預(yù)制艙變電站建筑屋面角區(qū)風(fēng)荷載的數(shù)值模擬對(duì)比

雷翔勝， 王流火， 王彥峰， 楊 易

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心， 廣東 廣州 510600; 2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510600; 3. 華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510640)

低矮雙坡屋面建筑是我國(guó)東南沿海地區(qū)一種常見(jiàn)的建筑造型，在強(qiáng)風(fēng)作用下容易受到損壞。研究發(fā)現(xiàn)，低矮建筑的破壞主要發(fā)生在建筑屋面迎風(fēng)角區(qū)、屋檐和屋脊等部位，其中低矮建筑物屋檐和屋頂?shù)臉?gòu)造(如檐口、女兒墻、厝頭等)對(duì)屋面的風(fēng)壓分布有著較大的影響[1,2]。眾多學(xué)者針對(duì)此類(lèi)建筑開(kāi)展了一系列研究，并對(duì)其在風(fēng)荷載下破壞機(jī)理以及女兒墻結(jié)構(gòu)對(duì)其所受風(fēng)荷載的影響有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。王相軍等[3]對(duì)一棟低矮雙坡屋面建筑進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)在屋面角區(qū)局部設(shè)置類(lèi)似女兒墻的構(gòu)造板構(gòu)件可以降低角區(qū)局部區(qū)域的平均風(fēng)壓。夏少軍[4]通過(guò)數(shù)值模擬研究了不同形式的女兒墻對(duì)低矮建筑屋面風(fēng)壓分布的影響，發(fā)現(xiàn)不同形式的女兒墻均能不同程度降低迎風(fēng)角區(qū)處風(fēng)壓，但當(dāng)女兒墻高度較低時(shí)反而可能會(huì)增加屋角處風(fēng)壓。李壽科等[5]對(duì)一棟低矮建筑進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)斜風(fēng)向工況下屋面迎風(fēng)邊緣角區(qū)為全風(fēng)向下最不利的區(qū)域，且女兒墻可以明顯減小屋面的平均風(fēng)吸力。Al-Chalabi和Elshaer[6]通過(guò)大渦模擬方法研究發(fā)現(xiàn)在低矮雙坡屋面建筑角區(qū)局部增設(shè)女兒墻后能有效減小屋面迎風(fēng)角區(qū)的平均風(fēng)壓和風(fēng)荷載吸力。這些表明設(shè)置適當(dāng)?shù)呐畠簤Y(jié)構(gòu)能一定程度上優(yōu)化低矮雙坡屋面建筑屋面的風(fēng)荷載分布。

近年來(lái)，智能電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃在我國(guó)不斷推進(jìn)，相關(guān)科研成果不斷轉(zhuǎn)化、落地，其中以預(yù)制艙式變電站為典型代表的模塊化電力設(shè)施備受關(guān)注[7]。按照預(yù)制艙設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)制艙式變電站一般設(shè)計(jì)為低矮雙坡屋面建筑形態(tài)。以往研究表明，這類(lèi)建筑可在屋面增設(shè)附加構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗風(fēng)優(yōu)化，對(duì)于傳統(tǒng)的女兒墻構(gòu)件，有一定程度的減小角區(qū)不利風(fēng)荷載的作用，同時(shí)最不利風(fēng)壓系數(shù)的出現(xiàn)位置也遠(yuǎn)離了屋面角部區(qū)域，但其外形并未結(jié)合對(duì)應(yīng)建筑的具體流動(dòng)特性進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，采用傳統(tǒng)屋面構(gòu)件例如女兒墻、檐口等設(shè)計(jì)對(duì)于模塊化設(shè)計(jì)建造的工業(yè)建筑來(lái)說(shuō)，是不符合實(shí)際且不滿足功能需求的。最后，本文基于這一類(lèi)模塊化設(shè)計(jì)建造的工業(yè)建筑進(jìn)行研究，分析其合理的風(fēng)荷載優(yōu)化途徑，其風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬的對(duì)比結(jié)果可為預(yù)制艙變電站抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

