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:
Cán bộ hướng dẫn 1: TS. Nguyễn Hữu Thành
Cán bộ hướng dẫn 2: PGS.TS. Nguyễn Quốc Ý
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Lê Văn Phước Nhân

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Lê Trung Kiên
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM,
ngày 07 tháng 02 năm 2018.

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch: PGS. TS. Nguyễn Văn Hiệp ...........................
2. Thư kí: PGS. TS. Nguyễn Minh Long............................
3. Phản biện 1 (thành viên): TS. Lê Văn Phước Nhân .......
4. Phản biện 2 (thành viên): TS. Lê Trung Kiên ................
5. Thành viên: TS. Hồ Hữu Chỉnh......................................
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN VĂN THÔNG

MSHV: 1570658

Ngày, tháng, năm sinh: 20/08/1992

Nơi sinh: Bình Định

Chun ngành: KTXD cơng trình dân dụng và cơng nghiệp

MN: 60 58 02 08


I. TÊN ĐỀ TÀI: Thí nghiệm hầm gió ảo cho cơng trình nhà bằng mơ phỏng CFD
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
1. Tìm hiểu cơ sở lý thuyết CFD, phần mềm Ansys Fluent và bản chất các thơng số
trong phân tích gió.
2. Sử dụng phần mềm Ansys Fluent mơ phỏng và phân tích các nghiên cứu đã được
công bố.
3. Sử dụng phương pháp CFD để xác định tải trọng gió tĩnh tác dụng lên cơng trình.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: 10/07/2017

IV. NGÀY HỒN THÀNH NHIỆM VỤ : 07/02/2018
V. HỌ VÀ TÊN CBHD: TS. Nguyễn Hữu Thành, PGS.TS. Nguyễn Quốc Ý
Tp. HCM, ngày…. tháng…. Năm …..

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG NGÀNH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1

TS. Nguyễn Hữu Thành
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS. TS. Nguyễn Quốc Ý

1



LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ Xây dựng cơng trình dân dụng và công nghiệp nằm trong hệ thống
bài luận cuối khóa nhằm trang bị cho Học viên cao học khả năng tự nghiên cứu, biết
cách giải quyết những vấn đề cụ thể đặt ra trong thực tế xây dựng… Đó là trách nhiệm
và niềm tự hào của mỗi học viên cao học.
Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, học viên đã
nhận được sự giúp đỡ từ tập thể và các cá nhân. Học viên xin ghi nhận và tỏ lòng biết
ơn đến tập thể và các cá nhân đã dành cho học viên sự giúp đỡ quý báu đó.
Đầu tiên Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TS. Nguyễn Hữu Thành
và thầy PGS.TS. Nguyễn Quốc Ý. Thầy đã đưa ra gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý
tưởng của đề tài và Thầy góp ý rất nhiều về cách nhận định đúng đắn trong những vấn
đề nghiên cứu, cũng như cách tiếp cận nghiên cứu hiệu quả và giúp đỡ những lúc khó
khăn trong quá trình thực hiện đề tài.
Học viên xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ Thuật Xây dựng, trường
Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã truyền dạy những kiến thức q giá, đó cũng là những
kiến thức khơng thể thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và sự nghiệp sau này.
Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của bản thân,
tuy nhiên khơng thể khơng có những thiếu sót. Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm
để học viên bổ sung những kiến thức và hoàn thiện Luận văn của mình.
Xin trân trọng cảm ơn.
Tp. HCM, ngày

tháng

năm 2018

Nguyễn Văn Thơng

3



TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hiện nay cùng với sự phát triển của ngành xây dựng là hàng loạt các cơng trình có
chiều cao lớn, hình dáng phức tạp và xây chen ra đời dẫn đến việc xác định tải trọng gió
lên các cơng trình này là tương đối khó khăn, tốn kém. Vì vậy, trong luận văn này học
viên nghiên cứu đề xuất phương pháp xác định tải trọng gió, đặc biệt cho các cơng trình
khơng có trong bảng tra của các tiêu chuẩn.
Để kiểm chứng khả năng ứng dụng của phần mềm, khả năng mô phỏng và đánh
giá gió xung quanh cơng trình nên học viên tiến hành mơ phỏng cơng trình có dạng hình
trụ (CAARC) của các nghiên cứu trước đây đã có kết quả mơ phỏng và thí nghiệm hầm
gió. Cả hai mơ phỏng này đều áp dụng mơ hình k   có sự điều chỉnh (mơ hình MMK)
so với mơ hình standard k   , mơ hình điều chỉnh này được đề cập trong nghiên cứu
của Murakami cùng cộng sự (1997).
Sau khi khảo sát mơ hình, mật độ lưới và xác định các thông số dùng trong mô
phỏng, học viên tiếp tục áp dụng phương pháp CFD trong phần mềm Ansys Fluent để
xác định và phân tích tải trọng gió tĩnh cho cơng trình thực tế có hình dạng mặt bằng và
mặt đứng phức tạp, khơng có trong các bảng tra của tiêu chuẩn thiết kế gió. Từ đó có
những nhận định quan trọng giữa phương pháp CFD và tính tốn theo tiêu chuẩn trong
xác định lực gió tĩnh tác dụng lên cơng trình.

