不同風向下某多層建筑表面風壓數(shù)值模擬

劉海亮

(濰坊市第二建筑工程公司,山東 濰坊 261021)

0 引言

建筑房屋表面風壓系數(shù)是風工程研究中的一個重要參數(shù),它描述了風對建筑物表面施加的壓力分布。這一參數(shù)對于建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和風險評估至關(guān)重要。因此,國內(nèi)外學者們在建筑房屋表面風壓系數(shù)的研究方面進行了廣泛而深入的工作。國際上,建筑房屋表面風壓系數(shù)的研究始終是風工程領(lǐng)域的熱點之一。早期的工作主要集中在風洞試驗和理論模型的建立上。Bluestein和Munson[1]通過大量風洞試驗研究了低層建筑的表面風壓系數(shù),為后續(xù)的理論模型提供了實驗數(shù)據(jù)。同時,Savory等[2]提出了一種基于觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計方法,對表面風壓系數(shù)進行了系統(tǒng)性的分析。近年來,隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬在建筑風工程中的應用逐漸增多。Kareem和Kline[3]采用CFD方法模擬了高層建筑的表面風壓分布,對模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的吻合度進行了驗證。這一研究方法極大地提高了對表面風壓系數(shù)的理解,并為模擬大規(guī)模建筑風場提供了可行性。在風工程的國際標準中,表面風壓系數(shù)的定義和計算方法也得到了規(guī)范。例如,美國ASCE7標準[4]和歐洲規(guī)范(EN 1991-1-4)[5]都對表面風壓系數(shù)的計算提出了詳細的規(guī)定,為建筑設(shè)計提供了可操作的指導。

在國內(nèi),建筑房屋表面風壓系數(shù)的研究也取得了顯著的進展。早在20世紀90年代,中國的風工程研究就開始關(guān)注表面風壓系數(shù)的實測與分析。著名風工程學家潘存德教授[6]通過對多座高層建筑的風洞試驗,研究了表面風壓系數(shù)的特性,為我國高層建筑的設(shè)計提供了實用的參數(shù)。隨著計算力的不斷增強,國內(nèi)學者開始嘗試使用數(shù)值模擬方法研究表面風壓系數(shù)。李伯虎[7]采用CFD方法對一座高層建筑的表面風壓進行了模擬,并與風洞試驗結(jié)果進行對比。研究結(jié)果表明,數(shù)值模擬在表面風壓研究中能夠取得令人滿意的精度,為實際工程提供了新的分析手段。

目前,在風工程中,應用較多的是風洞實驗和CFD數(shù)值模擬。CFD數(shù)值模擬可以模擬風在建筑表面的壓力分布,進而計算出建筑表面承受的風壓。風荷載的準確估計對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要。相比風洞試驗,數(shù)值模擬具有成本較低、靈活性和高效性、可實現(xiàn)全尺寸模擬等優(yōu)勢,但也存在計算模型過于理想化等不足。本文選取東京工藝大學大學風洞試驗的研究對象(單體多層無開洞平屋頂建筑),通過數(shù)值模擬來分析兩種研究方法的不同以及多層建筑表面風壓的特點。

1 CFD數(shù)值模擬建模

東京工藝大學風洞試驗[8]設(shè)計尺寸為寬2.2 m,高1.8 m。其采用日本規(guī)范中地形類別Ⅲ作為測試風場,其平均風速剖面指數(shù)為0.2,梯度風高度為450 m。參考東京工藝大學風洞試驗設(shè)計,本文數(shù)值模擬中建筑尺寸為40 m(長)×16 m(寬)×16 m(高),建筑表面沒有開洞,如圖1所示。

風場(如圖2所示)尺寸設(shè)計為220 m×180 m×900 m,因此可得流場的阻塞率為1.6%,符合小于3%的基本要求。另外房屋模型位置處于流場中距離入口1/3處,這樣可以使得房屋后的湍流充分發(fā)展[9]。為了與風洞試驗進行對比,風向角設(shè)計為0°,15°,30°,45°,60°,75°,90°,其中0°為與屋脊方向平行,90°風向為與屋脊方向垂直。

2 風壓模擬邊界條件及求解條件設(shè)置

將風場模型導入到FLUENT后,需要先進行邊界條件設(shè)置：

1)入口條件：采用風速入口(velocity-inlet),需要采用自定義的UDF文件定義來流風速的平均風速剖面與湍流參數(shù)。其中,平均風速剖面參考圖1定義,參考高度與參考高度處的風速分別為10 m及10 m/s,地面粗糙度指數(shù)α=0.2。另外風速的湍流特性可以通過湍流動能k和湍流耗散率ε的方式給出：

k=1.5(uI)2,ε=0.090.75k1.5/L

(1)