本文對(duì)某工程預(yù)制艙變電站低矮建筑群建立數(shù)值風(fēng)洞，針對(duì)其中體型最大、風(fēng)荷載最不利的綜合艙，分別設(shè)計(jì)了屋面角區(qū)無(wú)構(gòu)件、設(shè)置女兒墻構(gòu)件和一類(lèi)新型三維曲面構(gòu)件的三種工況，采用SSTk-ω模型在0°正吹與30°斜吹這兩個(gè)典型來(lái)流風(fēng)向角下進(jìn)行數(shù)值模擬，并將模擬得到的屋面上測(cè)點(diǎn)處的平均風(fēng)壓系數(shù)與風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，以研究在預(yù)制艙角區(qū)設(shè)置不同附加構(gòu)件對(duì)艙體屋面角區(qū)局部風(fēng)壓分布規(guī)律的影響。

1 模型工況及風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本文的研究對(duì)象為某預(yù)制艙變電站項(xiàng)目低矮建筑群，包含7個(gè)艙體，其中綜合艙體型最大，余下為體型相近的GIS艙、電容器艙、生活艙等6個(gè)艙體，如圖1所示。風(fēng)洞試驗(yàn)中采用的縮尺比為1∶50。根據(jù)雙坡屋面建筑風(fēng)荷載特性，本文選取其中體型最高大(屋頂高度H=12 m)、預(yù)期屋面風(fēng)荷載相對(duì)其他艙體最不利的綜合艙作為重點(diǎn)研究對(duì)象。

圖1 預(yù)制艙建筑模型

根據(jù)研究需要設(shè)計(jì)了3種工況，工況1為預(yù)制艙建筑原型，工況2，3分別在綜合艙屋面的四個(gè)角區(qū)設(shè)置了某種附加構(gòu)件，其中一種為新型三維曲面附加構(gòu)件，另一種為常規(guī)的類(lèi)似于女兒墻的構(gòu)件，以探討這兩種附加構(gòu)件對(duì)綜合艙屋面角區(qū)局部風(fēng)荷載的影響。表1列出了風(fēng)洞試驗(yàn)的3個(gè)工況，每種工況進(jìn)行了36個(gè)風(fēng)向角下的剛性模型測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)(角度間隔為10°)。

表1 風(fēng)洞試驗(yàn)工況

風(fēng)洞試驗(yàn)在華南理工大學(xué)大氣邊界層風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。該風(fēng)洞試驗(yàn)段長(zhǎng)24 m，橫截面寬5.4 m，高3 m，風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b在試驗(yàn)段后端4 m直徑轉(zhuǎn)盤(pán)上。在試驗(yàn)段上游采用尖劈及粗糙元在轉(zhuǎn)盤(pán)模型區(qū)模擬我國(guó)現(xiàn)行GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[8]中的B類(lèi)地貌大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)特性。風(fēng)洞試驗(yàn)照片見(jiàn)圖2。

圖2 風(fēng)洞試驗(yàn)照片

風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)中，在綜合艙屋面和側(cè)面墻體上布置風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)，并在風(fēng)壓梯度變化較大的角部區(qū)域做了測(cè)點(diǎn)加密處理，綜合艙屋面局部測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。

圖3 預(yù)制艙屋面局部測(cè)點(diǎn)布置/mm

1.2 角區(qū)附加構(gòu)件

研究表明，在斜風(fēng)向下，低矮建筑屋面迎風(fēng)角區(qū)的繞流場(chǎng)極其復(fù)雜，氣流分離會(huì)誘導(dǎo)生成一系列錐形渦，在屋面產(chǎn)生強(qiáng)勁的風(fēng)荷載吸力[9]，使得屋面角區(qū)成為易受損的部位。基于空氣動(dòng)力學(xué)原理，本文通過(guò)設(shè)計(jì)貼合壁面的流線型屋面角區(qū)附加構(gòu)件，使得角區(qū)錐形渦的生成得到有效抑制，進(jìn)而改善建筑屋面的風(fēng)壓分布，設(shè)計(jì)得到新型三維曲面附加構(gòu)件，其設(shè)計(jì)步驟詳見(jiàn)文獻(xiàn)[10]，詳細(xì)尺寸如圖4a所示，構(gòu)件上適當(dāng)開(kāi)洞是為了減小附加構(gòu)件自身的風(fēng)荷載及滿足屋面排水的要求。

