超高層建筑風壓分布及周圍流場的數(shù)值模擬

超高層建筑風壓分布及周圍流場的數(shù)值模擬

隨著我國城市化進程的加快，市中心和商業(yè)區(qū)的高層建筑成群結構。這些建筑不僅改變了城市的外觀，還嚴重影響了建筑表面的風壓和周圍的風環(huán)境。許多風景園林研究人員使用風孔測試和數(shù)值模型模擬了高層建筑表面和行人高度的風環(huán)境。當前建筑風荷載及其周圍風環(huán)境特性主要通過風洞試驗測試得到,但隨著超高層建筑高度的不斷攀升,風洞試驗時常出現(xiàn)縮尺比小于1/300的模型,而在普通風洞中并不能滿足雷諾數(shù)相似條件,勢必會加大試驗結果與實際風場中建筑表面風壓分布及周圍風環(huán)境的差別。Larose,Schewe,李加武等對低矮建筑、多種斷面形狀的橋梁研究表明:試驗與實測得到的結構表面風壓特性都存在雷諾數(shù)效應的影響,特別是風洞試驗的大跨度橋梁風荷載不能忽略雷諾數(shù)效應的影響,但由于鈍體斷面結構雷諾數(shù)效應的復雜性,其研究一直伴隨著該領域的發(fā)展。隨著計算流體力學理論和計算機硬件的快速發(fā)展,建筑風荷載和風環(huán)境的數(shù)值模擬已成為風洞試驗方法的輔助手段,而且數(shù)值模擬方法具有成本低、效率高、易修改各類參數(shù)等特點,已成為風工程研究的重要發(fā)展方向。采用數(shù)值模擬方法對高層建筑表面風壓及周圍風環(huán)境進行研究時,建筑模型通常取風洞模型尺寸或者結構實際尺寸進行模擬;同時因為現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的匱乏,絕大多數(shù)研究者只能選擇風洞測試數(shù)據(jù)對數(shù)值模擬結果進行可靠性的驗證,卻不能明確說明計算結果與實際風場中建筑風荷載及周圍風場的差別。作者對中華城商業(yè)中心建筑群進行了數(shù)值模擬及剛性測壓模型風洞試驗的對比研究,并且計算了采用增大風速及模型比例尺的方式得到的高雷諾數(shù)下結構表面風壓及建筑群周圍的速度分布,考察了不同雷諾數(shù)下的建筑表面風壓分布和周圍環(huán)境速度場分布。1風場特性的影響中華城商業(yè)建筑群位于漢口主干道交匯處,地處商業(yè)繁華路段,周圍有多處超過100m的高層建筑,對新建建筑的風場影響大并且風場特性復雜。該商業(yè)社區(qū)建筑群由4座高層建筑組成,其中主樓為超高層建筑,標高為227.7m,其它3座建筑標高均為134.55m。1.1模擬地形地貌試驗在湖南大學HD-2風洞試驗室中進行,試驗段長17m,模型試驗區(qū)橫截面寬3m、高2.5m,試驗段風速1～58m/s連續(xù)可調(diào)。采用檔板、尖塔、粗糙元裝置模擬我國規(guī)范規(guī)定的C類地貌,地面粗糙度指數(shù)為0.22,風洞中模擬的風剖面、紊流度如圖1所示。測壓模型由有機玻璃制成,幾何縮尺比為1∶200,主樓布置了496個測壓點,其他3座樓共布置356個測壓點,考慮到中華城商業(yè)社區(qū)臨近建筑的干擾影響,模擬了主樓周圍半徑300m內(nèi)的主要建筑,風洞試驗模型如圖2所示。風洞試驗每隔15°吹風1次,共24個風向角,試驗風向角如圖3所示,圖3中主樓用V標注。1.2中性關系模型使用商業(yè)軟件Fluent進行數(shù)值計算,采用了計算模型尺寸與風洞試驗模型一致的計算工況(記為S200),并合理設置了計算流域;同時為了進行對比還設置了不同比例尺模型工況:尺寸比風洞模型擴大5倍(即縮尺比為1∶40,記為S40),考慮的風向角有0°、180°、270°、330°4種。