重慶某高層建筑數值風洞模擬

【摘 要】文章通過計算流體動力學軟件Fluent對重慶某實際建筑工程表面風壓數值模擬，計算了不受周邊建筑干擾情況下的體型系數，考慮地形干擾情況下對風起算點高度的影響，風對坡地的爬坡效應，得出最不利體型系數?；诮ㄖ娘L壓分析規律，提出用本工程風荷載體型系數設計的取值建議。

【關鍵詞】高層建筑; 風荷載; 體型系數; CFD

【中圖分類號】TP391.99【文獻標志碼】A

該工程項目位于重慶北部新區，東臨芙蓉路，西至白楊路，南至春蘭三路，北臨峰林路。項目包括一棟地上16層，地下4層的高層建筑以及相應的配套。周邊有眾多寫字樓和政府辦公大樓，西、北、東側緊鄰城市主要道路，未來基地西側將建設軌交站點，十分便于車行和步行人流到達。占地面積8 747.98 m2，其中計容建筑面積37 113.95 m2，層高4.5 m，建筑總高度77.8 m?；谝幏兑蠛徒ㄗh，由于本工程項目建筑平面形狀較復雜，風荷載在結構表面上分布并不均勻，僅按荷載規范給出的平均風載體型系數并不能反映實際的風壓分布狀況，因此需要進行風洞數值模擬確定實際風壓分布，為結構設計提供依據。

1 數值風洞模擬

風荷載CFD（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）數值計算的實質是將流場的控制方程借助計算數學將其離散到多個網格節點中求對應的數值解[1]。CFD技術一方面能降低經濟成本，另一方面與試驗相比而言能獲得十分詳盡的數據資料，有利于對實際問題多角度模擬分析研究，以便探究結構的本質規律。采用CFD風洞數值模擬技術，結構不考慮周邊環境的項目風洞數值模擬模型，數值模擬分析模型建筑表面風壓分布;基于建筑表面風壓分布情況，采用基底彎矩等效和剪力等效，將風壓折算為便于設計使用的體型系數并取其包絡值。

1.1 幾何建模與網格劃分

在確定建筑表面風壓分布時，按不考慮周邊建筑物影響的建筑模型（簡稱單體模型）進行模擬計算。單體模型時，無其他建筑物遮擋，單體建筑表面呈現最不利正壓。各類工況分別模擬了每22.5 °為一個間隔的16個風向角，圖2表示了各種計算工況下風向來流圖。

建筑物表面使用三角形網格劃分，體網格生成過程中先在建筑物表面生成邊界層網格，其次由邊界面及計算域的最外層表面向中間流域生成非結構化的空間網格，網格尺寸由內往外逐漸增大，如圖3所示采用的計算區域及網格劃分。

1.2 數值風洞理論

數值風洞技術應用CFD方法建立工程問題的分析模型。由于實際工程的雷諾數都十分大，屬于湍流流動，故而數學模型的核心是湍流模型及邊界條件的處理。湍流模型采用廣泛使用的可實現的k-ε湍流模型（Realizable k-ε），其控制方程[2-3]為：

湍流動能k和湍流動能耗散率ε的控制方程為：

式中：Ui（i=1，2，3）分別代表x，y，z方向的平均速度分量;P為壓力;v為氣流運動粘性系數;ρ為空氣密度;vt=Cμk2/ε為渦團粘性系數。

1.3 邊界條件

大氣邊界層風速剖面V（z）、湍流動能k和湍流耗散率ε采用Fluent提供的UDF（user-defined functions）編程與Fluent作接口實現[4]。

1.3.1 平均風剖面

來流邊界條件選用速度來流邊界條件，對C類地貌，平均風速按指數形式表示為[4]：

1.3.2 湍流特性

采用日本提出的Ⅲ類地貌湍流強度公式擬合湍流度剖面[5-7]：

對于數值風洞，k-ε模型計算的是湍流動能k和湍流耗散率ε的輸運方程，因此需要將上述湍流強度及積分尺度進行一定的轉化。兩者之間的轉化關系可表示為：

式中：Cμ=0.09，湍流積分尺度亦采用日本建議公式Lx=100z/300.5。

流域頂部和雙側采用對稱邊界，等同于自由滑移的壁面，出流面采用壓力出流邊界。建筑表面和地面選擇無滑移的壁面條件，采用不平衡壁面函數模擬近壁面流動，且在地面引入粗糙壁面修正[8]。