圖4 兩種角區(qū)構(gòu)件尺寸/mm

為了使傳統(tǒng)開(kāi)洞女兒墻附加構(gòu)件和新型三維曲面構(gòu)件之間能進(jìn)行公平對(duì)比，兩種構(gòu)件在角區(qū)每側(cè)的長(zhǎng)度、垂直屋檐方向上的擋風(fēng)面積及開(kāi)洞面積與擋風(fēng)面積之比都保持大致相同，如圖4b所示。圖5a,5b分別為新型三維曲面構(gòu)件與女兒墻構(gòu)件的實(shí)物，兩種構(gòu)件實(shí)物均通過(guò)3D打印技術(shù)制作。

圖5 2種角區(qū)構(gòu)件實(shí)物

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算域與網(wǎng)格劃分

數(shù)值風(fēng)洞采用ANSYS ICEM CFD 19.2完成建模并導(dǎo)入ANSYS CFX中進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算域尺寸取L×B×H=600 m×270 m×150 m，這樣可保證在按照1∶50縮尺后計(jì)算域截面尺寸與華南理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)室風(fēng)洞一致，同時(shí)也能滿足數(shù)值風(fēng)洞中阻塞率小于3%的要求[11]，計(jì)算域尺寸及邊界條件示意如圖6所示。流域網(wǎng)格采用內(nèi)、外域網(wǎng)格混合劃分方案，靠近建筑的內(nèi)域采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，外域采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)規(guī)則的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，其中在內(nèi)域網(wǎng)格劃分過(guò)程中，通過(guò)“密度盒”功能對(duì)靠近預(yù)制艙屋面部分進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，以捕捉所關(guān)注區(qū)域流場(chǎng)的更多信息。靠近建筑近壁面第一層網(wǎng)格高度為1 mm，近壁面y+<1，滿足湍流模型壁面函數(shù)的要求。外域網(wǎng)格單元數(shù)約為466萬(wàn)，內(nèi)域網(wǎng)格單元數(shù)約為350萬(wàn)，數(shù)值風(fēng)洞計(jì)算域的整體網(wǎng)格劃分如圖7所示。值得說(shuō)明的是，新型曲面構(gòu)件及女兒墻構(gòu)件的數(shù)值模型建模過(guò)程中，在保留主要尺寸沒(méi)有改變的前提下，對(duì)構(gòu)件與屋面交接處局部一些過(guò)小的開(kāi)洞做了適當(dāng)簡(jiǎn)化，兩種構(gòu)件在數(shù)值風(fēng)洞模型中的建模如圖8所示。

圖6 數(shù)值風(fēng)洞計(jì)算域尺寸及邊界條件/m

圖7 數(shù)值風(fēng)洞整體網(wǎng)格劃分

圖8 兩種角區(qū)構(gòu)件建模

2.2 湍流模型與入口邊界條件

鈍體繞流CFD模擬中湍流模型將對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確程度與可信度產(chǎn)生很大影響，故選擇合適的湍流模型十分重要。本次采用雷諾平均方法(Reynolds Averaged Navier-Stokes,RANS)進(jìn)行數(shù)值模擬，湍流模型采用Menter[12]提出的對(duì)鈍體結(jié)構(gòu)繞流具有較高精度的SSTk-ω模型。速度 - 壓力耦合方式采用SIMPLEC，動(dòng)量方程和湍流模型方程擴(kuò)散項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，迭代步數(shù)設(shè)置為200步，所有變量和連續(xù)性方程殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為10-5。