2


LỜI CAM ĐOAN
Ngoại trừ các kết quả tham khảo từ các cơng trình nghiên cứu khác đã trích dẫn
trong luận văn, tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tơi thực hiện dưới sự hướng
dẫn của PGS. TS. Nguyễn Quốc Ý và TS. Nguyễn Hữu Thành.
Kết quả trong Luận văn chưa từng được công bố trong các nghiên cứu khác.
Học viên xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình.
Tp. HCM, ngày


tháng

năm 2018

Nguyễn Văn Thơng

4


MỤC LỤC
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ .................................................................................2
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................3
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................4
MỤC LỤC .......................................................................................................................5
DANH MỤC HÌNH ẢNH ...............................................................................................8
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...........................................................................................10
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .....................................................................................11
DANH MỤC KÍ HIỆU ..................................................................................................12
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .........................................................................................13
1.1. Đặt vấn đề ..........................................................................................................13
1.2. Tình hình nghiên cứu .........................................................................................19
1.3. Sự cần thiết, mục tiêu, phạm vi nghiên cứu và ý nghĩa đề tài ...........................21
1.4. Nội dung của nghiên cứu ...................................................................................21
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT ...............................................................................23
2.1. Cơ sở lý thuyết của CFD về khí động lực học ...................................................23
Định luật bảo tồn khối lượng ....................................................................23
Định luật II Newton ....................................................................................24
2.2. Phương pháp giải phương trình chủ đạo ............................................................25
2.3. Mơ hình Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) và mơ hình MMK .........25

Mơ hình Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) ...............................27
Mơ hình MMK ............................................................................................28
CHƯƠNG 3. KIẾM CHỨNG PHƯƠNG PHÁP CFD .................................................30
3.1. Mô phỏng nghiên cứu của Huang cùng cộng sự (2007) ....................................30
Miền tính toán và mật độ lưới.....................................................................30
5


Mơ hình rối .................................................................................................34
Điều kiện biên .............................................................................................35
Kết quả và nhận xét ....................................................................................37
Kết luận .......................................................................................................41
3.2. Mô phỏng bài báo của Huang cùng cộng sự (2007) có thay đổi miền tính tốn
.......................................................................................................................................41
Miền tính tốn áp dụng trong mơ phỏng ....................................................41
Kết quả và phân tích ...................................................................................42
Kết luận .......................................................................................................46
3.3. Mơ phỏng nghiên cứu của Kim cùng cộng sự (2003) ........................................46
Thông số ban đầu ........................................................................................47
Kết quả và nhận xét ....................................................................................48
Kết luận .......................................................................................................53
CHƯƠNG 4. TÍNH TỐN TẢI TRỌNG GIĨ TĨNH CHO CƠNG TRÌNH NHÀ BẰNG
MƠ PHỎNG CFD .........................................................................................................54
4.1. Tổng quan ...........................................................................................................54
4.2. Thông số ban đầu ...............................................................................................56
Hàm vận tốc theo phương đứng..................................................................56
Cường độ rối và kích thước xốy ...............................................................58
Mật độ lưới và mơ hình ..............................................................................60
4.3. Kết quả và nhận xét ............................................................................................61
Gió phương X .............................................................................................61

Gió phương Y .............................................................................................69
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................76
5.1. Kết luận ..............................................................................................................76
5.2. Kiến nghị và hướng phát triển............................................................................77
6


TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................78
PHỤ LỤC ......................................................................................................................82
Phụ lục A. Xác định miền tính tốn (computational domain) .......................................82
Phụ lục B. Khảo sát hệ số lực ........................................................................................95
Phụ lục C. Kết quả hệ số lực tính tốn theo tiêu chuẩn và phân tích CFD .................101
Phụ lục D. Mơ hình MMK ..........................................................................................110
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .........................................................................................112

7


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. The Everrich 2 (Quận 7 – TP.HCM) .............................................................15
Hình 1.2. Chung cư CT3 (Hồng Mai – Hà Nội) ..........................................................15
Hình 1.3. Tổ hợp cơng trình Keangnam ........................................................................16
Hình 1.4. Cơng trình Platinum Park (Kuala Lumpur, Malaysia) ..................................16
Hình 1.5. Cơng trình Shanghai Tower (Thượng Hải, Trung Quốc) ..............................17
Hình 1.6. Hầm gió 2 của CPP........................................................................................18
Hình 1.7. Mắt cắt ngang mơ hình hầm gió (Jaeyong Chung cùng cộng sự, 2012) .......18
Hình 2.1. Các phương pháp giải sử dụng trong CFD của các phần mềm .....................25
Hình 3.1. Miền tính tốn và điều kiện biên (Huang cùng cộng sự, 2007) ....................30
Hình 3.2. Miền tính tốn khảo sát .................................................................................31
Hình 3.3. Hệ số lực tính tốn cho các trường hợp .........................................................32