2 結果分析

2.1 建筑結構主軸方向的體型系數及表面風壓值

根據伯努利公式計算得到建筑各表面的體型系數，將建筑表面豎直方向按每9 m劃分為一段，建筑各個面如圖4所示。

根據所得到的各風向角下建筑塔樓各個表面的體型系數通過基底剪力等效法進行計算;模擬結果數據進行提取，得到建筑表面風壓結果，分別得到各塔樓在各風向角下的整體體型系數，限于篇幅各個風向角下所有建筑表面體型系數情況未展示。表1得到建筑主軸最不利風向體型系數。（在此省略面積較小的表面的體型系數）

針對單體模型，以每22.5 °為一個間隔，從16個方向的來流風對建筑的影響，得出不同工況、不同角度下建筑表面的風壓分布。通過Tecplot軟件以云圖形式顯示最大整體體型系數下數值風洞模擬的建筑物表面風壓（單位Pa），圖5、圖6所示。

2.2 懸挑戶外平臺上、下表面局部風荷載體型系數

本項目建筑戶外平臺沿兩個方向每兩層交錯布置，形成了懸挑的戶外平臺，使本項目建筑凹凸不規則，風荷載作用下結構的受力十分復雜。對于懸挑部分應重點考慮其荷載作用下上、下表面形成的豎向壓力差，如圖7所示。表2中給出了戶外平臺上、下表面各區域局部體型系數取值。

2.3 結果分析

綜合考慮風荷載沿高度的變化和分區受力面積，對各表面的分區體型系數通過基底剪力等效法進行計算，得到各建筑表面體型系數。選取結構主軸方向的各迎風面及背風面體型系數，計算得到該主軸方向的結構整體體型系數，對比得到建筑最大整體體型系數及其對應的風向角。建筑戶外平臺沿兩個方向每兩層交錯布置，形成了懸挑的戶外平臺，使本項目建筑體型復雜。對于懸挑部分應重點考慮其風荷載作用下上、下表面形成的豎向壓力差。

戶外平臺上、下表面大多處于負壓之下，且局部體型系數絕對值也較大。頂層平臺上表面一直處于負壓狀態，其他樓層平臺表面在某些工況下也會產生正壓，兩相疊加，會產生一個較大的壓力差，設計時應引起注意。

根據數值模擬結果，對于兩個主軸方向：該棟塔樓的X向最大整體體型系數為1.26，出現在最不利風向角為22.5°向（近X軸），Y向最大整體體型系數為1.03，出現在最不利風向角為225°的方向（X軸與Y軸斜角方向）。由于塔樓建筑立面不完全規則，沿高度方向有一定變化，所以兩個方向的最大體型系數出現在的風向角有一定差異。

3 結論

通過Fluent對本項目建筑結構表面風洞模擬：計算了研究對象不受周邊建筑干擾情況下的體型系數，研究對象內含一棟塔樓，考慮了地形干擾情況下對風起算點高度的影響，風對坡地的爬坡效應并得出最不利體型系數，主要得到以下結論：

（1）建筑表面風壓分布情況與矩形建筑表面風壓分布大致規律大致相同。側面外邊緣由于渦旋而脫落，引起了強烈的負壓，絕對值已經超過了最大正壓絕對值，應當在局部構件或圍護結構設計時重點考慮。

（2）建筑表面負壓顯著，建筑在背風面時會出現全負壓狀態。而且建筑背風面的負壓明顯高于規范規定的一般背風面風壓體型系數。

（3）建筑平臺上、下表面多處于負壓，且局部體型系數絕對值較大。在某些工況下戶外平臺上、下樓層表面分別處于正壓和負壓，兩相疊加，會產生一個較大的壓力差，應引起注意。

參考文獻

[1]易圖兵.某跨線式高鐵客站平均風荷載數值風洞模擬[J].四川建筑，2019，39（1）：76-78.

[2]張相庭.結構風工程[M].北京：中國建筑工業出版社，2006.

[3]張敏，樓文娟，何鴿俊，等.群體高層建筑風荷載干擾效應的數值研究[J].工程力學，2008（1）：179-185.

[4]江帆，黃鵬.Fluent高級應用與實例分析[M].北京：清華大學出版社，2008.

[5]呂付玉，楊仕超，詹杰民，等.高層建筑表面風壓的數值風洞模擬研究[J].中山大學學報：自然科學版，2008，47（S2）：117-121.

[6]王福軍.計算流體動力學分析[M].北京：清華大學出版社，2004.

[7]聶少鋒，周緒紅，周天華，等.CAARC標準高層建筑三維鈍體繞流風場數值模擬[J].土木建筑與環境工程，2009，31（6）：40-46.

[8]閆梁.風力發電機塔架結構風壓數值模擬研究[D].內蒙古科技大學，2014.

[定稿日期]2021-01-28

[作者簡介]許仕林（1996～），男，碩士，從事結構工程方面工作。