綜合考慮計算精度和資源的要求,使用混合網(wǎng)格策略,在主體建筑V周圍300m內(nèi)采用非結構網(wǎng)格(稱為核心區(qū)),外圍采用結構網(wǎng)格,網(wǎng)格由內(nèi)向外按比例遞增,同時限制最大網(wǎng)格長度,所有工況的網(wǎng)格數(shù)在300～450萬之間,其中0°風向角S200模型如圖4所示。對結構表面附近的網(wǎng)格進行細化并局部加密,在計算過程中其表面y+值一般可以保證在限定的范圍之內(nèi)。入流面采用速度入口模擬C類大氣邊界層風剖面,平均風速(v)剖面按地貌指數(shù)α=0.22確定,湍流參數(shù)根據(jù)風洞試驗測試數(shù)據(jù)擬合得到,采用湍動能及其耗散率組合輸入[8?11-12]?k=√C1?zα+C2;ε=C1/2μ?k(z)??v?z,其中,參數(shù)C1,C2,Cμ分別為-1,2.4,0.09。模型S200入流剖面由風洞試驗測試值擬合得到,模型S40入流剖面數(shù)值根據(jù)S200工況相應地擴大5倍,那么兩種工況下對應斷面的雷諾數(shù)相差約為25倍。入流剖面參數(shù)均采用Fluent提供的UDF(用戶自定義函數(shù))功能實現(xiàn);出流面采用壓力出流邊界條件;流域頂部及兩側采用自由滑移壁面條件;結構表面及地面采用無滑移的壁面條件,由于近壁區(qū)湍流發(fā)展不充分,選用非平衡壁函數(shù)及表面粗糙度對壁面進行處理。湍流模型采用RNGk-ε模型,對流項的離散格式采用二階迎風格式,壓力-速度耦合方程的解法采用SIMPLE算法。通過監(jiān)測控制方程的迭代殘余量、建筑表面壓力及計算域中拾取點的風速變化判斷計算是否收斂。2數(shù)值模擬和實驗結果分析2.1不同高斷面、面高斷面、風向角的體型系數(shù)模擬建筑群表面平均風壓,在超高層主樓上分別取高為50m、100m、150m、200m斷面的體型系數(shù)(平均風壓系數(shù))模擬結果與試驗對比(數(shù)值模擬與風洞試驗模型尺寸及來流風速一致),風向角分別為0°、180°、270°、330°的對比如圖5所示,圖5中,S200、E200分別表示模型比例為1∶200的數(shù)值模擬和風洞試驗;H表示層高;L表示建筑斷面上順時針方向離迎風面角點的距離。圖5中0°風向角下,背風面體型系數(shù)與試驗值最大相差不足0.1,50m高處迎風面體型系數(shù)與試驗值有差異,其余斷面上均較為一致;180°風向角下,在各層高斷面的同一側面及100m高斷面迎風面體型系數(shù)略有差別,但分布趨勢一致,其他表面的體型系數(shù)分布均較為一致;270°風向角下,50m、100m斷面處除迎風面外體型系數(shù)較試驗值大,數(shù)值相差約20%～40%,其他側面處的體型系數(shù)較為一致,而在150m、200m斷面處體型系數(shù)與試驗值一致;330°風向角下,各層高斷面體型系數(shù)的計算值與試驗值較為一致。總體上來看,數(shù)值模擬和風洞試驗的體型系數(shù)都較為一致,相差一般在15%以內(nèi),只有270°、180°風向角下50m高處斷面的局部體型系數(shù)還存在一定的差別。