平衡態(tài)大氣邊界層湍流風(fēng)場(chǎng)的準(zhǔn)確模擬，是數(shù)值風(fēng)洞模擬的前提要求，也是影響數(shù)值模擬結(jié)果精度的關(guān)鍵因素之一。入口邊界條件的定義將極大影響邊界層風(fēng)場(chǎng)的自保持特性，為生成具有平衡態(tài)的大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)，參考《建筑風(fēng)環(huán)境測(cè)試與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[13]中的建議，入口邊界條件通過(guò)Yang等[14]提出的一類(lèi)模擬平衡態(tài)大氣邊界層的速度及湍流特征參數(shù)剖面公式(1)～(3)來(lái)定義，采用指數(shù)律描述大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)的平均風(fēng)速剖面和湍流特征參數(shù)剖面。

(1)

(2)

(3)

式中：u為平均速度；z為離地高度；zr為參考高度10 m；ur為參考高度處風(fēng)速10 m/s；ls為無(wú)量綱模型縮尺比，取1/50；αi為測(cè)點(diǎn)i處地面粗糙度指數(shù)，取0.15；k為湍動(dòng)能；D1，D2為根據(jù)規(guī)范取值的常數(shù)，D1=-2.7，D2=9.4；ω為湍流頻率；Cμ為湍流模型常數(shù)，取0.04。

圖9a,9b分別為根據(jù)所定義的邊界條件在空計(jì)算域中得到的速度剖面和湍動(dòng)能剖面云圖，由圖9可以看出，模擬的速度和湍動(dòng)能剖面在順流域方向基本保持不變，可以認(rèn)為所定義的邊界條件生成了平衡態(tài)的大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)。

圖9 平衡態(tài)大氣邊界層特性模擬云圖

3 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

(4)

3.2 結(jié)果分析

在風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬的眾多工況中，本文選取兩個(gè)典型風(fēng)向角0°正吹與30°斜吹工況下，綜合艙屋面角區(qū)的測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。所探討的工況風(fēng)向角及測(cè)點(diǎn)區(qū)域(測(cè)點(diǎn)編號(hào)為1～53號(hào))，如圖10所示(虛線框?yàn)榻遣繀^(qū)域)。對(duì)于預(yù)制艙這一類(lèi)低矮建筑，屋面角區(qū)、檐口和屋脊等部位是需重點(diǎn)關(guān)注的風(fēng)災(zāi)易損區(qū)；本文主要探討附加構(gòu)件對(duì)屋面角區(qū)極值風(fēng)壓的影響，因此重點(diǎn)對(duì)比這2種不同來(lái)流風(fēng)向角工況下屋面角區(qū)的風(fēng)荷載特性。

圖10 風(fēng)向角定義及所分析屋面測(cè)點(diǎn)區(qū)域示意

3.2.1 0°風(fēng)向角工況

圖11,12分別為風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬在0°風(fēng)向角，綜合艙屋面角區(qū)分別為無(wú)構(gòu)件、曲面構(gòu)件、女兒墻構(gòu)件工況下，得到測(cè)點(diǎn)區(qū)域的平均風(fēng)壓系數(shù)云圖。

圖11 風(fēng)洞試驗(yàn)0°風(fēng)向角下屋面平均風(fēng)壓系數(shù)云圖

圖11a，工況1(無(wú)構(gòu)件工況)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果顯示，所研究區(qū)域的角區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)最大達(dá)到-0.94(本文中平均風(fēng)壓系數(shù)按照習(xí)慣表達(dá)以絕對(duì)值比較大小)，系數(shù)沿來(lái)流風(fēng)向從左到右整體上呈減小趨勢(shì)，在右下角處最小平均風(fēng)壓系數(shù)為-0.72。

