超高層建筑風(fēng)壓分布及周圍流場的數(shù)值模擬

超高層建筑風(fēng)壓分布及周圍流場的數(shù)值模擬

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，市中心和商業(yè)區(qū)的高層建筑成群結(jié)構(gòu)。這些建筑不僅改變了城市的外觀，還嚴(yán)重影響了建筑表面的風(fēng)壓和周圍的風(fēng)環(huán)境。許多風(fēng)景園林研究人員使用風(fēng)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(fēng)環(huán)境。當(dāng)前建筑風(fēng)荷載及其周圍風(fēng)環(huán)境特性主要通過風(fēng)洞試驗(yàn)測試得到,但隨著超高層建筑高度的不斷攀升,風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)常出現(xiàn)縮尺比小于1/300的模型,而在普通風(fēng)洞中并不能滿足雷諾數(shù)相似條件,勢必會(huì)加大試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際風(fēng)場中建筑表面風(fēng)壓分布及周圍風(fēng)環(huán)境的差別。Larose,Schewe,李加武等對(duì)低矮建筑、多種斷面形狀的橋梁研究表明:試驗(yàn)與實(shí)測得到的結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓特性都存在雷諾數(shù)效應(yīng)的影響,特別是風(fēng)洞試驗(yàn)的大跨度橋梁風(fēng)荷載不能忽略雷諾數(shù)效應(yīng)的影響,但由于鈍體斷面結(jié)構(gòu)雷諾數(shù)效應(yīng)的復(fù)雜性,其研究一直伴隨著該領(lǐng)域的發(fā)展。隨著計(jì)算流體力學(xué)理論和計(jì)算機(jī)硬件的快速發(fā)展,建筑風(fēng)荷載和風(fēng)環(huán)境的數(shù)值模擬已成為風(fēng)洞試驗(yàn)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(diǎn),已成為風(fēng)工程研究的重要發(fā)展方向。采用數(shù)值模擬方法對(duì)高層建筑表面風(fēng)壓及周圍風(fēng)環(huán)境進(jìn)行研究時(shí),建筑模型通常取風(fēng)洞模型尺寸或者結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸進(jìn)行模擬;同時(shí)因?yàn)楝F(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的匱乏,絕大多數(shù)研究者只能選擇風(fēng)洞測試數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行可靠性的驗(yàn)證,卻不能明確說明計(jì)算結(jié)果與實(shí)際風(fēng)場中建筑風(fēng)荷載及周圍風(fēng)場的差別。作者對(duì)中華城商業(yè)中心建筑群進(jìn)行了數(shù)值模擬及剛性測壓模型風(fēng)洞試驗(yàn)的對(duì)比研究,并且計(jì)算了采用增大風(fēng)速及模型比例尺的方式得到的高雷諾數(shù)下結(jié)構(gòu)表面風(fēng)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(fēng)壓分布和周圍環(huán)境速度場分布。1風(fēng)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(duì)新建建筑的風(fēng)場影響大并且風(fēng)場特性復(fù)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(biāo)高為227.7m,其它3座建筑標(biāo)高均為134.55m。1.1模擬地形地貌試驗(yàn)在湖南大學(xué)HD-2風(fēng)洞試驗(yàn)室中進(jìn)行,試驗(yàn)段長17m,模型試驗(yàn)區(qū)橫截面寬3m、高2.5m,試驗(yàn)段風(fēng)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(fēng)洞中模擬的風(fēng)剖面、紊流度如圖1所示。測壓模型由有機(jī)玻璃制成,幾何縮尺比為1∶200,主樓布置了496個(gè)測壓點(diǎn),其他3座樓共布置356個(gè)測壓點(diǎn),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(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。風(fēng)洞試驗(yàn)每隔15°吹風(fēng)1次,共24個(gè)風(fēng)向角,試驗(yàn)風(fēng)向角如圖3所示,圖3中主樓用V標(biāo)注。1.2中性關(guān)系模型使用商業(yè)軟件Fluent進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,采用了計(jì)算模型尺寸與風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵恢碌挠?jì)算工況(記為S200),并合理設(shè)置了計(jì)算流域;同時(shí)為了進(jìn)行對(duì)比還設(shè)置了不同比例尺模型工況:尺寸比風(fēng)洞模型擴(kuò)大5倍(即縮尺比為1∶40,記為S40),考慮的風(fēng)向角有0°、180°、270°、330°4種。綜合考慮計(jì)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(jié)構(gòu)網(wǎng)格(稱為核心區(qū)),外圍采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,網(wǎng)格由內(nèi)向外按比例遞增,同時(shí)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(fēng)向角S200模型如圖4所示。對(duì)結(jié)構(gòu)表面附近的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化并局部加密,在計(jì)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(fēng)剖面,平均風(fēng)速(v)剖面按地貌指數(shù)α=0.22確定,湍流參數(shù)根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)擬合得到,采用湍動(dòng)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(fēng)洞試驗(yàn)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(yīng)地?cái)U(kuò)大5倍,那么兩種工況下對(duì)應(yīng)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(shí)現(xiàn);出流面采用壓力出流邊界條件;流域頂部及兩側(cè)采用自由滑移壁面條件;結(jié)構(gòu)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(duì)壁面進(jìn)行處理。