Hình 3.4. Cách chia lưới ................................................................................................32
Hình 3.5. Miền tính tốn dùng khảo sát chiều dài phía sau cơng trình zone 1 (L) .......33
Hình 3.6. Ảnh hưởng chiều dài L đến hệ số lực ............................................................34
Hình 3.7. Đồ thị phân bố vận tốc...................................................................................35
Hình 3.8. Phân bố cường độ rối.....................................................................................36
Hình 3.9. Hệ số áp suất Cp tại chiều cao Z = 2/3 H của CAARC building ...................38
Hình 3.10. Phân bố vận tốc gió trên mặt phẳng X-Y tại Z = 2/3H ..............................39
Hình 3.11. Phân bố vận tốc gió trên mặt phẳng X-Z tại y = 0 ......................................40
Hình 3.12. Miền tính tốn và điều kiện biên (tác giả) ...................................................42
Hình 3.13. Hệ số áp suất Cp tại chiều cao Z = 2/3 H của CAARC building .................43
Hình 3.14. Phân bố vận tốc gió trên mặt phẳng X-Y tại Z = 2/3H ..............................44
Hình 3.15. Phân bố vận tốc gió trên mặt phẳng X-Z tại y = 0 ......................................45
Hình 3.16. Hệ thống tạo các lớp biên ............................................................................46
Hình 3.17. Phân bố vận tốc và cường độ rối (Kim cùng cộng sự, 2003) [19] ..............47
Hình 3.18. Các mặt phẳng khảo sát ...............................................................................48
Hình 3.19. Dịng khơng khí tại mặt phẳng trung tâm ....................................................49
Hình 3.20. Dịng khơng khí tại mặt phẳng 0.5H ...........................................................49
Hình 3.21. Dịng khơng khí tại mặt phẳng 1.0H ...........................................................50

8


Hình 3.22. Các kí hiệu của kích thước sử dụng cho Bảng 3.6 ......................................51
Hình 3.23. So sánh kích thước xốy của Kim và CFD tại mặt phẳng trung tâm ..........52
Hình 3.24. So sánh kích thước xốy của Kim và CFD tại mặt phẳng 0.5H..................52
Hình 3.25. So sánh kích thước xốy của Kim và CFD tại mặt phẳng 1.0H..................53
Hình 4.1. Phối cảnh The EverRich 2 .............................................................................54
Hình 4.2. Kí hiệu các block và các giai đoạn thi cơng ..................................................55
Hình 4.3. Các trường hợp phân tích tải trọng gió tĩnh ..................................................56
Hình 4.4. Đồ thị vận tốc thay đổi theo chiều cao ..........................................................58

x
Hình 4.5. Hệ số xác định Lu .........................................................................................59

Hình 4.6. Hệ lưới và điều kiện biên của trường hợp 3 ..................................................60
Hình 4.7. Mật độ lưới ....................................................................................................60
Hình 4.8. Phân bố vận tốc 3D tại cao độ z = 0.3h và z = 0.7h ......................................62
Hình 4.9. Phân bố vận tốc trên mặt bằng tại cao độ z = 0.3h và z = 0.7h .....................63
Hình 4.10. Phân bố áp suất trên bề mặt cơng trình .......................................................65
Hình 4.11. Phân bố lực gió theo chiều cao ....................................................................67
Hình 4.12. Phân bố vận tốc 3D tại cao độ z = 0.3h và z = 0.7h ....................................70
Hình 4.13. Phân bố vận tốc trên mặt bằng tại cao độ z = 0.3h và z = 0.7h ...................71
Hình 4.14. Phân bố áp suất trên bề mặt cơng trình .......................................................73
Hình 4.15. Phân bố lực gió theo chiều cao ....................................................................74
Hình A.5.1. Kí hiệu các kích thước miền tính tốn .......................................................82
Hình A.5.2. Sự biến thiên áp lực khi thay đổi B ...........................................................83
Hình A.5.3. Sự biến thiên áp lực khi thay đổi L2 ..........................................................86
Hình A.5.4. Sự biến thiên áp lực khi thay đổi L1 ..........................................................88
Hình A.5.5. Kí hiệu các kích thước ...............................................................................89
Hình A.5.6. Vận tốc và lực gió từ CFD (h/b=5)............................................................90
Hình A.5.7. Biến thiên hệ số lực khi H thay đổi ...........................................................91
Hình A.5.8. Kích thước hầm gió ảo từ phân tích CFD..................................................92
Hình A.5.9. Kích thước hầm gió ảo (Y. Tominaga and T. Stathopoulos, 2008) ..........92
Hình A.5.10. Kích thước hầm gió ảo (M. Lateb cùng cộng sự, 2013) ..........................92
Hình A.5.11. Kích thước hầm gió ảo (Agerneh K. Dagnew cùng cộng sự, 2009) .......93

9


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Tóm tắt giới hạn ngồi phạm vi tiêu chuẩn thiết kế gió ...............................14

Bảng 2.1. Cơng thức của các mơ hình (Murakami cùng cộng sự, 1997) [24] ..............28
Bảng 3.1. Kết quả khảo sát mật độ lưới ........................................................................31
Bảng 3.2. Kết quả khảo sát L ........................................................................................33
Bảng 3.3. So sánh kết quả CD và CL với kết quả thí nghiệm hầm gió...........................37
Bảng 3.4. So sánh kết quả CD và CL từ các phân tích ...................................................42
Bảng 3.5. Kích thước hình trụ và chiều cao lớp biên (Kim cùng cộng sự, 2003) [19] .47
Bảng 3.6. Kích thước của dịng xốy xung quanh cơng trình .......................................51
Bảng A.1. Kết quả áp lực khi B thay đổi.......................................................................83
Bảng A.2. Chênh lệch áp lực của các trường hợp phân tích .........................................84
Bảng A.3. Các trường hợp phân tích khảo sát L2 ..........................................................85
Bảng A.4. Kết quả áp lực khi L2 thay đổi .....................................................................85
Bảng A.5. Chênh lệch áp lực của các trường hợp phân tích L2 ....................................86
Bảng A.6. Các trường hợp phân tích khảo sát L1 ..........................................................87
Bảng A.7. Kết quả áp lực khi L1 thay đổi .....................................................................87
Bảng A.8. Chênh lệch áp lực của các trường hợp phân tích L1 ....................................88
Bảng A.9 Các trường hợp khảo sát ...............................................................................89
Bảng A.10. Kết quả phân tích .......................................................................................90

