某矩形截面超高層建筑三維風(fēng)場數(shù)值模擬

(1.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院 甘肅 蘭州 730000；2.中建三局一公司華東公司 上海 201100)

某矩形截面超高層建筑三維風(fēng)場數(shù)值模擬

馬啟亮1譚永祿2

(1.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院甘肅蘭州730000；2.中建三局一公司華東公司上海201100)

為了研究超高層建筑在平均風(fēng)荷載作用下的空氣動(dòng)力學(xué)特征及安全性問題，本文采用基于CFD軟件平臺(tái)，進(jìn)行了三維穩(wěn)態(tài)常物性不可壓縮流體的流動(dòng)模擬，對某矩形截面超高層建筑外流場進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析了超高層建筑表面的風(fēng)壓分布規(guī)律，為超高層建筑鈍體繞流的研究提供了依據(jù)。

CFD數(shù)值模擬；超高層建筑；平均風(fēng)荷載

一、概述

研究超高層建筑在風(fēng)荷載作用下周圍的空氣擾流運(yùn)動(dòng)，其主要目的是研究超高層建筑外表面上的風(fēng)壓分布規(guī)律。超高層建筑風(fēng)荷載的計(jì)算很大程度上依賴于建筑外表面上的風(fēng)壓。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的飛速發(fā)展和計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)的不斷完善，數(shù)值模擬方法已經(jīng)逐步成為繼風(fēng)洞試驗(yàn)后預(yù)測建筑物表面風(fēng)壓和周圍風(fēng)速等的一種新的、有效的方法。目前，土木工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的數(shù)值模擬大多研究的是鈍體擾流問題。

本文基于CFD軟件平臺(tái)Fluent計(jì)算了某超高層建筑靜態(tài)擾流的風(fēng)流場，得到了建筑物表面的風(fēng)壓分布規(guī)律。

二、研究方法

本文對處于B類風(fēng)場中的某超高層建筑進(jìn)行數(shù)值模擬研究。運(yùn)用ICEM CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再利用FLUENT軟件進(jìn)行風(fēng)場繞流數(shù)值模擬計(jì)算。

三、計(jì)算模型

本文采用超高層建筑幾何尺寸為30m×46m×182m，采用1：100的縮尺比建立模型，計(jì)算流域取為18m×6m×10m，建筑物處于流域沿流向前1/3處，如圖一所示。流域設(shè)置滿足阻塞率小于3%的要求，以盡量消除計(jì)算域?qū)δＰ透浇鲬B(tài)的影響。網(wǎng)格劃分使用ECEM CFD軟件，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，共生成200萬左右個(gè)體單元的網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖二。采用Realizable κ-ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖一 模型尺寸

圖二 網(wǎng)格劃分

四、計(jì)算結(jié)果

取建筑物高度2/3截面，布置20個(gè)測點(diǎn)，分析各測點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)，如圖三。圖四為建筑物各面的風(fēng)壓分布。

圖三 平均風(fēng)壓系數(shù)

圖四 建筑物表面風(fēng)壓分布

五、結(jié)論

采用基于雷諾平均(RANS)的Realizable κ-ε湍流模型對某超高層建筑進(jìn)行了三維定常風(fēng)場的數(shù)值模擬，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論：

1.從平均風(fēng)壓系數(shù)分布可以看出，除了迎風(fēng)面受有正壓力外，側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面風(fēng)壓分布呈現(xiàn)對稱分布。

2.建筑物迎風(fēng)面均受有正壓力，在迎風(fēng)面的中間偏上為最大值，兩邊及底部為最小值。背風(fēng)面均為負(fù)壓，中間區(qū)域負(fù)壓最小，負(fù)壓分布均勻。在建筑物側(cè)風(fēng)面，由于在轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)流動(dòng)分離，使得轉(zhuǎn)角處的負(fù)壓最大，承受吸力。

[1]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[2]周月庭，呂令毅.高層建筑三維非定常風(fēng)場并行計(jì)算的數(shù)值模擬[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，23(1)：42-46

[3]GB 50009-2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]