建筑風荷載數值模擬簡介

文/鄭小宇　寧波市城建設計研究院有限公司　浙江寧波　315000

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建筑風荷載數值模擬簡介

文/鄭小宇寧波市城建設計研究院有限公司浙江寧波315000

【摘要】本文簡單介紹了風荷載數值模擬在實際工程中的應用，然后結合計算風工程的相關理論采用流體計算軟件Fluent對一雙坡屋面房屋進行實例試算，將計算得出的建筑風壓系數同各國設計規范的推薦值對比，計算結果基本上與各國規范的平均值較接近，可為工程設計人員在實際應用中提供參考。

【關鍵詞】風荷載數值模擬；Fluent

在一般民用建筑工程結構設計中，建筑的風荷載體型系數一般由《建筑結構荷載規范》中查表得出。但隨著我國經濟水平的不斷提升和建筑行業的不斷發展，各類造型的新式建筑不斷涌現，數值模擬逐漸成為分析建筑風荷載一種經濟有效的手段。本文將對CFD軟件Fluent進行初步介紹，并通過分析簡單的房屋實例模型計算結果與規范給出的風壓系數進行對比，給廣大工程設計人員應用數值模擬提供參考。

1、Fluent簡介

Fluent是一款常用于風荷載數值模擬計算的大型商業軟件。流體連續性方程和Navier-Stokes方程是風工程數值模擬的基本方程，借助計算機的能力可以對基本方程進行離散化處理，并獲得方程的離散解，因此可以對大氣中風流動情況進行較準確地模擬，不但解決一般的繞流風場問題，還能解決一些風洞試驗和場地實測等傳統方法不能解決的問題。Fluent程序提供多種二維面單元和三維體單元，對較大梯度的流場的精確求解提供了強大的適應能力。同時，網格可以根據計算精度需要和觀測重點的不同，在局部區域加密網格，達到計算精度和計算時間的協調。

1.1程序的主要模塊[1]

①Gambit：前處理模塊，來建立計算模型和網格劃分；

②Fluent：求解器，對整個模型進行流動數值模擬計算；

③TGrid：根據現有的邊界網格來生成體網格；

④Filters：開放接口，用于從其他程序模型來生成Fluent數據格式。

1.2用Fluent軟件進行模型計算的步驟

首先根據需要確定流動區域的形狀和大小，通過Gambit模塊建立此計算區域并對各邊界面進行網格劃分，之后TGrid會對計算流域內自動進行二維或三維的網格生成，并生成Flunet的計算數據；進入Fluent模塊對求解器的參數進行設置，包括選擇求解方程、輸入流體物理性質、設定邊界類型和條件，然后確定初始條件和收斂標準后開始整體模型的收斂求解計算，最后根據需要選取計算結果進行后處理。

2、雙坡屋面房屋進行風壓數值模擬計算實例

2.1計算模型和網格設置

采用Gambit進行建模之前首先要確定計算流域，計算流域的大小根據求解對象的尺寸有關，對建筑風工程來說，建議大于房屋長、寬、高的20倍、10倍和12倍，計算流域相對于房屋越大，對房屋模型附近流態的影響越小。房屋模型宜設置于整個計算區域的前端三分之一處，使模型達到計算域對阻塞率小于3%的要求。在對計算區域劃分網格時，采用具有良好適應性的四面體網格。為了節省計算時間和提高計算精度，網格在房屋周邊適當加密，在遠離房屋區域稀疏，整個分析模型的單元數量在20萬個左右。

圖1　房屋網格劃分

2.2選取邊界條件

①入口條件：假定風的流動為不可壓縮流，邊界條件設定為速度進口邊界條件。因為此次計算的對象為低層房屋，對風速沿高度的變化基本可以忽略，為簡化條件，流域入口的風速取值28m/s，不隨高度變化而變化。

②出口條件：出流面的空氣流動完全由區域內部外推得到，并且不對上流造成任何影響，所以采用完全發展的出流邊界條件。

③頂部和兩側條件：模型假定在此三面邊界上和外部沒有任何物理量的交換，故采用對稱邊界條件。。

④地面和房屋表面邊界條件：此為固體和流體的區分邊界。采用無滑移的壁面條件。

⑤壁面函數：固體周邊的流場非常復雜，包括撞擊、分離，附和、漩渦和環繞等因素，壁面對湍流的影響很大。對于建筑物周圍的流場，一般屬于高雷諾數流動，可以選用非平衡壁面函數來模擬房屋周邊氣流的復雜流動，并有較高的計算精度[2]。

2.3求解器各項參數設置

湍流模型選用Realizble k-ε進行數值模擬。離散后的控制方程采用分離式解法求解，為了提高計算的精度，控制方程中的對流選項中選用二階迎風格式離散。由于不考慮熱量交換，關閉能量方程。采用SIMPLEC 解法并配合較小的欠松弛系數進行速度壓力耦合。模擬過程中收斂標準采用殘差收斂，設定收斂值為10- 5，并且監測房屋表面風壓基本不變化時, 計算流場一般可以認為已進入穩定狀態，得到最終收斂解。

2.4規范值與計算結果的對比

根據Flunet計算給出的房屋表面的風壓，可以轉換成規范的風壓系數Cp，轉換公式如下：

式中ρ為氣體的密度；v0為參考高度處風速; p為計算得出的房屋表面的絕對壓力。

表1　典型雙坡屋面Fluent計算結果同各國規范中風壓系數對比

根據上表的對比，可以看出，在迎風面上用Fluent數值模擬計算取得的結果比較符合各國規范給出的值，在背風面和側風面，各國的規范給出的值本身差距較大，而Fluent的計算結果同各國規范的平均值基本較為接近。可以認為，采用Fluent數值模擬計算建筑風壓系數的結構有較大的可靠性，在實際工程應用中可提供一定的參考和借鑒價值。

結語：

本文簡單介紹了風荷載數值模擬在實際工程中的應用，然后結合計算風工程的相關理論采用流體計算軟件Fluent對一雙坡屋面房屋進行實例試算，將計算得出的建筑風壓系數同各國設計規范的推薦值對比，計算結果基本上與各國規范的平均值較接近，可為工程設計人員在實際應用中提供參考。

參考文獻：

[1]FLTTENT 6.1 User's Guide[M]. Fluent Inc, .

[2]楊偉,顧明.高層建筑三維定常風場數值模擬[J].同濟大學學報:自然科學版.2003,31,(6):647-651.