低層房屋屋面平均風壓的風洞試驗和數(shù)值模擬

顧 明,趙雅麗,黃 強,黃 鵬,全 涌,謝壯寧

(1.同濟大學土木工程防災(zāi)國家重點實驗室,上海200092；2.汕頭大學土木學院,廣東515063)

0 引 言

我國東南沿海地區(qū)臺風活動頻繁,臺風經(jīng)常造成大量建筑物,尤其是量大面廣的低層民房的損壞甚至倒塌,其損失占了風災(zāi)損失中相當大的比重。雖然有關(guān)低層房屋風荷載特性的研究國外已經(jīng)開展了較長的時間,且其中有不少研究成果已被有關(guān)國家的風荷載設(shè)計標準所采用。但在國內(nèi),關(guān)于低層房屋抗風問題的研究仍未成為結(jié)構(gòu)風工程研究領(lǐng)域的一個重要課題,相關(guān)方面的投入和學術(shù)關(guān)注均很低[1]。

目前對低層房屋的風荷載研究主要采用風洞試驗和現(xiàn)場實測的方法,然而無論是風洞試驗,還是全尺寸實測都存在著試驗經(jīng)費大、周期長等問題[2],更重要的是不易進行大規(guī)模的參數(shù)分析,從而全面地掌握表面風壓隨各類房屋參數(shù)、場地參數(shù)等的變化規(guī)律。隨著計算機技術(shù)的應(yīng)用,計算流體動力學(CFD)理論的發(fā)展,數(shù)值模擬技術(shù)已成為研究建筑物風效應(yīng)的一種有效的方法。在多參數(shù)分析問題上,CFD也體現(xiàn)了較之其他兩種手段的優(yōu)越性。

帶挑檐的低層雙坡屋面房屋是我國東南沿海地區(qū)所廣泛采用的建筑形式。本文以此類建筑為研究對象,利用fluent6.0平臺,根據(jù)標準TTU模型計算分析結(jié)果,采用雷諾應(yīng)力模型(RSM),選用較為合理的參數(shù)設(shè)定,對其進行了CFD數(shù)值模擬,并將數(shù)值模擬的表面平均風壓結(jié)果與風洞試驗的結(jié)果進行了對比分析,驗證了數(shù)值方法模擬低層建筑平均風壓分布的適用性。

1 低層雙坡房屋的風洞試驗及數(shù)值模擬方法

1.1 試驗設(shè)備及試驗?zāi)Ｐ?/h3>

試驗在同濟大學土木工程防災(zāi)國家重點實驗室風洞試驗室的TJ-2大氣邊界層風洞中進行[3]。該風洞試驗段尺寸為3m寬、2.5m高、15m長,試驗風速范圍從0.5m/s～68m/s,流場性能良好。

本試驗對雙坡帶挑檐低層房屋模型(圖1)進行試驗,測量房屋屋面的風壓系數(shù)?？紤]到一般低層建筑的尺寸和風洞試驗段尺寸,選擇模型的幾何縮尺比為1/30。模型平面尺寸350mm(長)×233mm(寬),檐口高度 H=233mm,坡角 α=30°,挑檐長度 l=33.3mm。模型表面共布置236個測點,其中屋頂表面布置180個測點,測點布置如圖1所示。模型用有機玻璃制成,具有足夠的剛度和強度。模型在風洞中的阻塞比小于3%,滿足風洞試驗要求。試驗時將模型放置在直徑為3.0m的轉(zhuǎn)盤中心,通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤模擬不同風向角,風向角的定義見圖1。此外,根據(jù)一般村鎮(zhèn)低層房屋所處地形,本試驗?zāi)M了1/30的B類地貌風場,屋面處紊流度大于20%。1米參考高度處的試驗風速為15m/s。主要試驗結(jié)果將在本文有關(guān)圖中給出,用以和數(shù)值模擬結(jié)果的比較。

圖1 低層房屋、測點布置及風向示意圖Fig.1 Schematic diagram of low-rise building,measuring point positions and wind direction

1.2 數(shù)值模擬方法

1.2.1 計算域及網(wǎng)格劃分

實際建筑的尺寸為10.5m(長)×7m(寬)×7m(檐口高),計算域取為160m×84m×60m,建筑物位于流域沿流動方向1/3處,計算模型的阻塞率滿足數(shù)值模擬外部繞流場中認為的小于3%的原則。有關(guān)研究表明[4],類似于本文計算模型,幾何縮尺對計算結(jié)果的影響很小,計算結(jié)果和相應(yīng)的物理模型(1∶30)試驗結(jié)果具有較好的可比性。