10


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
CFD

Động lực học chất lưu (Computational Fluid Dynamic)

CAARC

Commonwealth Advisory Aeronautical Council


RANS

Mơ hình RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes )

LES

Mơ hình LES (Large eddy simulation)

WT

Thí nghiệm hầm gió

Re

Hệ số Reynolds

11


DANH MỤC KÍ HIỆU
Ký hiệu

m

Khối lượng của phần tử

t

Biến thời gian




Khối lượng riêng khơng khí (air density)

V

Thể tích



Véc tơ vận tốc

n

Véc tơ pháp tuyết

S

Diện tích bề mặt

g

Lực khối

u , v, w

Thành phần vận tốc theo phương x , y và

p


Áp suất



Hệ số nhớt

k

Động năng của dòng rối (turbulence kinematic energy)



Tốc độ tiêu tán năng lượng (turbulence dissipation rate)

I

Cường độ rối ( the turbulence intensity)

l

Kích thước xốy (turbulence length scale)

Z

Chiều cao trên mặt đất

U (Z )

Vận tốc tại chiều cao Z


CD

Hệ số lực theo phương tác động ( the drag force coefficients)

CL

Hệ số lực vng góc với phương tác động (the transverse

z

force coefficients)
Cp

Hệ số áp suất (wind pressure coefficient)

FD ( z )

Lực gió theo phương tác động tại chiều cao z (the steady
forces acting parallel to the along-wind direction at z )

FL ( z )

Lực gió theo phương vng góc với phương tác động tại
chiều cao z (the steady forces acting transverse to the alongwind direction at z )

12


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1. Đặt vấn đề
Với sự phát triển của các cơng trình xây dựng cả về chiều cao và hình dáng thì việc
xác định chính xác tải trọng gió tác dụng lên cơng trình là một chủ đề nghiên cứu rất
quan trọng và cấp thiết. Đặc biệt là những cơng trình khơng có bảng tra sẵn trong tiêu
chuẩn, cơng trình xây chen và cơng trình cao.
Hiện nay có nhiều tiêu chuẩn thiết kế gió của các quốc gia trên thế giới đề cập đến
việc tính tốn tải trọng gió tác động lên cơng trình, tuy nhiên các tiêu chuẩn đều có
những hạn chế nhất định về chiều cao, hình dáng và hướng gió khi áp dụng. Cụ thể như:
(1) Tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 (1995) mục 6.7.3 phát biểu “ Những trường
hợp chưa xét đến trong bảng 6 (các dạng nhà và cơng trình khác, theo
hướng gió khác, các thành phần cản chung của vật thể theo hướng khác),
hệ số khí động phải lấy theo thực nghiệm hoặc các chỉ dẫn riêng”, mục
6.12 phát biểu “Đối với các công trình cao và kết cấu mềm (ống khói, trụ,
tháp...) cịn phải kiểm tra tình trạng mất ổn định. Chỉ dẫn tính tốn và giải
pháp giảm dao động của kết cấu đó được xác lập bằng những nghiên cứu
riêng trên cơ sở các số liệu thử nghiệm khí động”.
(2) Tiêu chuẩn ASCE/SEI 7-10 (2013), mục C26.1.2 (3) chỉ áp dụng cho các
cơng trình có chiều cao h  400 ft 122m  , h Bmin  4 , f1  0.25Hz và

Vz

 f1  Bmin   5 .

(3) Tiêu chuẩn EN 1991-1-4:2005 (2005) chỉ áp dụng cho cơng trình có chiều
cao lên đến 200 (m) và không xét đến dao động xoắn của cơng trình.
(4) Tiêu chuẩn AS-NZS 1170-2 (2011), mục 1.1 nêu chỉ áp dụng cho cơng
trình có chiều cao thấp hơn hoặc bằng 200 (m), kết cấu mái có nhịp đến
100m.
(5) Tiêu chuẩn (Code of Practice on Wind Effects in Hong Kong, 2004), mục
1.1 nêu tiêu chuẩn này khơng áp dụng cho những cơng trình có hình dạng

bất kì và những cơng trình đặt tại những địa điểm có tác động gió bất lợi.
Đối với những cơng trình trên thì cần có dữ liệu của thí nghiệm hầm gió.

