典型風(fēng)向下平屋蓋低矮結(jié)構(gòu)的流場研究

蒲云迪，程 旭,孫 毅，李天成，李 藝

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

近年來大跨屋蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，其結(jié)構(gòu)形式趨于長大化、輕質(zhì)化，具有阻尼小、自有頻率低的特點(diǎn)，風(fēng)荷載因此成為設(shè)計(jì)時(shí)的決定性因素之一。CFD相較風(fēng)洞試驗(yàn)具有周期短、可控參數(shù)多、后處理限制少等優(yōu)點(diǎn)，若能合理安排計(jì)算成本與結(jié)果精度的矛盾，即可為風(fēng)場研究提供有力依據(jù)。

目前對孤立建筑風(fēng)場乃至干擾效應(yīng)風(fēng)場的研究以風(fēng)洞試驗(yàn)為主。Ho等[1]基于孤立低矮建筑街區(qū)的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù),從概率統(tǒng)計(jì)的角度推薦了一種分析周邊障礙物對被包圍低矮建筑風(fēng)荷載影響的方法。其周邊障礙物可以是隨機(jī)出現(xiàn)的低矮建筑、樹木、圍墻或停車場等。在他的風(fēng)洞試驗(yàn)中,周邊建筑環(huán)境工況只有一個(gè),沒有研究周邊建筑環(huán)境參數(shù)的變化。田村幸雄等[2-5]使用風(fēng)洞試驗(yàn)全面研究了若干個(gè)建筑的干擾效應(yīng)，考慮了建筑密度CA、上游距離Lfetch、建筑群排布、建筑相對高度Hr、風(fēng)角θ對流場和荷載的影響，發(fā)現(xiàn)在典型風(fēng)向90°下周邊建筑由放大干擾轉(zhuǎn)為遮蔽效應(yīng)(Channeling Effect)。

目前對孤立建筑風(fēng)場乃至干擾效應(yīng)風(fēng)場的研究均以風(fēng)洞試驗(yàn)為主，而較少有系統(tǒng)的CFD研究。本文使用大渦模擬(LES)的Smagorinsky亞格子應(yīng)力模型進(jìn)行數(shù)值模擬，分析3個(gè)典型風(fēng)向下孤立的平屋蓋低矮建筑的流場，并與北京交通大學(xué)回流式風(fēng)洞的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

1 試驗(yàn)工況和計(jì)算參數(shù)

1.1 模型設(shè)計(jì)和邊界層模擬

試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭惺├@建筑和受擾建筑尺寸相同，均設(shè)置為(B,H,L)=(3 m,0.8 m,2 m)。模型幾何比尺為1∶200，速度比尺為1∶1。每個(gè)模型設(shè)置125個(gè)測點(diǎn)(其中屋面59個(gè))，經(jīng)過測量并修正得到30 000步風(fēng)壓序列。取屋面為參考高度，參考風(fēng)速為9.59 m/s。采用粗糙元(70 cm×70 cm)和尖劈的布置模擬開闊地帶的邊界層來流。在試驗(yàn)中通過皮托管測得各高度出的平均風(fēng)速，然后擬合得到實(shí)際粗糙度指數(shù)α=0.1299。風(fēng)洞布置和測點(diǎn)布置如圖1所示。平屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓系數(shù)有明顯的區(qū)域性，角部風(fēng)壓分離明顯，為了與測點(diǎn)方案配合，將屋按圖2分為9個(gè)區(qū)域[8]，如圖2所示。

圖1 風(fēng)洞試驗(yàn)屋面測點(diǎn)布置

圖2 屋面分區(qū)方案

數(shù)值模擬方面，按照上述參考高度、平均風(fēng)速、粗糙度指數(shù)在Fluent17.0中結(jié)合F_PROFILE()宏寫入U(xiǎn)DF，以獲得符合上述指數(shù)率的入口平均風(fēng)速剖面。

1.2 網(wǎng)格和算法細(xì)節(jié)

(1)

(2)

基于ICEM軟件為平屋蓋建筑劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。計(jì)算域在流向、橫向、展向的尺寸分別為(5+15)L、(5+15)B、10H，阻塞比小于3 %。為滿足無量綱數(shù)y+<50的要求，近壁面第一層網(wǎng)格尺度為1 mm。對建筑周圍進(jìn)行加密，網(wǎng)格總數(shù)分別為200萬、260萬。另外建立同參數(shù)的空網(wǎng)格，計(jì)算臨建筑前的速度場，以驗(yàn)證風(fēng)剖面的正確實(shí)現(xiàn)。

建筑表面和地面采用無滑移邊界，頂面采用自由滑移邊界，兩側(cè)面為對稱邊界(Symmetry)，出口為壓力出口邊界(Pressure-outlet)。采用SIMLEC離散格式，基于CFL條件設(shè)置時(shí)間步長為0.001 s，每步最大迭代次數(shù)為20。設(shè)置收斂條件為殘差無窮小，并在屋面中心附近(11,16.5,0.9)設(shè)一監(jiān)測點(diǎn)，檢測其流向速度，作為流場平穩(wěn)的依據(jù),如圖3所示。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)流向速度時(shí)程

2 結(jié)果分析

求解了三個(gè)風(fēng)向下孤立建筑的速度風(fēng)剖面、單體的平均風(fēng)壓力以及基底力矩系數(shù)，并與北京交通大學(xué)回流式風(fēng)洞的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