圖11b，工況2(曲面構(gòu)件工況)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果顯示，所研究區(qū)域的平均風(fēng)壓系數(shù)最大為-0.92，最小為-0.66，左下角區(qū)局部平均風(fēng)壓約為-0.86，略小于無(wú)構(gòu)件工況的-0.94，說(shuō)明在0°風(fēng)向角下，曲面構(gòu)件能略微減小屋面角區(qū)的平均風(fēng)荷載。

圖11c，工況3(女兒墻構(gòu)件工況)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果顯示，所研究區(qū)域的平均風(fēng)壓系數(shù)最大為-0.88，最小為-0.66，分布情況與曲面構(gòu)件工況云圖類(lèi)似，說(shuō)明女兒墻構(gòu)件也能略微減小屋面來(lái)流方向角區(qū)的平均風(fēng)壓，且減小效果相當(dāng)。

由圖12可見(jiàn)，數(shù)值模擬得到0°風(fēng)向角工況下，綜合艙屋面角區(qū)分別為無(wú)構(gòu)件、曲面構(gòu)件、女兒墻構(gòu)件時(shí)，平均風(fēng)壓系數(shù)沿來(lái)流風(fēng)向從左到右整體上呈減小趨勢(shì)。其中無(wú)構(gòu)件、曲面構(gòu)件、女兒墻構(gòu)件工況下最大平均風(fēng)壓系數(shù)分別為-0.78,-0.6,-0.6，最小平均風(fēng)壓系數(shù)都在-0.42左右；和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果相比，數(shù)值稍偏小，總體而言，數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)趨勢(shì)一致，均顯示曲面構(gòu)件與女兒墻構(gòu)件能減小屋面角區(qū)的平均風(fēng)壓，且兩種構(gòu)件效果基本相當(dāng)。

圖12 數(shù)值模擬0°風(fēng)向角下屋面平均風(fēng)壓系數(shù)云圖

3.2.2 30°風(fēng)向角工況

圖13，14分別為風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬在30°風(fēng)向角工況下，綜合艙屋面角區(qū)3種工況下(無(wú)構(gòu)件、曲面構(gòu)件、女兒墻構(gòu)件)測(cè)點(diǎn)區(qū)域的平均風(fēng)壓系數(shù)云圖。

圖13 風(fēng)洞試驗(yàn)30°風(fēng)向角下屋面平均風(fēng)壓系數(shù)云圖

圖13a，無(wú)構(gòu)件工況風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果顯示，在風(fēng)向角30°斜風(fēng)來(lái)流工況下，屋面角區(qū)的平均風(fēng)壓系數(shù)范圍在-3.2～-1.6，云圖等值線較密，表明該處具有較大的風(fēng)壓變化梯度，角區(qū)兩側(cè)均出現(xiàn)明顯的錐形渦生成區(qū)域；最大平均風(fēng)壓系數(shù)約為-3.2，遠(yuǎn)大于0°正吹工況的最大平均風(fēng)壓系數(shù)-0.94，說(shuō)明30°斜風(fēng)向來(lái)流相比0°正吹工況對(duì)屋面角區(qū)風(fēng)荷載更為不利。

圖13b，曲面構(gòu)件工況下，屋面迎風(fēng)角區(qū)局部的最大平均風(fēng)壓系數(shù)在-2.2左右，小于無(wú)構(gòu)件工況；且風(fēng)壓系數(shù)的分布相比無(wú)構(gòu)件工況更加均勻，所研究區(qū)域內(nèi)風(fēng)壓的變化梯度整體上變得更平緩，角區(qū)兩側(cè)的旋渦區(qū)域不再明顯，說(shuō)明相對(duì)于無(wú)構(gòu)件工況，曲面構(gòu)件有效抑制了屋面角區(qū)兩側(cè)旋渦的脫落。

圖13c，女兒墻構(gòu)件工況下，斜風(fēng)向迎風(fēng)角區(qū)的平均風(fēng)壓系數(shù)范圍在-2.3～-1.7，風(fēng)壓整體分布及變化趨勢(shì)與曲面構(gòu)件工況類(lèi)似。