13


(6) Tiêu chuẩn “Uniform Building Code, 1997: Wind Load Provisions” nêu
khơng áp dụng tính tốn cho cơng trình có chiều cao hơn 400 ft (122 m).
Bảng 1.1. Tóm tắt giới hạn ngồi phạm vi tiêu chuẩn thiết kế gió
Tiêu

ASCE/SEI 7-10

chuẩn

(2013)

EN 1991-

AS-NZS

1- 4:2005

1170-2

(2005)

(2011)

UBC

1997

h ≥ 400ft (122m),

AIJ 2004

Không

Chiều

h/Bmin > 4,

h ≥ 200m,

h ≥ 200m,

h ≥ 400ft

có giới

cao

f1 ≤ 0.25 Hz,

f1 ≤ 0.2Hz

L ≥ 100m

(122m)


hạn rõ

Vz/(f1*Bmin) > 5
Hình
dáng

ràng

Khơng áp dụng cho cơng trình có hình dạng phức tạp

Nhìn chung các tiêu chuẩn trên thế giới và trong nước đều không đề cập đến việc
tính tốn những cơng trình có hình dáng phức tạp và chiều cao lớn, chỉ hướng dẫn tính
tốn cho cơng trình có hình dạng đơn giản như hình chữ nhật, hình trịn hay những hình
đối xứng...và khống chế về mặt chiều cao đối với nhà cao tầng, chiều cao đề cập áp dụng
tiêu chuẩn thấp nhất là 48.8m (ASCE/SEI 7-10, 2013) và cao nhất là 200m (AS-NZS
1170-2, 2011).
Theo chỉ dẫn của tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 (1995) chỉ đề cập đến cơng trình
có mặt bằng là đa giác (hình chữ nhật, hình thoi, tam giác đều, hình trịn…) và khơng
thay đổi theo chiều cao. Tuy nhiên hiện nay trong thực tế vẫn áp dụng các tiêu chuẩn
này để tính tốn tải trọng gió tĩnh cho những cơng trình có hình dạng khơng có trong
bảng 6 TCVN 2737:1995 (1995) nên việc xác định tải trọng gió tĩnh tác dụng lên cơng
trình là khơng chính xác và ảnh hưởng đến kết quả thiết kế. Dưới đây là một vài cơng
trình điển hình ở Việt Nam có hình dáng, chiều cao vượt giới hạn nhưng vẫn áp dụng
tiêu chuẩn để tính tốn tải trọng gió tác dụng lên cơng trình.

14


Hình 1.1. The Everrich 2 (Quận 7 – TP.HCM) [30]


Hình 1.2. Chung cư CT3 (Hoàng Mai – Hà Nội)
– Masteri Thảo Điền (Q.2 – TP. HCM) [31]
Cơng trình The Everrich 2 có hình dáng khơng đề cập trong TCVN 2737:1995
(1995) và chiều cao vượt quá giới hạn cho phép áp dụng tiêu chuẩn. Ngồi những cơng
trình được đề cập trên, tại Việt Nam hiện nay cịn có rất nhiều cơng trình có chiều cao
vượt giới hạn cho phép và hình dạng mặt bằng, mặt đứng không đề cập trong tiêu chuẩn
nhưng vẫn áp dụng theo chỉ dẫn trong tiêu chuẩn để tính tốn.
Việt Nam là đất nước đang phát triển nên các cơng trình trong tương lai sẽ có chiều
cao và độ mảnh lớn. Bên cạnh đó, để đáp ứng yêu cầu thẩm mỹ thì hình dáng theo mặt
đứng và mặt bằng cũng đa dạng. Do đó các tiêu chuẩn tính tốn tải trọng gió hiện nay
sẽ khơng đáp ứng được nhu cầu phát triển của ngành xây dựng trong tương lai. Vì vậy,
việc tính tốn tải trọng gió tác dụng đối với các cơng trình nằm ngồi phạm vi của tiêu
chuẩn trên cần một phương pháp khác để xác định. Phương pháp được áp dụng hiện nay
và nhiều tiêu chuẩn đề cập là thí nghiệm hầm gió. Thí nghiệm hầm gió là cơng cụ mạnh
mẽ cho phép người kỹ sư xác định được bản chất và cường độ của gió tác động vào cơng

15


trình phức tạp. Thí nghiệm hầm gió đặc biệt có thế mạnh đối với các cơng trình (hình
dáng, chiều cao ...) và khu vực xung quanh (các cơng trình lân cận) phức tạp, khơng
được đề cập tính tốn trong các tiêu chuẩn hiện nay.
Một số cơng trình tiêu biểu sử dụng thí nghiệm hầm gió để xác định tải trọng gió
ở Việt Nam như: Trung tâm hội nghị Quốc gia (Hà Nội), Tịa tháp tài chính Bitexco (Hồ
Chí Minh), Tổ hợp cơng trình Keangnam (Hà Nội), Trung tâm thương mại Vietinbank
(Hà Nội), Toà nhà hỗn hợp đa chức năng và chung cư cao cấp Vinafor (Hà Nội).