2.1 速度風(fēng)剖面

圖4是加載UDF并計(jì)算穩(wěn)定后后，CFD模擬空計(jì)算域中臨建筑處的速度剖面和風(fēng)洞實(shí)測速度剖面的對比。至于湍流強(qiáng)度，由于本文關(guān)注風(fēng)壓和荷載的時(shí)均值而不涉及極值，所以使用譜合成速度方式，即在入口處人工指定湍流度沿高度方向?yàn)槌?shù)0.25，即可得到準(zhǔn)確的時(shí)均值。但此種方法由于未考慮湍流強(qiáng)度的變化，無法捕捉到準(zhǔn)確的風(fēng)壓和荷載極值。

圖4 空計(jì)算域臨建筑處的平均風(fēng)速剖面

2.2 孤立建筑的風(fēng)壓分析

為對比試驗(yàn)和模擬的結(jié)果，常對風(fēng)壓系數(shù)在各屋面分區(qū)內(nèi)按面積求加權(quán)均值[7]。單點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)定義為：

(3)

其中P0(t)、P(t)分別為參考高度出處的總壓和靜壓，Pi(t)為測點(diǎn)的總壓，即為i測點(diǎn)在t時(shí)刻的壓力系數(shù)。在軟件中通過自定義系數(shù)設(shè)置。

為對比試驗(yàn)和模擬的結(jié)果，常對風(fēng)壓系數(shù)在各屋面分區(qū)內(nèi)求面積加權(quán)均值[1]。圖5為CFD和風(fēng)洞模擬的屋面整體平均風(fēng)壓等值線對比，兩者都表現(xiàn)出了對稱性。圖6為單體屋面各分區(qū)平均風(fēng)壓的對比，其中最大相對誤差為23 %，出現(xiàn)在2號區(qū)域。此為屋面上迎風(fēng)的中心區(qū)域。另外根據(jù)田村幸雄[2]的做法，取迎風(fēng)面、屋面和背風(fēng)面中線上的風(fēng)壓系數(shù)做對比，如圖7所示。其最大相對誤差出現(xiàn)在背風(fēng)面的AH4號測點(diǎn)，為22%。

(a)平均風(fēng)壓試驗(yàn)值等值線

(b)平均風(fēng)壓CFD模擬值圖5 屋面整體平均風(fēng)壓等值線對比

圖6 屋面各分區(qū)平均風(fēng)壓對比(0°風(fēng)向)

圖7 迎風(fēng)面、屋面、背風(fēng)面中線上的風(fēng)壓系數(shù)試驗(yàn)值與模擬值

2.3 結(jié)果分析

一般對力矩等風(fēng)載的試驗(yàn)處理方式類似高層建筑，即在模型側(cè)邊布置若干層測點(diǎn)，每層較為密集[6]，再結(jié)合附屬面積手動(dòng)求出各向力矩。由于本試驗(yàn)中模型側(cè)面的測點(diǎn)數(shù)較少(3層共14個(gè))，故通過CFD模擬加以對比。Fluent提供了相對連續(xù)的各點(diǎn)的壓力，用于荷載的計(jì)算。表1～表3為孤立建筑的各向平均風(fēng)載。另外，不同于Wonsul等[3]對各荷載系數(shù)的定義(各向荷載與該向建筑投影面積之比)，本文為了直觀起見，將參考面積統(tǒng)一取為1 m2。此定義應(yīng)用于風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD模擬的結(jié)果處理中。

表 1 孤立建筑的表面風(fēng)壓和荷載(0°)

表2 孤立建筑的表面風(fēng)壓和荷載(45°)

表3 孤立建筑的表面風(fēng)壓和荷載(90°)

屋面負(fù)壓導(dǎo)致升力系數(shù)為-0.473，模擬值結(jié)果為-0.490，誤差為10.49 %；阻力系數(shù)的試驗(yàn)值、模擬值分別為80.103 N、89.490 N，相對誤差為10.49 %。對稱性導(dǎo)致x向(側(cè)翻)力矩系數(shù)CMD接近0，試驗(yàn)與模擬的相對誤差為6.09 %。y向(傾覆)力矩的試驗(yàn)值與模擬值分別為分別0.280、0.306，誤差為8.69 %.90°風(fēng)向下的荷載與0°風(fēng)向類似。

在45°風(fēng)角下，屋面升力介于0°與90°之間，為127.16 N。阻力、y向力矩均為三工況中最不利，達(dá)97.12 N、43.48 N·m。建筑表面的跡線圖如圖8所示。

圖8 t=14.0～19.0s的跡線(45°風(fēng)角)

除了誤差原因在數(shù)值計(jì)算方面可能來自模擬的失真和風(fēng)洞試驗(yàn)中側(cè)面數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)目的偏少。但仍可以看出對于45°風(fēng)角下的建筑，對稱性的減弱加劇了建筑表面渦的脫落[5]，導(dǎo)致了基底荷載和增加和屋面升力的減小。

3 結(jié)論

針對典型風(fēng)向下平屋蓋低矮結(jié)構(gòu)的屋面風(fēng)壓和基底荷載，分別進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD模 擬，得到以下結(jié)論：

(1)大渦模擬對平屋蓋低矮結(jié)構(gòu)的屋面風(fēng)壓和基底荷載的模擬誤差均在10.49 %以內(nèi)，具有一定精度。

(2)45°風(fēng)角下屋面風(fēng)壓和基底荷載在三風(fēng)角中為最不利。目前認(rèn)為原因來自對稱性的減弱和屋面渦脫落的加劇。

(3)由于大渦模擬對小尺度渦的屏蔽，導(dǎo)致結(jié)果關(guān)于流場脈動(dòng)特性的部分難以接近真實(shí)情況，即壓力和基底荷載的方差、極值、均方根誤差值都與實(shí)際存在誤差，而僅有時(shí)均值具有一定準(zhǔn)確性。目前較少有數(shù)值算法可以解決流場的脈動(dòng)特性模擬，尤其是對極值風(fēng)壓系數(shù)的還原。