由圖14可見(jiàn)，數(shù)值模擬結(jié)果顯示出在30°斜風(fēng)來(lái)流時(shí)屋面迎風(fēng)角區(qū)兩側(cè)的旋渦脫落特性，無(wú)構(gòu)件、曲面構(gòu)件及女兒墻構(gòu)件工況下屋面角區(qū)的平均風(fēng)壓系數(shù)最大值分別為-1.35,-1.15,-1.35左右，相比風(fēng)洞試驗(yàn)值偏小；曲面構(gòu)件和女兒墻構(gòu)件工況下，屋面角區(qū)尤其是靠近迎風(fēng)方向一側(cè)的風(fēng)壓變化梯度具有明顯減緩，同樣展現(xiàn)出風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果中兩種附加構(gòu)件對(duì)屋面角區(qū)風(fēng)荷載的優(yōu)化效果。

圖14 數(shù)值模擬30°風(fēng)向角下屋面平均風(fēng)壓系數(shù)云圖

圖15，16分別給出了風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的30°風(fēng)向角下3種工況屋面的局部測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)對(duì)比圖。

圖15 風(fēng)洞試驗(yàn)30°風(fēng)向角下屋面局部測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)

圖16 數(shù)值模擬30°風(fēng)向角下屋面局部測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)

由圖15可見(jiàn)，風(fēng)洞試驗(yàn)30°風(fēng)向角無(wú)構(gòu)件工況下，屋面角區(qū)附近17,26,35號(hào)測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)都達(dá)到了-3以上，其中26號(hào)測(cè)點(diǎn)最大達(dá)到了-3.6(在云圖中由于插值算法和圖形顯示原因，未顯示個(gè)別測(cè)點(diǎn)結(jié)果)，說(shuō)明在30°風(fēng)向角下上述測(cè)點(diǎn)對(duì)風(fēng)荷載較為敏感，其附近區(qū)域的屋面承受著較大的負(fù)風(fēng)壓。且30°斜風(fēng)來(lái)流風(fēng)向下的最大平均風(fēng)壓系數(shù)大于0°風(fēng)向角工況，說(shuō)明相對(duì)而言，斜風(fēng)向來(lái)流是對(duì)屋面角區(qū)風(fēng)荷載更不利的工況。值得注意的是，在曲面構(gòu)件和女兒墻構(gòu)件的工況下，上述測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)都減小至-2.5以下。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析可得，采用曲面構(gòu)件和女兒墻構(gòu)件后，上述3個(gè)風(fēng)敏感測(cè)點(diǎn)處平均風(fēng)壓系數(shù)的均值分別減小為無(wú)構(gòu)件工況下的67%與72%，說(shuō)明在對(duì)屋面風(fēng)荷載更不利的斜風(fēng)來(lái)流工況下，曲面構(gòu)件在屋面角區(qū)測(cè)點(diǎn)區(qū)域?qū)τ谄骄L(fēng)壓的減小效果比女兒墻構(gòu)件要更優(yōu)，這驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的新型三維曲面附加構(gòu)件對(duì)于優(yōu)化低矮建筑角區(qū)風(fēng)荷載的有效性和相對(duì)優(yōu)勢(shì)。

