李正農(nóng),耿　燕

(湖南大學建筑安全與節(jié)能教育部重點實驗室， 湖南長沙410082)

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建筑物對屋頂風場的影響

李正農(nóng),耿燕

(湖南大學建筑安全與節(jié)能教育部重點實驗室， 湖南長沙410082)

目前，高層建筑臺風風場實測的主要方法是在其頂部上架設(shè)風速儀獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，但高層建筑物頂部的風場將受到其本身的影響，而且其影響程度會隨著風速儀架設(shè)的位置和來流方向的不同而發(fā)生變化。通過數(shù)值模擬和風洞試驗?zāi)M實測時的邊界層風場，分析高層建筑對周邊風場的影響，對比風向角變化時建筑物頂面風場在兩種方式的吻合情況。研究得出建筑物頂面的風速隨高度增加影響逐漸減小，確定了高層建筑風場實測時風速儀架設(shè)的高度和最佳位置。通過譜合成法生成入口條件，進行大渦模擬并研究了高層建筑對于本身風場的影響及與未受干擾的來流風場之間差別，為相似建筑的現(xiàn)場實測提供參考。

高層建筑;風場;風洞試驗;數(shù)值模擬

0　引　言

在我國東南沿海區(qū)域，強臺風登陸常常造成人員傷亡和很大的財產(chǎn)經(jīng)濟損失。但是，關(guān)于沿海區(qū)域不同的地貌類型、測點高度上的大氣邊界層風場特征的實測數(shù)據(jù)資料還不太完善，特別是強臺風特征的實測還有些缺少。近年來，隨著結(jié)構(gòu)風工程研究的深化，大氣邊界層的風場特性的實測研究也受到更多的重視[1-3]。目前，對于臺風風場現(xiàn)場實測比較理想的方法是在建筑物附近設(shè)立獨立桅桿，再通過桅桿上安裝的相應(yīng)風速、風向測量儀器獲得建筑物附近的來流風場信息[2]。然而，要在建筑前面建立與建筑物有相當高度的獨立桅桿顯然難以實現(xiàn)。目前高層建筑風場實測，主要通過在高層建筑物頂部上架設(shè)的風速儀采集，雖然其實測的風場數(shù)據(jù)基本上沒有受到周圍環(huán)境的影響，但不可否認的是其測得的風場數(shù)據(jù)將受到其建筑物本身的干擾，而風速儀在建筑頂面架設(shè)的位置和高度及來流方向的不同會對風場數(shù)據(jù)的準確采集產(chǎn)生一定程度的影響。

實測表明，高層建筑附近的邊界層風場為非定常的，建筑本身的阻流作用增加了來流的脈動效應(yīng)，大尺度脈動特征與鈍體結(jié)構(gòu)的建筑外形有關(guān)，比如流體在建筑物邊緣的分離、附著、停滯以及漩渦等。常用的數(shù)值模擬方法[4-6]是模擬定常的大氣邊界層，分析建筑的平均風速風壓特性，無法確定脈動風速和脈動風壓特性；風洞實驗和現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù)[5-9]說明，建筑物周圍的脈動風壓的極值可能是平均風壓值的幾倍。因此，采用大渦模擬(LES)研究繞流風場的脈動信息對于建筑物抗風有重要意義。在建筑物流場非定常模擬中，常用的脈動入口的合成方法分別為預(yù)前模擬法[10]、旋渦法和譜合成法[11-13]。

本文通過使用擋板、粗糙元和格柵的設(shè)置,在HD-3風洞實驗室中模擬大氣邊界層風場的平均風速度剖面、湍流強度剖面和脈動風特征，并通過計算流體力學(CFD)數(shù)值模擬方法進行穩(wěn)態(tài)流場和非穩(wěn)態(tài)流場下的大氣邊界層風場特性分析。研究了建筑物頂面的風速隨測點高度變化規(guī)律，確定了高層建筑風場實測時風速儀架設(shè)的最小高度和最佳位置，并分析了高層建筑屋頂架設(shè)的風速儀采集的風場信息與未受干擾的來流之間差異,為相似建筑的現(xiàn)場實測提供參考。本課題組開展了某高層建筑的臺風風場和風致響應(yīng)的研究，故本次將以某高層建筑來進行風洞試驗和數(shù)值模擬[1]的研究工作。