為提高計算效率,同時兼顧現(xiàn)有計算資源,在計算域網(wǎng)格離散中對網(wǎng)格總數(shù)進行了有效控制,主要采用了以下控制措施:(1)采用混合網(wǎng)格離散方式,將計算域分為內(nèi)外兩部分,在模型附近的內(nèi)域采用四面體單元,在遠離模型的外圍空間,采用具有規(guī)則拓撲的六面體網(wǎng)格單元進行離散；(2)合理布局近壁面網(wǎng)格間距及布置形式,使近壁面網(wǎng)格落在壁面函數(shù)適用范圍之內(nèi)。最終計算模型的網(wǎng)格數(shù)控制在70萬左右。計算域與網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 計算域與網(wǎng)格劃分Fig.2 Computation field and grid

1.2.2 邊界條件設(shè)置

(1)入口來流條件:采用速度進口,給定來流的平均速度剖面與湍流參數(shù)。

參考我國建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范(GB50009-2001)[5]規(guī)定,采用B類地貌指數(shù)率模擬大氣邊界層速度剖面分布,10米高度風速取10m/s。來流湍流特性通過直接給定湍流動能k和湍流耗散率ε值的方式給出:

其中,l為湍流特征尺度,湍流強度I采用日本規(guī)范中的定義,其表達式為:I=0.1×

(2)出口條件:采用完全發(fā)展出流邊界條件,即流場任意物理量沿出口法向梯度為零；

(3)流域頂部及兩側(cè):采用自由滑動壁面；

(4)結(jié)構(gòu)表面和地面:采用無滑移壁面條件。

1.2.3 參數(shù)設(shè)置

如前所述,在低層房屋數(shù)值模擬中,雷諾應(yīng)力模型(RSM)較其他模型有較高的精度,因此本文選用RSM湍流模型,采用非平衡壁面函數(shù)來考慮壁面存在對流場的影響。為保證計算的穩(wěn)定性,離散控制方程對流項采用一階迎風格式,利用Simple算法求解流場壓力-速度耦合方程。迭代計算的收斂標準設(shè)定無量綱均方根殘差降至10-4以下,且屋頂表面風壓基本保持不變時,即認為流場進入穩(wěn)態(tài)。

2 結(jié)果分析與比較

結(jié)構(gòu)表面的壓力通常用壓力系數(shù)Cpi=表示,Pi為作用在結(jié)構(gòu)表面某點i的壓力；ρ為空氣密度,取 1.225kg/m3；Uref為參考高度處的風速,本文以屋面平均高度為參考高度；P∞是參考點處的靜壓。風壓系數(shù)符號約定為:壓力向下為正,向上為負。

2.1 不同風向角下風壓等值線的比較

圖3～圖5給出了三種典型風向下(0°,60°,90°)數(shù)值模擬和風洞試驗屋面風壓等值線的比較。

由圖可見,60°和90°風向角下數(shù)值模擬和風洞試驗的屋面平均風壓分布吻合的較好,整體的風壓分布趨于一致。而0°風向角下,迎風屋面的風壓分布兩者吻合較好,但數(shù)值模擬的背風屋面負壓絕對值比試驗結(jié)果稍偏大。數(shù)值模擬和風洞試驗都顯示,60°風向角下背風屋脊中部是三種風向角下負壓最大的區(qū)域,數(shù)值模擬的值在-1.6左右,而風洞試驗值為-1.5,兩者接近。相對而言,三種風向角下,在拐角來流分離處,數(shù)值模擬的結(jié)果都要大于風洞試驗結(jié)果。主要原因可能是拐角區(qū)域脫落的旋渦使得該區(qū)域產(chǎn)生非常大的吸力,而計算模型的拐角是理想化的尖角,加速了旋渦的脫落,提高了該處分離的強度,導致負壓絕對值有所偏大。

圖6和圖7給出了計算得到的0°風向角下數(shù)值模擬的低層房屋豎直和水平剖面的風速矢量圖,矢量圖中各箭頭的長度和指向表示了該處平均風速的大小和方向。

圖3 0°風向時數(shù)值模擬結(jié)果(左)和風洞試驗結(jié)果(右)比較Fig.3 Comparison between testing results(right)and numerical simulations(left)(0°wind direction)

圖4 60°風向時數(shù)值模擬結(jié)果(左)和風洞試驗結(jié)果(右)比較Fig.4 Comparison between testing results(right)and numerical simulations(left)(60°wind direction)

從圖6可見,來流在迎風屋面處并未發(fā)生流動分離,風速沒有明顯改變,也沒有強的旋渦產(chǎn)生,這是30°坡角下迎風屋面風壓較小且沒有很大壓力梯度的主要原因。同時,數(shù)值模擬較好地反映了模型背風面處的回流和背風屋面渦的產(chǎn)生等復雜的流態(tài)和相對風速的大小。圖7中反映了來流繞過模型后在模型背面形成了兩個對稱的尾渦,同時在模型側(cè)面伴隨著分離和渦的產(chǎn)生。這些是模型側(cè)面受階梯分布的負壓和背風(屋)面受負壓的主要原因。