Hình 1.3. Tổ hợp cơng trình Keangnam [32]

Hình 1.4. Cơng trình Platinum Park (Kuala Lumpur, Malaysia) [33]


16


Hình 1.5. Cơng trình Shanghai Tower (Thượng Hải, Trung Quốc) [34]
Thí nghiệm hầm gió có rất nhiều ưu điểm như việc xác định chính xác tải trọng
gió thực tế tác động vào cơng trình thơng qua các cảm biến gắn trực tiếp lên mơ hình
cơng trình, quan sát được phản ứng của cơng trình dưới tác dụng tải gió qua đó có
phương pháp xử lý. Bên cạnh những ưu điểm được đề cập thì thí nghiệm hầm gió vẫn
tồn tại những khuyết điểm như việc mơ hình cơng trình theo lý thuyết tương tự tương
đối phức tạp. Phải xây dựng cơng trình có hình dạng, khối lượng và độ cứng tương tự
cơng trình thực tế dưới tỉ lệ thường được sử dụng là 1/400. Việc tạo ra mơ hình cơng
trình như vậy u cầu kỹ sư phải có trình độ chun mơn cao. Đồng thời cần phải có
hầm gió cùng các thiết bị và vật liệu làm mơ hình phức tạp và tốn kém. Do đó cần có
phương pháp khác đơn giản và kinh tế hơn để xác định tải gió tác dụng lên cơng trình,
nhưng cho kết quả tương đương hoặc sai khác khơng đáng kể so với thí nghiệm hầm
gió.
Hiện nay trên thế giới có khoảng 55 thí nghiệm hầm gió được thống kê [35], tại
Việt Nam có hai ống thổi khí động là Viện kỹ thuật Phịng Khơng – Khơng Qn (Bộ
Quốc Phịng) và Viện khoa học công nghệ Xây dựng - Bộ Xây dựng (IBST).
Chi tiết một hầm gió của Cermak Peterka Petersen Inc (CPP).
CPP Wind Tunnel – Sydney, Australia
Kích thước:
Chiều dài mặt cắt ngang:

21m

Chiều rộng mặt cắt ngang:

3.0m


Chiều cao:

2.4m

Đặc điểm về kỹ thuật.
17


Động cơ:

110 kW

Loại động cơ:

Single axle motor/12-blade axial fan

Điều khiển vận tốc

Variable frequency drive

Đặc trưng của dịng
Vận tốc trung bình

0 đến 20 m/s

Boundary – layer thickness*

1.2m


Turbulence

About 2% at entrance to test section

Longitudinal pressure gradient

Zero by blockage tolerant roof

Hình 1.6. Hầm gió 2 của CPP
Hình 1.7 thể hiện chi tiết kích thước mặt cắt dọc và ngang của một hầm gió của
công ty TESolution tại Hàn Quốc. Mặt cắt ngang hầm gió có đường kính 1.0m, chiều
cao 1.5m và chiều dài 6.0m; vận tốc dùng kiểm tra nằm trong khoảng 0.3m/s ~ 22.5m/s.

Hình 1.7. Mắt cắt ngang mơ hình hầm gió (Jaeyong Chung cùng cộng sự, 2012)
18


Phân tích khí động học chất lưu (CFD) là cơng cụ mơ phỏng số sự làm việc của
cơng trình dưới tác động của gió bão trên máy tính khá tin cậy để thay thế cho thí nghiệm
hầm gió nhằm dự đốn các chuyển động của các dịng khí xung quanh cơng trình và tác
động gió lên cơng trình. Phương pháp này cho thấy được sự ảnh hưởng qua lại của các
dịng khí lưu và xác định được áp lực gió tác dụng vào cơng trình. Mơ phỏng này có thể
xác định tải trọng gió cho cơng trình khơng được đề cập trong tiêu chuẩn, cơng trình
đơn lẻ và hình dáng bất kì.
Với khơng gian ba chiều xung quanh cơng trình, bao gồm các môi trường xung
quanh được chia thành một số lượng rất lớn các phần tử khối, mỗi phần tử có một đặc
tính vật lý mơ tả dịng chảy. Cùng với sự phát triển vượt bậc của ngành khoa học máy
tính thì việc sử dụng mơ phỏng khí động học để xác định đặc trưng cơng trình và tải
trọng gió tác dụng hứa hẹn sẽ phát triển mạnh mẽ trong tương lai.
1.2. Tình hình nghiên cứu

Phần lớn các nghiên cứu hiện nay là dự đốn tải trọng gió tác dụng lên cơng trình
hình khối. Bởi vì các cơng trình này có hình dạng đơn giản, dễ xây dựng mơ hình và có
kết quả phân tích thực nghiệm. Một trong những cơng trình tiêu biểu trong các nghiên
cứu là hình trụ (CAARC). Có nhiều nghiên cứu phân tích khí động học, hệ số áp lực
trung bình và dịng lưu chất xung quanh của hình trụ CAARC bằng phân tích CFD như:
Nozawa and Tamura (2002); Huang cùng cộng sự (2007); Tominaga cùng cộng sự
(2008), Tamura (2008) và Braun cùng cộng sự (2009). Đồng thời hình trụ CAARC cũng
là một trong những cơng trình được mơ hình nghiên cứu rộng rãi và phổ biến trong thí
nghiệm hầm gió trong các nghiên cứu như: Wardlaw và Moss (1970) ; Melbourne (1980)
; Obasaju (1992).
Đối với các cơng trình phức tạp nằm ngồi phạm vi của tiêu chuẩn cần có thí
nghiệm hầm gió hoặc mơ phỏng CFD để xác định tải gió tác dụng. Hiện nay có nhiều
nghiên cứu sử dụng phương pháp CFD kiểm chứng các kết quả từ thí nghiệm hầm gió
và các tiêu chuẩn như C. L. Fu cùng cộng sự (2006) mô phỏng CFD cho Tháp Tuntex
Sky 85 tầng tại Đài Loan, tác giả so sánh sự thay đổi áp suất và vận tốc gió theo chiều
cao và qua đó kết luận được rằng kết quả mơ phỏng có thể được áp dụng trong thiết kế
sơ bộ cho cơng trình. JIANG YuJun cùng cộng sự (2008) đã phát triển và áp dụng mơ
hình PUMA (Peking University Model of Atmospheric Environment) để mô phỏng công
19