圖1　平均風速剖面和湍流強度Fig.1　Vertical value of wind speed and turbulence intensity

1　風洞試驗

1.1試驗設(shè)備及試驗?zāi)Ｐ?/p>

風洞實驗是在湖南大學的HD-3大氣邊界層風洞實驗室操作，風洞試驗段的長度為12 m、寬度為3.5 m，高度為2.5 m，試驗段的平均風速0～20 m/s 連續(xù)可調(diào)?？紤]到建筑的尺寸和風洞試驗段尺寸，試驗以某高層建筑為中心進行，其尺寸為30.4 m×61.28 m×146.7 m，模型幾何縮尺比為1∶200,截面尺寸為310 mm×154 mm×750 mm。分析高層建筑所處的位置，屬于A類地貌,取α=0.12。選用劈尖、粗糙元的設(shè)模擬高層建筑所處的大氣邊界層，測得平均風速剖面和湍流強度如圖1。

選用指數(shù)律形式的表達式描述平均風速剖面為：

(1)

依據(jù)我國現(xiàn)行建筑荷載規(guī)范，湍流強度隨高度的分布規(guī)律采用式(2)和式(3)計算：

(2)

(3)

式中，Iu(z)為z高度處的湍流度；I10為距離地面10 m高度的名義湍流度，此時A類地面粗糙度指數(shù)選用 0.12；z為離地高度；α為地面粗糙度指數(shù)，同式(1)。

1.2試驗工況定義

現(xiàn)場實測時風速儀架設(shè)在建筑頂面東面位置A處，如圖2所示。實驗時用眼鏡蛇測量模型位置A處實際距建筑頂面4、8、14和20 m高度處的風速值。采用順時針方向增量定義風向角，每15°采集一次相應(yīng)數(shù)值，總共進行了風向角為0°～180°的風洞試驗(圖3)。

圖2風洞試驗的風向角

Fig.2Wind direction angles in the wind tunnel test

圖3風洞試驗?zāi)Ｐ?/p>

Fig.3Wind tunnel test model

2　數(shù)值模型

2.1控制方程

模擬建筑物周圍流場時，可將選用不可壓縮的粘性牛頓流體，鈍體繞流的控制方程為粘性不可壓連續(xù)方程和Navier-Stokes方程，RANS方法的連續(xù)性方程和動量方程為:

(4)

(5)

式中：ui為流體微元體速度場在i方向的分量值；ρ為流體密度；p為風壓；Si為ui的源項。

而對于非定常風場，需要采用大渦模擬(LES)。大渦模擬是通過直接模擬大尺度脈動的湍流情況，對于受流動邊界的影響較小的小尺度脈動湍流情況，采用亞格子模型描述其動量和能量傳遞對大尺度湍流脈動的作用。相對于RANS方法，LES模擬中沒有對時間取平均，因此能夠真實描述隨時間變化的瞬時流場的詳細特征。

2.2計算模型及網(wǎng)格劃分

某高層建筑尺寸為30.4 m×61.28 m×146.7 m，采用足尺建模，計算流域為1 070 m(長) ×600 m(寬) ×450 m(高)，模型放于入口50 m處，數(shù)值模擬時流場滿足阻塞率小于3%。

劃分網(wǎng)格時，為達到高效且不影響計算精確性要求，決定采用混合離散網(wǎng)格劃分方式。計算域總體選用六面體網(wǎng)格，建筑物周圍的小片區(qū)域選用四面體網(wǎng)格，在離建筑物較遠的邊緣區(qū)域選用較為稀疏的網(wǎng)格，減小網(wǎng)格數(shù)量。由于流體易在建筑物細部形狀的拐角區(qū)處產(chǎn)生分離，對計算結(jié)果影響較大，為了正確模擬拐角部位分離特性，在建筑物表面采用10層正交網(wǎng)格從而準確的描述建筑物的復(fù)雜邊界。不同風向角下劃分的網(wǎng)格的最小尺寸是0.1 m，網(wǎng)格數(shù)量總數(shù)約為200萬左右。0°風向?qū)?yīng)的計算域網(wǎng)格分塊見圖4和圖5。

圖4外部流場網(wǎng)格

Fig.4Grid distributions of wind field

圖5建筑附近網(wǎng)格

Fig.5Grid distributions near the building surfaces

2.3邊界條件的設(shè)定

首先分析高層建筑在定常邊界條件下的風場特性，選用雷諾平均數(shù)值模擬方法(RANS)進行數(shù)值模擬。

(6)