2)出口條件：采用完全發(fā)展邊界條件(outflow),即流場任意物理量沿出口法向的梯度為零。

3)流場頂部及兩側(cè)：采用自由滑動壁面(symmetry)。

4)房屋表面及地面：采用無滑移壁面條件(wall)。

模擬過程中,湍流模型采用應用較廣的雷諾應力模型(RSM)[10],雷諾應力首先針對Reynolds應力建立起補充方程,之后同一系列的湍流控制方程組可進行聯(lián)立求解。按照雷諾應力的方程的不同表達形式,可以將雷諾應力模型分為RSM(Reynolds Stress Model)模型和代數(shù)應力方程模型。本文采用RSM模型進行計算。

采用非平衡壁面函數(shù)(Non-Equlibrium Wall Functions)來考慮壁面的存在對流場的影響。為保證計算的穩(wěn)定性,壓力速度耦合(Pressure-Velocity Coupling)方程采用SIMPLEC算法,并配合較小的松弛系數(shù)使用。離散控制方程(Spatial Discretization)的對流項采用一階迎風格式(First Order Upwind)。當計算至所有的無量綱參數(shù)均方差均小于10-4時,且模型表面的平均風壓值基本不變時,可認為計算結(jié)果收斂。

計算域網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格。這是因為該六面體模型幾何形狀簡單,易于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的生成;其次六面體網(wǎng)格引入的截斷誤差較小具有良好的收斂性能,整體上優(yōu)于四面體網(wǎng)格。此外,在模擬中,對模型表面及流域地面附近的網(wǎng)格進行了加密,這樣可以更準確地反映出該部位流場參數(shù)的變化特征。風場網(wǎng)格劃分如圖3所示。以風向60°為例,網(wǎng)格數(shù)量為333萬左右,整體質(zhì)量都在0.9及以上,質(zhì)量較好。

3 結(jié)果分析

3.1 風速場分析

本文選取0°,45°及90°共三種工況下10 m高度處,整個風場的風速云圖進行分析(見圖4)。從圖4可以看出,在三種風向下,建筑物兩側(cè)都出現(xiàn)了“掛耳”現(xiàn)象,氣流在此處均出現(xiàn)了分離,并且變化劇烈。而在建筑物的兩側(cè)及建筑后側(cè),都出現(xiàn)了風速為負的情形,特別是建筑后側(cè),均出現(xiàn)了“漩渦”,說明此處存在負壓,即風壓表現(xiàn)為吸力。而且,由于該流場中僅有一棟單體建筑,周圍都沒有建筑物遮擋,所以在這三種工況下,漩渦都得到了充分發(fā)展。這一現(xiàn)象與實際情形吻合。另外相比較0°和90°的流場,45°風向下的流場明顯更為復雜,流場變化更為劇烈。

3.2 風壓系數(shù)對比

建筑模型表面任一點的平均風壓系數(shù)Cpi定義為：

(2)

其中,wi為第i測點的凈風壓;v為參考高度處的風速,這里參考高度為10 m處的風速取10 m/s,空氣質(zhì)量密度ρ為1.225 kg/m3。

由于工況較多,在風壓系數(shù)云圖對比方面,本節(jié)也同樣僅選取0°,45°以及90°工況下的風洞試驗及數(shù)值模擬云圖進行對比,如圖5所示。通過對比可以發(fā)現(xiàn),風洞試驗及數(shù)值模擬所獲得的風壓系數(shù)沿著各屋面的變化趨勢基本一致,特別是在0°和90°兩種工況時的屋頂位置,風壓系數(shù)沿著風向的梯度變化較為均勻。此外,通過圖5可以看出,在迎風面的屋檐處產(chǎn)生氣流分離,漩渦脫落,導致三種風向角下屋頂臨近迎風一側(cè)的屋檐處,均出現(xiàn)了負壓較大的情形,說明這些區(qū)域的風吸力較大,在實際工程中應考慮風壓不利帶來的影響。而且相較于風洞試驗,數(shù)值模擬結(jié)果中的曲線更為光滑,特別是在0°和90°時,數(shù)值模擬得到的風壓系數(shù)云圖對稱性更為明顯。除了網(wǎng)格劃分質(zhì)量較好的原因,更重要的是因為全尺寸模擬,所以數(shù)值模擬比風洞試驗在細節(jié)方面更為精細。

本節(jié)對7種風向角下,各屋面的平均風壓系數(shù)進行了統(tǒng)計,如圖6所示。通過對比可以發(fā)現(xiàn),數(shù)值模擬和風洞試驗中各屋面在各風向角下的變化趨勢基本一致,只有建筑前側(cè)在大部分風向角下平均值為正值,即風荷載表現(xiàn)為壓力,建筑左側(cè)在部分風向角(0°～45°)時,基本均處于迎風面,所以風壓也為正。而其他建筑表面在大部分工況下基本處于背風面,所以平均風壓系數(shù)平均值基本為負,即風荷載表現(xiàn)為風吸力。通過數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn),除了極少數(shù)風向角下的極個別屋面,兩者誤差達到28.1%左右,其他誤差均在20%以內(nèi)。這是因為由于計算模型過于理想化,數(shù)值模擬會高估氣流分離部位的負壓。整體而言,數(shù)值模擬結(jié)果與風洞試驗結(jié)果吻合較好。即數(shù)值模擬方法在模擬規(guī)則建筑房屋表面風壓方面準確且可靠。