trình Famen Temple từ đó so sánh áp suất và vận tốc gió tại vị trí điểm đo trong thí
nghiệm hầm gió qua đó đánh giá mơ hình PUMA cho kết quả tốt khi thể hiện gió xung
quanh tịa nhà. Các tác giả trên đều sử dụng phương pháp CFD để phân tích và cho thấy
rằng việc áp dụng phương pháp CFD cho kết quả khá tương đồng với thí nghiệm hầm
gió. Sau đó, D Mohoti cùng cộng sự (2014) sử dụng CFD mơ phỏng cơng trình Nauru
House để xác định tần số và áp lực, so sánh với tiêu chuẩn AS-NZS 1170-2 (2011). So
với các nghiên cứu trước đây thì D Mohoti cùng cộng sự (2014) cũng sử dụng CFD
nhưng kết quả tác giả so sánh với tiêu chuẩn và kết quả thu được từ CFD khá tương
đồng với tiêu chuẩn AS-NZS 1170-2 (2011). S.K. Verma cùng cộng sự (2015) sử dụng

CFD để mơ phỏng cơng trình có hình dạng bát giác. Khác với các nghiên cứu trước, tác
giả mơ phỏng cơng trình có kích thước giống thí nghiệm hầm gió (1/300) và có áp dụng
profile vận tốc gió vào phân tích nhưng khơng so sánh kết quả thu được với thí nghiệm
hay tiêu chuẩn. D. Mohotti cùng cộng sự (2015) sử dụng CFD mơ phỏng cơng trình có
hình dáng phức tạp và chiều cao lên đến 350m. Cho kết quả tương đồng về hệ số áp lực
với các tiêu chuẩn, từ đó kết luận tính tin cậy và tầm quan trọng của CFD trong tương
lai.
Bên cạnh các mô phỏng đánh giá khả năng ứng dụng của CFD cũng có nhiều
nghiên cứu sử dụng CFD để tối ưu hóa hình dạng của cơng trình để giảm lực gió, tác
động khí động học và nhu cầu sử dụng của con người như Jiming Xie (2014) nghiên
cứu sự tối ưu khí động học đối với các cơng trình cao tầng khi thay đổi hình dáng của
cơng trình theo chiều cao như cơng trình giật cấp (stepping), vuốt nhọn (tapering), xoắn
(twisting), lỗ trống (opening), khe góc (corner slot). Khác với Jiming Xie (2014), AlyMousaad Aly và Joseph Bresowar (2016) đã nghiên cứu giảm khí động học của lực nâng
do gió gây ra đối với các tòa nhà thấp tầng bằng cách sử dụng CFD để phân tích các
cơng trình có điều chỉnh góc trên mái và các thiết bị (hình dạng) lắp trên mái để làm
giảm lực gió tác dụng lên cơng trình. Ahmed Elshaer cùng cộng sự (2017) sử dụng phân
tích CFD để tối ưu lực gió tác dụng lên cơng trình bằng cách khảo sát các cơng trình có
các hình dạng góc cạnh khác nhau trên mặt bằng. Từ đó đưa ra các kết luận quan trọng
khi thay đổi các góc của cơng trình về gió dọc và gió ngang.
Từ những phân tích kết quả đạt được của các nghiên cứu đã công bố thấy hiện nay
phương pháp CFD đã phát triển rất mạnh mẽ. Tuy nhiên chỉ dừng lại ở phần khảo sát và
20


mơ phỏng cơng trình đơn lẻ chưa kể đến giai đoạn thi công với sự thay đổi che chắn
xung quanh. Rất ít nghiên cứu kết luận rằng CFD có thể áp dụng trong thiết kế. Trong
khi đó các rất nhiều tiêu chuẩn các nước trên thế giới chỉ cho phép sử dụng CFD dùng
tham khảo để so sánh với kết quả thí nghiệm chứ khơng được áp dụng trực tiếp tính
tốn, thiết kế trực tiếp trong giai đoạn thi cơng.
1.3. Sự cần thiết, mục tiêu, phạm vi nghiên cứu và ý nghĩa đề tài