②出口條件：選取充分發(fā)展出流邊界條件。

③流域頂部及兩側(cè)：選用自由滑移的壁面。

④建筑物表面和地面：選用無滑移的壁面條件。

非定常數(shù)值模擬入口采用譜合成(Spectral Synthesizer)法，在考慮脈動風場的功率譜、相關(guān)性、風剖面等參數(shù)的前提下，生成滿足目標風場湍流特性的隨機序列數(shù)，準確的模擬大渦模擬入口處的脈動信息。風速譜合成法[14]是先對目標譜做傅里葉變換(FFT)后求和來模擬點的脈動風速。脈動風速的公式：

(7)

入口風速時程的平均風速剖面采用指數(shù)分布風剖面公式，與定常數(shù)值模擬的參數(shù)一致。將平均風速條件和脈動風速相加即為非定常風速入口。

u(y,t)=U(y)+u′(y,t)，

(8)

其中:u為風速,U是平均風速,u′為脈動風速。

采用大渦模擬A類風場，在計算域進口處沿高度方向設(shè)置監(jiān)控點，平均風速度剖面和湍流強度剖面見圖6。

圖6　入口風速、湍流強度剖面

圖7　大渦模擬的風速功率譜Fig.7　Spectrum generated by LES

大渦模擬的風速譜及Von Karman譜見圖7，可知大渦模擬的風速譜和Von Karman譜基本吻合，即入口邊界處的湍流脈動特性能夠真實地模擬大氣邊界層的脈動特性。

在大渦模擬中，亞格子模型選用Smagorinsky-Lilly模型，近壁面的繞流特征選擇非平衡壁面函數(shù)模擬。選用3D單精度、分離式求解器, 氣體模型采用不可壓縮的常密度空氣,選擇二階迎風格式模擬對流項的離散, 選擇SIMPLEC 算法求解速度和壓力場。初場計算選取RANS湍流模型的定常計算結(jié)果，并且進行瞬態(tài)化處理，選取的非定常的計算時間步長為0.005 s，全部控制方程的相對迭代殘差值都小于1×10-4, 并且建筑物表面的壓力系數(shù)不再發(fā)生改變時,可認定為流場達到了穩(wěn)態(tài)，迭代計算完成。

3　數(shù)值模擬結(jié)果及其同風洞試驗結(jié)果的比較與分析

3.1數(shù)值模擬獲得的建筑物頂面流速及流線

圖8為0°和90°時的流線圖的風速儀所在的ZX平面的風速矢量圖，由圖8發(fā)現(xiàn)，流線在建筑頂部和兩側(cè)都出現(xiàn)了明顯的分離繞流現(xiàn)象，由于繞流，建筑頂面都出現(xiàn)的局部風速較來流增大的情況。同時可以看出由于繞流，在距離建筑頂面較低的位置風速明顯會下降，即在距離建筑頂面較低區(qū)域處于繞流的下部，風速會較來流明顯減小。

(a) 0°風向角

(b) 90°風向角

圖8風速矢量圖

Fig.8Figure of streamline and velocity contour

圖9　各風向角下測點不同高度的風速值Fig.9　Measuring point velocity value at vary wind angle

由圖9可以發(fā)現(xiàn)，當風速儀位于來流方向離建筑邊緣較近的部位時，如風向角為60°、90°、120°時，數(shù)值模擬下的風速值接近理論值，繞流的影響較??；當風速儀位于來流方向離建筑邊緣較遠的部位時，如風向角為0°、180°時，風速隨高度變化較大，繞流的影響較大，此時風速儀應(yīng)架設(shè)在較高部位。

3.2數(shù)值模擬結(jié)果與風洞試驗結(jié)果的對比

風洞試驗將風場調(diào)試好后先測量出有模型時其位置A處實際為4、8、14和20 m高度處的風速。然后測量位置A處相應(yīng)高度無模型，即未受建筑影響的來流相應(yīng)高度風速，下文中的高度為風速儀實際距離建筑頂面的高度。選取了離建筑物頂面14 m和20 m處的不同風向角下風洞試驗和數(shù)值模擬的風速值分析，從圖10和圖11中得知隨著風向角的增大，數(shù)值模擬下的風速有先減小后逐漸增大的趨勢，而且與風洞試驗隨風向角的變化一致；并隨著高度增加兩種情況下風速差值減小，可以認為數(shù)值模擬和風洞試驗吻合較好，都能反應(yīng)來流受建筑本身影響后屋頂風場的擾動情況。