3.3 干擾效應分析

本文在目標房屋(1號房屋)在迎風向上游布置一施擾房屋(2號房屋),以分析施擾房屋在串聯(lián)布置時對目標房屋的風致干擾效應。二者的尺寸一致,前后間距為32 m,其在風洞中的布置如圖7所示。流域依然采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,在近壁面布置合理的邊界層網(wǎng)格,以令首層邊界層網(wǎng)格落在對數(shù)壁面規(guī)則的有效范圍內(nèi),即滿足y+=30～60。其他邊界條件及收斂準則設(shè)置均與單體房屋模擬時一致。

同樣,本文開展了0°～90°共7個風向下兩棟房屋表面風壓模擬。篇幅所限,此處同樣僅選取了0°,45°及90°風向角下,10 m高度處整個流場的風速云圖(見圖8)。可以看出在0°與90°風向角下,整個流場的風速呈對稱分布,這一現(xiàn)象符合實際情形。在0°風向時,同單體建筑表現(xiàn)一致(見圖4),兩棟房屋在房屋北面均出現(xiàn)了分布均勻的負壓漩渦區(qū),而且房屋迎風兩側(cè)均出現(xiàn)了“掛耳”漩渦區(qū)域,在兩棟房屋中間,“掛耳”區(qū)域融為一體。45°風向作用下,目標房屋背風側(cè)的負壓區(qū)域面積明顯大于處在上游的施擾房屋的負壓區(qū)域,這是因為在45°風向角下,施擾房屋背風側(cè)也會受到來流的作用,導致負壓區(qū)域減小。此外,由于施擾房屋的遮擋,目標房屋前側(cè)的風壓變小。當二者間距變小時,這一現(xiàn)象會更明顯。在90°風向時,兩棟房屋的背風側(cè)均出現(xiàn)了分布均勻的負壓區(qū)域,兩棟房屋間的區(qū)域負壓面積要大于目標房屋背風側(cè)的負壓區(qū)域面積。這說明此時受到施擾房屋的影響,目標房屋的迎風側(cè)和背風側(cè)均表現(xiàn)為負壓。同時,在施擾房屋的遮擋下,目標房屋兩側(cè)沒有“掛耳”現(xiàn)象的產(chǎn)生。

(3)

干擾系數(shù)的大小直接反映了施擾房屋對目標房屋表面風荷載的干擾程度。干擾系數(shù)>1表示干擾效應得到了放大;0<干擾系數(shù)<1表示減小的干擾效應;干擾系數(shù)=1則表示受擾房屋未受到干擾影響;若干擾系數(shù)<0則說明目標房屋屋面風壓的方向也發(fā)生了改變。目標房屋和受擾房屋的干擾系數(shù)隨各風向的變化如圖9所示。

對于目標房屋而言,所有風向角下的干擾系數(shù)數(shù)值均為正,表明即使受到施擾房屋干擾,目標房屋各表面的平均正負壓的方向沒有發(fā)生變化。在風向范圍處于30°～90°之間時,大部分表面平均風壓的干擾系數(shù)均處于0～1之間,表明此時受到上游施擾房屋的影響,目標房屋的表面風壓降低。而在0°～15°時,這一現(xiàn)象相反,特別是風向角為15°時,目標房屋的表面風壓均增大,說明在這兩個風向角時,施擾房屋與目標房屋之間的氣流流速增大,所帶來的遮擋效應對目標房屋的表面風壓起到正向增大的作用。

而對于施擾房屋而言,所有風向角下的干擾系數(shù)也均為正,處于0.5～2.6之間,大部分數(shù)值處于0.75～1.5之間。同樣,30°風向?qū)τ谑_房屋是個轉(zhuǎn)折點,在30°風向之前,大部分表面干擾系數(shù)均大于1。而從30°向90°變化時,相當一部分表面風壓干擾系數(shù)小于1,說明表面風壓相較于單體時降低。而在75°風向時,施擾房屋左側(cè)、背風側(cè)以及屋頂均大于1,說明此時兩者房屋間距相對較小,氣流流速增大后,導致這三處平均風壓增大。

4 結(jié)論

1)建筑表面迎風側(cè)風壓為正,而背風面在大部分區(qū)域表現(xiàn)為負壓,即風吸力。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時,需要考慮不利風壓帶來的影響。

2)串列布置時,施擾房屋與目標房屋的表面風壓基本均會受到影響。房屋間距越小,迎風側(cè)的風壓基本均增大。在本文假定的間距下,下游房屋相比較上游房屋受到的風致干擾效應更為明顯。

3)數(shù)值模擬相較于風洞試驗雖然有成本較低、可實現(xiàn)全尺寸模擬等優(yōu)點,但也存在計算模型過于理想化等不足,因此風工程研究需要CFD數(shù)值模擬與風洞試驗相結(jié)合。

4)實際情形中建筑房屋多以群體形式存在,下一步可針對規(guī)則群體房屋布置甚至不規(guī)則群體房屋的表面風壓分布規(guī)律開展相關(guān)研究。