湍流模型采用RNGk-ε模型,對(duì)流項(xiàng)的離散格式采用二階迎風(fēng)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(jì)算域中拾取點(diǎn)的風(fēng)速變化判斷計(jì)算是否收斂。2數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析2.1不同高斷面、面高斷面、風(fēng)向角的體型系數(shù)模擬建筑群表面平均風(fēng)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(fēng)壓系數(shù))模擬結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比(數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缂皝砹黠L(fēng)速一致),風(fēng)向角分別為0°、180°、270°、330°的對(duì)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(fēng)洞試驗(yàn);H表示層高;L表示建筑斷面上順時(shí)針方向離迎風(fēng)面角點(diǎn)的距離。圖5中0°風(fēng)向角下,背風(fēng)面體型系數(shù)與試驗(yàn)值最大相差不足0.1,50m高處迎風(fēng)面體型系數(shù)與試驗(yàn)值有差異,其余斷面上均較為一致;180°風(fēng)向角下,在各層高斷面的同一側(cè)面及100m高斷面迎風(fēng)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(fēng)向角下,50m、100m斷面處除迎風(fēng)面外體型系數(shù)較試驗(yàn)值大,數(shù)值相差約20%～40%,其他側(cè)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(yàn)值一致;330°風(fēng)向角下,各層高斷面體型系數(shù)的計(jì)算值與試驗(yàn)值較為一致?？傮w上來看,數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)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(fēng)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(fēng)向角下體型系數(shù)的對(duì)比認(rèn)為:在50m高斷面處,主體建筑同一側(cè)面體型系數(shù)的試驗(yàn)值與計(jì)算值差別較大,這可能由試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃陀?jì)算模型中處理該側(cè)邊周圍建筑方式的差異所引起(在計(jì)算過程中對(duì)周圍建筑外形的簡化處理及試驗(yàn)過程中周圍建筑的放置位置都會(huì)有差別)。通過增大模型尺寸和來流風(fēng)速將雷諾數(shù)提高到風(fēng)洞試驗(yàn)雷諾數(shù)的25倍后,再次進(jìn)行計(jì)算,并與上文模擬工況的體型系數(shù)進(jìn)行對(duì)比,風(fēng)向角為0°、180°、270°、330°時(shí)不同層高斷面處體型系數(shù)的對(duì)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(jié)果。圖5中數(shù)值計(jì)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(fēng)向角下,計(jì)算結(jié)果幾乎完全一致;0°、180°、270°風(fēng)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(cè)面的數(shù)值(絕對(duì)值)要略小。從不同雷諾數(shù)的計(jì)算工況結(jié)果所表現(xiàn)的差別來看,模型比例對(duì)建筑表面風(fēng)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(duì)不同雷諾數(shù)工況中高為50m,150m計(jì)算域斷面處的速度及流線分布進(jìn)行了對(duì)比,圖6、圖7分別為風(fēng)向角為180°、330°時(shí)的平均速度及流線分布,其中標(biāo)識(shí)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(fēng)速明顯增大形成“峽谷效應(yīng)”,在S200模型中氣流流經(jīng)建筑群時(shí)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(shí)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(fēng)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(duì)兩類雷諾數(shù)工況中各高度斷面處的風(fēng)場分布對(duì)比認(rèn)為,高層建筑群中遮擋效應(yīng)及峽谷效應(yīng)顯著,當(dāng)數(shù)值計(jì)算中建筑群采用小比例模型時(shí),尾流中的旋渦強(qiáng)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(qiáng)的旋渦,而在大尺寸模型中氣流流經(jīng)建筑群時(shí)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(duì)比a.數(shù)值模擬中周邊建筑外形的不當(dāng)簡化,以及風(fēng)洞試驗(yàn)中周邊建筑模型外形的制作和其擺放位置的差別都會(huì)對(duì)建筑表面風(fēng)壓分布產(chǎn)生不容忽略的影響。b.采用不同比例模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí),當(dāng)來流與多數(shù)建筑主軸方向呈角度時(shí),得到的風(fēng)壓分布及速度場都較為一致;當(dāng)多數(shù)建筑排列規(guī)則并且主軸向與來流方向平行時(shí),大比例模型工況中層高較高處側(cè)面體型系數(shù)數(shù)值(絕對(duì)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(yīng)及峽谷效應(yīng)。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(shí),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(shí),在小尺寸模型工況的尾流中易形成較強(qiáng)