由圖11可以看出，在離建筑物頂面20 m高度處，當風速儀位于來流方向離建筑邊緣較遠的部位時，如風向角為60°、90°、120°時，數(shù)值模擬和風洞試驗的風速值都與無模型工況的風速值接近，繞流的影響較?。划旓L速儀位于來流方向離建筑邊緣較遠的部位時，如風向角為0°、180°時，風速隨高度變化較大，繞流的影響較大，開展實測研究時風速儀應(yīng)架設(shè)在較高部位。

圖10屋頂14 m處風洞試驗和數(shù)值模擬的風速

Fig.10The velocity of wind tunnel test and numerical simulation at 14 m

圖11屋頂20 m處風洞試驗和數(shù)值模擬的風速

Fig.11The velocity of wind tunnel test and numerical simulation at 20 m

3.3建筑物自身影響

為了方便風洞試驗和數(shù)值模擬對比，采用受建筑模型影響后相應(yīng)高度風速與來流相應(yīng)高度處風速增大系數(shù)C表示，具體計算公式如下；

(9)

圖12　風洞試驗的C值Fig.12　C value of wind tunnel test

其中v為受建筑模型影響時相應(yīng)高度的風速，v0為無模型時的相應(yīng)高度的風速即未受建筑影響的來流風速。由圖12可知，在4 m到20 m這段范圍內(nèi)，其增大系數(shù)C都出現(xiàn)了先增大后減小的情況，這可能是來流受建筑影響出現(xiàn)繞流引起的。值得注意的是風洞試驗系數(shù)C在高度較低時出現(xiàn)了負值，說明屋頂風場在離建筑物頂面附近處風速出現(xiàn)了比來流小的情況。任何角度下，隨著距離建筑頂面的距離的增大，位置A處的風速將會逐漸與來流風速接近，即隨著距離的增大，建筑對來流的影響會下降。

系數(shù)C的數(shù)值上看，在60°到120°風向角范圍內(nèi)，系數(shù)C的絕對值都不會大于5%，說明在這種風向角范圍內(nèi)，該位置處建筑頂面風速與來流不會產(chǎn)生較大的差異；而在0°和180°時，風速儀距離來流方向建筑邊緣較遠，系數(shù)C的絕對值基本在10%以上，即使在距離建筑頂面20 m時，系數(shù)C也在10%左右，所以在架設(shè)風速儀時應(yīng)注意來流風向，減少測量過程中建筑物的阻擾對來流風速的影響。

3.4大渦模擬分析屋頂風場

在建筑頂部實測點A處沿高度方向布置40個測點，共監(jiān)測建筑頂面至40 m高度的風速時程。對比圖13和圖14可知，由于建筑物自身的干擾作用，距離建筑頂部高度較近處平均風速較??；隨高度逐漸增加測點的平均風速值先變大后減小。當距建筑頂面的高度大于30 m時，建筑物自身對來流的平均風速值的影響較小。風向角為0°和180°時，由于建筑局部外形影響，距離建筑頂部高度較近處風速變化較大，隨著高度增加風速變化逐漸減?。欢ǔＤM結(jié)果和大渦模擬的平均風速計算結(jié)果一致。

圖13定常模擬A點平均風速

Fig.13Mean wind velocity of steady state simulation at pointA

圖14大渦模擬A點平均風速

Fig.14Mean wind velocity by LES at pointA

圖15　建筑頂部A點湍流強度Fig.15　Turbulence intensity at point A

由圖15可看出，距離建筑頂部高度較近處湍流強度較大；隨高度增加，湍流強度逐漸減小。風向角為0°和180°時，由于建筑局部高度的影響，距離建筑頂部高度較近處湍流強度較大，隨高度增加，湍流強度逐漸減小。

4　結(jié)　語

本文通過數(shù)值模擬和風洞試驗來找到高層建筑風場實測時風速儀架設(shè)的最佳位置和高度，并期待為相似建筑的現(xiàn)場實測提供參考，主要得出了以下結(jié)論：

①數(shù)值模擬和風洞試驗的結(jié)果能夠較好的吻合，說明數(shù)值模擬和風洞試驗都能用于研究建筑屋頂部風場受其本身影響。

②當風速儀安裝位置位于來流方向建筑邊緣處時，只要將風速儀安裝在距離建筑頂面14 m以上，就能獲得與來流相同高度較為接近的風速。

③當風速儀安裝位置距離來流風向建筑邊緣較遠時，受建筑物自身影響，測得的風速與來流風速有較大的差異。應(yīng)考慮來流風向角的影響，在風向角為60°到120°范圍內(nèi)，可以降低建筑物自身對來流的作用，減少對屋頂風場的影響。

④由于建筑物頂部測點高度增大，頂部風場的平均風速值先變大后減小；而湍流強度在建筑物頂部附近較大，隨高度增加逐漸減小，建筑物對風場的影響逐漸減弱。

[1]李正農(nóng), 羅疊峰, 史文海,等.臺風“鲇魚”作用下廈門沿海某超高層建筑風壓特性的風洞試驗與現(xiàn)場實測對比研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學報, 2012, 33(1):10-17.