Với sự phát triển của ngành xây dựng. Đặc biệt là các cơng trình cao, cơng trình
có mặt bằng và mặt đứng phức tạp, cơng trình xây chen thì việc đề xuất một phương
pháp đơn giản và kinh tế thay thế thí nghiệm hầm gió phức tạp, tốn kém và mất thời
gian để xác định các thành phần tải trọng do gió tác dụng lên cơng trình là nghiên cứu
mang tính cấp thiết và thời sự. Để đề xuất phương pháp này học viên tiến hành tìm hiểu
về gió và các tác động của gió lên cơng trình và ứng dụng khả năng mơ phỏng CFD của
phần mềm Ansys Fluent để thực hiện các bài toán. Qua đó đánh giá được khả năng của
phương pháp CFD trong xác định tải trọng gió tĩnh tác dụng vào cơng trình nhằm hướng
đến mục tiêu là thay thế việc tính gió bằng tiêu chuẩn và thí nghiệm hầm gió cho các
cơng trình phức tạp hiện nay bằng mơ phỏng CFD.
1.4. Nội dung của nghiên cứu
Trong nghiên cứu này học viên tiến hành mơ phỏng gió tác dụng vào bề mặt cơng
trình để qua đó xác định các dịng di chuyển lưu chất, lực và áp suất…bằng phần mềm
ANSYS. Từ đó so sánh kết quả mơ phỏng có được với những kết quả mô phỏng đã công
bố trong các nghiên cứu, thí nghiệm hầm gió và kết quả tính tốn từ tiêu chuẩn.
ANSYS là phần mềm phần tử hữu hạn đa dụng có khả năng giải quyết các bài tốn
thường gặp trong kỹ thuật. Những bài toán này bao gồm: phân tích tĩnh hay động với
vật liệu tuyến tính hay phi tuyến, bài toán truyền nhiệt (heat transfer), các bài toán về cơ
chất lưu cũng như các bài toán trong lĩnh vực điện từ (electromagnetic) và âm học
(acoustic). Không những giải quyết các quá trình xảy ra trong kỹ thuật một cách độc lập,
mà chương trình cho phép giải quyết đồng thời bài toán phức tạp với nhiều yếu tố xảy
ra trong thực tế như: tương tác của chất lỏng và chất rắn, tương tác cơ nhiệt…
Để thực hiện mục tiêu đề ra, học viên tiên hành mô phỏng nghiên cứu “Numerical
evaluation of wind effects on a tall steel building by CFD” của tác giả Shenghong Huang
cùng cộng sự (2007) để kiểm chứng phương pháp mô phỏng, phần mềm, khảo sát mô
21


hình rối, mật độ lưới…tiếp theo để tăng độ tin cậy các giá trị khảo sát trên học viên tiếp
tục thực hiện mơ phỏng nghiên cứu độc lập chỉ có thí nghiệm hầm gió “Flow structure

around a 3-D rectangular prism in a turbulent boundary layer” của Kim cùng cộng sự
(2003). Sau khi điều chỉnh mơ hình, khảo sát mật độ lưới và xác định các thông số, học
viên tiến hành xây dựng mơ hình cơng trình thực tế “The EverRich 2” tại Quận 7, Tp.
Hồ Chí Minh với các trường hợp như: cơng trình đơn, cụm cơng trình theo giai đoạn thi
cơng và tồn bộ cơng trình sau khi hồn thiện. Từ đó so sánh với kết quả tính tốn thiết
kế thực tế theo tiêu chuẩn: TCVN 2737:1995 (1995).

22


CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÍ THUYẾT

Trong vật lý học thì động lực học chất lưu là một nhánh của cơ học chất lưu, nó
giải quyết các vấn đề của dịng chảy chất lưu – khoa học tự nhiên về chuyển động chất
lưu (chất lỏng và các chất khí). Động lực học chất lưu cũng có các nhánh nhỏ bao gồm:
Khí động lực học (nghiên cứu chuyển động của khơng khí và các chất khí khác) và Thủy
động lực học (nghiên cứu chuyển động của chất lỏng). Với các định luật cơ bản của
động lực học chất lưu là các định luật bảo toàn, cụ thể là: Bảo toàn khối lượng, bảo tồn
động lượng tuyến tính (cịn được gọi là Định luật thứ hai của Newton về chuyển động),
và bảo toàn năng lượng (còn được gọi là Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học).
Phân tích khí động học chất lưu (CFD) là một lĩnh vực dự đốn chuyển động dịng
chất lỏng, sự truyền nhiệt, chuyển động khối lượng, phản ứng hóa học, và các hiện tượng
tác động bằng cách giải phương trình chủ đạo tốn học sử dụng phương pháp số.
2.1. Cơ sở lý thuyết của CFD về khí động lực học
Các định luật bảo toàn được sử dụng để giải các bài tốn động lực học chất lưu có
thể được viết dưới dạng tích phân hoặc vi phân. Các cơng thức tốn học của các định
luật bảo tồn này có thể được giải thích bằng cách xem xét khái niệm về khối thể tích
kiểm tra (control volume). Một khối thể tích kiểm tra là một thể tích cụ thể nào đó trong

khơng gian mà thơng qua nó khơng khí có thể lưu thơng vào hay ra. Cơng thức tích phân
của các định luật bảo toàn xem xét sự thay đổi khối lượng, động lực, hoặc năng lượng
trong khối thể tích kiểm tra. Các cơng thức vi phân của các định luật bảo tồn áp dụng
định lý Stokes để tìm ra một biểu thức, biểu thức đó có thể được hiểu như là dạng vi
phân của định luật áp dụng cho một thể tích vơ cùng nhỏ tại một điểm trong dịng chảy.
[29]
Phương trình tốn học

Tính chất vật lý.
-

Bảo tồn khối lượng

-

Phương trình liên tục

-

Định luật II Newton

-

Phương trình động lượng

Định luật bảo toàn khối lượng
dm

dt


d
 dV
dt Vt
accumulation of mass inside CV




dV     ndS  0
t
V Vt
S  St



net influx through the surface

23

(2.1)