對(duì)比圖15,16可見(jiàn)，數(shù)值模擬30°風(fēng)向角下的3種工況得到的測(cè)點(diǎn)處的平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值比風(fēng)洞試驗(yàn)值偏小，但整體上測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓分布規(guī)律與風(fēng)洞試驗(yàn)相近，并且屋面角區(qū)附近的17，26，35號(hào)測(cè)點(diǎn)平均負(fù)壓絕對(duì)值相對(duì)更大，表明數(shù)值模擬成功模擬了在30°斜風(fēng)來(lái)流風(fēng)向角下屋面這些敏感測(cè)點(diǎn)位置處的風(fēng)荷載變化規(guī)律。數(shù)值模擬結(jié)果表明，采用曲面構(gòu)件和女兒墻構(gòu)件后，上述3個(gè)風(fēng)敏感測(cè)點(diǎn)處平均風(fēng)壓系數(shù)的均值分別減小為無(wú)構(gòu)件工況下的78%與93%，說(shuō)明在斜風(fēng)向工況下，曲面構(gòu)件比女兒墻構(gòu)件能更有效優(yōu)化屋面角區(qū)的風(fēng)荷載。總體看來(lái)，數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)雖然數(shù)值上存在一定誤差，但整體上再現(xiàn)了風(fēng)洞試驗(yàn)中不同構(gòu)件對(duì)屋面角區(qū)平均風(fēng)壓的影響規(guī)律。

3.2.3 誤差分析

對(duì)比風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)所分析兩個(gè)風(fēng)向角下數(shù)值模擬得到測(cè)點(diǎn)處的平均風(fēng)壓系數(shù)數(shù)值上相比風(fēng)洞試驗(yàn)中得到的對(duì)應(yīng)結(jié)果偏小，分析其原因，可能有以下幾點(diǎn)：(1)受限于計(jì)算資源與時(shí)間因素，本文所用的湍流模擬方法為基于時(shí)間平均的雷諾平均方法(RANS)，在準(zhǔn)確捕捉屋面角區(qū)出現(xiàn)的極值負(fù)壓特征上存在不足，未來(lái)將采用更高精度的大渦模擬方法進(jìn)行湍流模擬計(jì)算，以減小數(shù)值誤差；(2)本文研究的綜合艙艙體本身高度較矮，數(shù)值風(fēng)洞準(zhǔn)確模擬近地面處高湍流風(fēng)場(chǎng)特征上存在一定誤差；(3)數(shù)值風(fēng)洞中所建兩種附加構(gòu)件為理想模型，與物理風(fēng)洞中實(shí)物模型在局部細(xì)部構(gòu)造上存在一定差異，也有導(dǎo)致誤差的可能。

4 結(jié) 論

本文對(duì)一預(yù)制艙變電站項(xiàng)目的低矮建筑群建立數(shù)值風(fēng)洞模型，研究了其中綜合艙屋面角區(qū)局部的風(fēng)荷載分布和優(yōu)化問(wèn)題。詳細(xì)比較了屋面角區(qū)3種工況下數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，得到如下主要結(jié)論：

(1)0°正吹風(fēng)向角工況下，采用三維曲面構(gòu)件與女兒墻構(gòu)件均能減小屋面角區(qū)的平均風(fēng)壓絕對(duì)值，兩種屋面角區(qū)附加構(gòu)件效果相當(dāng)；

(2)30°斜風(fēng)來(lái)流工況下，屋面角區(qū)的平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值比0°正吹工況下更大，表明斜風(fēng)來(lái)流對(duì)這類(lèi)屋面結(jié)構(gòu)角區(qū)風(fēng)荷載更不利。三維曲面構(gòu)件與女兒墻構(gòu)件均能一定程度減小綜合艙屋面角區(qū)局部所受的平均風(fēng)壓，分別將屋面角區(qū)風(fēng)敏感測(cè)點(diǎn)處位置平均風(fēng)壓系數(shù)的均值減小為無(wú)構(gòu)件工況下的67%和72%，表明曲面構(gòu)件效果相對(duì)更好；

(3)數(shù)值風(fēng)洞模擬結(jié)果總體上規(guī)律與風(fēng)洞試驗(yàn)一致，表明數(shù)值風(fēng)洞模擬對(duì)研究這類(lèi)問(wèn)題具有較好的指導(dǎo)作用；與此同時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果在數(shù)值上比風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果整體偏小，誤差可能與湍流模擬方法、模型差異等有關(guān)，未來(lái)有待進(jìn)一步完善。