[2]羅疊峰,李正農(nóng),回憶.海邊三棟相鄰高層建筑頂部臺風風場實測分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學報, 2014,35(12):133-139.

[3]申建紅,李春祥.強風作用下超高層建筑風場特性的實測研究[J]. 振動與沖擊, 2010, 29(5):62-68.

[4]李正農(nóng),王尚雨.某體育館屋蓋結(jié)構(gòu)風致響應(yīng)及風振系數(shù)研究[J]. 廣西大學學報(自然科學版), 2016,41(1):29-35.

[5]HE WK, YUAN W B. Numerical simulation of wind field characteristics around two adjacent high-rise buildings[C]//Proceedings of the 3rd Conference on Computational Mechannics (CCM 2014). Beijing: Engineering Information Institute、 Open Access Library、 Scientific Research Publishing,2014.

[6]GUIRGUIS N M, HASSAN M A, SHAALAN M R, et al.Construction and testing of a wind tunnel for in-door investigation of environmental effects on buildings[J]. Renewable Energy, 1996, 8(1-4):186-189.

[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(shù)值模擬[J]. 土木建筑與環(huán)境工程, 2009, 31(6):40-46.

[8]張冬兵,梁樞果,陳寅,等.高層建筑風場的數(shù)值模擬和風洞試驗結(jié)果比較[J]. 武漢理工大學學報, 2011,33(4):104-108.

[9]顧明,趙雅麗,黃強,等.低層房屋屋面平均風壓的風洞試驗和數(shù)值模擬[J]. 空氣動力學學報, 2010, 28(1):82-87.

[10]楊偉,顧明.高層建筑三維定常風場數(shù)值模擬[J]. 同濟大學學報(自然科學版), 2003, 31(6):647-651.

[11]HUANG S H, LI Q S, WU J R.A general inflow turbulence generator for large eddy simulation[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 2010, 10(10-11):600-617.

[12]盧春玲,李秋勝,黃生洪,等.大跨度復(fù)雜屋蓋結(jié)構(gòu)風荷載的大渦模擬[J]. 土木工程學報,2011(1):1-10.

[13]朱偉亮.基于大渦模擬的CFD入口條件及脈動風壓模擬研究[D]. 北京:北京交通大學, 2011.

[14]沈煉,韓艷,蔡春聲,等.基于諧波合成法的大渦模擬脈動風場生成方法研究[J]. 湖南大學學報(自然科學版),2015,42(11):64-71.

(責任編輯唐漢民梁碧芬)

Influence of building roof on its wind field

LI Zheng-nong, GENG Yan

(Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency of the China Ministry of Education， Hunan University，Changsha 410082, China)

Currently, typhoon fields of high-rise buildings are mainly measured by the anemometers erected on the roofs of the buildings. However, the wind field on the roof of high-rise building is affected by the building itself, and the influence changes when the location of anemometer or the direction of incoming flow are different. Numerical simulation and wind tunnel test are used to simulate the wind filed of atmospheric boundary layer in site and to analyze nearby wind field influenced by the building itself, and the agreement of the wind fields on the building’s roof obtained by the two means hereinbefore are also analyzed. It is concluded that the effect of wind speed on the roof of high-rise buildings is gradually decreased with the height. The height and best location of the anemometer are confirmed. By the means of spectrum synthesis method which aims at creating an entrance condition, large eddy simulation (LES) is carried out to explore the effect of high-rise building on its own wind field and compare the differences with and without incoming wind flow, which acts as a reference for similar buildings in the aspect of field measurement.

high-rise buildings; wind field; wind tunnel test; numerical simulation

2016-04-20；

2016-05-25

國家自然科學基金資助項目(91215302,51478179)

李正農(nóng)(1962—),男，湖北武漢人，湖南大學教授，博士生導(dǎo)師;E-mail：zhn88@263.net。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0930

TU317

A

1001-7445(2016)04-0930-09

引文格式：李正農(nóng),耿燕.建筑物對屋頂風場的影響[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(4)：930-938.