各風向角下體型系數(shù)的對比認為:在50m高斷面處,主體建筑同一側面體型系數(shù)的試驗值與計算值差別較大,這可能由試驗模型和計算模型中處理該側邊周圍建筑方式的差異所引起(在計算過程中對周圍建筑外形的簡化處理及試驗過程中周圍建筑的放置位置都會有差別)。通過增大模型尺寸和來流風速將雷諾數(shù)提高到風洞試驗雷諾數(shù)的25倍后,再次進行計算,并與上文模擬工況的體型系數(shù)進行對比,風向角為0°、180°、270°、330°時不同層高斷面處體型系數(shù)的對比如圖5所示,圖5中S40表示提高雷諾數(shù)后的數(shù)值模擬結果。圖5中數(shù)值計算的兩類工況下體型系數(shù)都較為一致,大比例模型中角落處體型系數(shù)的變化趨勢幅度較大;在330°風向角下,計算結果幾乎完全一致;0°、180°、270°風向角下,50m高斷面處體型系數(shù)較其它高度斷面的差別大;從高為150m、200m斷面處體型系數(shù)來看,提高雷諾數(shù)后主樓側面的數(shù)值(絕對值)要略小。從不同雷諾數(shù)的計算工況結果所表現(xiàn)的差別來看,模型比例對建筑表面風壓分布略有影響。2.2明確尾流中的旋轉(zhuǎn)軸,氣流流速在s100模型中的分布對不同雷諾數(shù)工況中高為50m,150m計算域斷面處的速度及流線分布進行了對比,圖6、圖7分別為風向角為180°、330°時的平均速度及流線分布,其中標識S200H150表示縮尺比(S)為1∶200,水平面高度(H)為150m。在圖6中,高為50m斷面處速度分布可以看到建筑物夾縫間風速明顯增大形成“峽谷效應”,在S200模型中氣流流經(jīng)建筑群時在建筑后都形成明顯的渦旋,尾流最終在建筑群后形成大的旋渦,而在S40模型中氣流流經(jīng)建筑群時旋渦發(fā)展充分,在尾流中的旋渦影響范圍較小;在高為150m斷面處,氣流流經(jīng)兩種比例的建筑群模型后產(chǎn)生的流速及流線分布有明顯的差別。圖7中,高為50m處斷面速度分布可以顯示建筑物夾縫間風速明顯增大以及前面建筑物的遮擋作用,最終在尾流中形成了較大的旋渦;在高為150m斷面處,兩類比例尺模型工況在尾流中旋渦分布規(guī)律較為相似。對兩類雷諾數(shù)工況中各高度斷面處的風場分布對比認為,高層建筑群中遮擋效應及峽谷效應顯著,當數(shù)值計算中建筑群采用小比例模型時,尾流中的旋渦強度大,影響范圍廣;來流方向與多數(shù)建筑物軸線成角度,兩種尺寸模型下氣流速度分布較為一致,尾流旋渦分布也較為相似;建筑分布較為規(guī)則并且來流方向與建筑物軸線平行,在小尺寸模型中尾流易形成較強的旋渦,而在大尺寸模型中氣流流經(jīng)建筑群時旋渦發(fā)展比較充分,在尾流中渦旋的流線比較平緩。3數(shù)值模擬對比a.數(shù)值模擬中周邊建筑外形的不當簡化,以及風洞試驗中周邊建筑模型外形的制作和其擺放位置的差別都會對建筑表面風壓分布產(chǎn)生不容忽略的影響。b.采用不同比例模型進行數(shù)值計算時,當來流與多數(shù)建筑主軸方向呈角度時,得到的風壓分布及速度場都較為一致;當多數(shù)建筑排列規(guī)則并且主軸向與來流方向平行時,大比例模型工況中層高較高處側面體型系數(shù)數(shù)值(絕對值)略小。c.數(shù)值模擬可以方便顯示高層建筑群流場中的遮擋效應及峽谷效應。在兩種尺寸的模型中,來流方向與多數(shù)建筑主軸方向呈角度時,氣流速度及流線分布規(guī)律性較為相似;建筑分布規(guī)則并且來流方向與建筑物主軸方向平行時,在小尺寸模型工況的尾流中易形成較強