圖5 90°風向時數(shù)值模擬結(jié)果(左)和風洞試驗結(jié)果(右)比較Fig.5 Comparison between testing results(right)and numerical simulations(left)(90°wind direction)

圖6 0°風向時中線豎直剖面風速矢量圖Fig.6 Wind speed vector-graph of vertical cut plane

圖7 0°風向時4m高度水平風速矢量圖Fig.7 Wind speed vector-graph of horizontal plane at 4-meter height

2.2 不同風向角下分塊風壓系數(shù)的比較

為了更進一步定量分析數(shù)值模擬與風洞試驗?zāi)M結(jié)果,圖8～圖10給出了兩者在三種不同風向角下(0°,60°,90°),屋面分塊風壓系數(shù)的比較。

從圖中可見,0°風向角下迎風屋面(A1-F1)平均風壓數(shù)值模擬的結(jié)果與風洞試驗結(jié)果比較相近,風壓等值線圖也說明了這一點,但由于迎風面平均風壓本身比較小,所以相對誤差稍大。背風屋面(A2-F2)兩者的絕對誤差較大,整體上,數(shù)值模擬的負壓絕對值較風洞試驗偏大。60°風向角下除個別區(qū)域外(B1,F2)整體屋面風壓吻合的較好,誤差基本控制在15%左右,在迎風屋面邊緣B1和背風屋面角部F2誤差稍大。90°風向角下除迎風屋面邊緣(B1,D1,F1)負壓相對風洞試驗稍大外,其他區(qū)域的平均風壓吻合的很好。

圖8 0°風向角屋面分塊風壓系數(shù)數(shù)值模擬和風洞試驗比較Fig.8 Comparison of block pressure coefficients from test and numerical simulations(0°wind direction)

圖9 60°風向角屋面分塊風壓系數(shù)數(shù)值模擬和風洞試驗比較Fig.9 Comparison of block pressurecoefficients from test and numerical simulations(60°wind direction)

圖10 90°風向角屋面分塊風壓系數(shù)數(shù)值模擬和風洞試驗比較Fig.10 Comparison of block pressure coefficients from test and numerical simulations(90°wind direction)

3 結(jié)束語

本文通過對模擬結(jié)果的分析以及與風洞試驗結(jié)果的比較,獲得了帶挑檐的低層雙坡房屋在不同風向角下各表面(主要是屋面)平均風壓分布的主要規(guī)律和特點。主要結(jié)論如下:

(1)在三種典型風向下,數(shù)值模擬(足尺模型)和風洞試驗(縮尺模型)的結(jié)果從整體趨勢上看均有較好的吻合。這表明數(shù)值模擬方法可以和風洞試驗相結(jié)合,為低層房屋的抗風設(shè)計提供參考依據(jù)。

(2)數(shù)值模擬和風洞試驗均顯示,該類房屋的迎風面主要受正壓作用,屋面、背風面和側(cè)面主要受負壓作用。屋檐、屋脊、山墻頂邊和外墻的轉(zhuǎn)角等房屋外表面拐角區(qū)域有高負壓、高負壓梯度出現(xiàn)(如60°風向的最大負壓絕對值區(qū)出現(xiàn)在屋脊中部,試驗值為-1.5,模擬值為-1.6左右)。

(3)值得注意的是,對于此類帶挑檐的低層房屋,迎風向挑檐部分的上下表面的凈風壓會較大(如0°風向時迎風屋檐的上下表面的最大風壓系數(shù)分別為-0.3和+1.0左右),因此會對挑檐產(chǎn)生很大的向上的力,這在沿海多臺風地區(qū)的低層房屋設(shè)計時應(yīng)特別注意。

(4)風向改變屋面風壓的分布,還將影響各參數(shù)對屋面風壓的影響程度。

[1]土木結(jié)構(gòu)抗風研究進展及基礎(chǔ)科學問題[R].國家自然科學基金建筑環(huán)境與土木工程II(土木工程卷)/學科發(fā)展戰(zhàn)略研究報告,科學出版社,2006.7.

[2]YASUSHI UEMATSU,NICHOLAS ISYUMOV.Wind pressures acting on low-rise buildings[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerod ynamics,1999,82:1-25.

[3]顧明,黃鵬,全涌,趙雅麗.低層建筑風壓分布試驗研究報告[R].同濟大學土木工程防災(zāi)國家重點實驗室研究報告,2007.

[4]楊偉.基于RANS的結(jié)構(gòu)風荷載和響應(yīng)的數(shù)值模擬研究[D].[博士學位論文].上海:同濟大學,2004

[5]中國標準建筑荷載規(guī)范(GB50009-2001)[S].2002.