孫學(xué)儒,孫 勇,吳文杰,段 峰,宋鵬超
山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院,山東 泰安271018
近年來由于全球極端氣候現(xiàn)象不斷增加,大風(fēng)天氣往往會對大型建筑結(jié)構(gòu)帶來較為嚴(yán)重的威脅,以至于大型建筑的風(fēng)載荷及抗風(fēng)研究一直備受關(guān)注,特別對于設(shè)計階段的分析校核上,如何快速評估建筑風(fēng)載荷是否滿足設(shè)計規(guī)范的研究顯得十分重要。對于這些問題,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究,KIM[1]、王振華[2]等人采用基于雷諾時均方程的標(biāo)準(zhǔn)k-ε、RNGk-ε、Realizablek-ε和雷諾應(yīng)力模型四種湍流模型對大跨屋蓋表面平均風(fēng)壓分布進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)果表明四種湍流模型的模擬結(jié)果之間差異較小;何連華[3]等人通過風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬,對成都來福士廣場建筑群分別進(jìn)行了表面風(fēng)壓測試試驗及行人高度風(fēng)環(huán)境的模擬研究,為主體結(jié)構(gòu)設(shè)計和幕墻設(shè)計提供依據(jù),并結(jié)合研究成果提出了改善建議;何星星[4]等人基于CFD 數(shù)值模擬方法,利用RNGk-ε湍流模型對階梯型大跨屋蓋風(fēng)荷載進(jìn)行了研究,并與風(fēng)洞試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析,得出階梯型大跨屋蓋結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓分布及變化規(guī)律,為同類復(fù)雜體型的大跨結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究提供依據(jù)。
建筑外形是決定氣動荷載的關(guān)鍵因素,通過合理改變建筑外形,對建筑外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,可以顯著改變作用于建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載。余遠(yuǎn)林[5]、謝壯寧[6]等人對不同錐度的楔形建筑模型進(jìn)行風(fēng)效應(yīng)研究,表明適當(dāng)錐度的體形可以有效消減作用于結(jié)構(gòu)上的橫風(fēng)向氣動荷載;鄧挺[7]等人通過試驗表明,對楔形建筑的中間層角區(qū)進(jìn)行敞開處理(局部氣動措施)后,建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)致荷載的消減效果明顯。雖然CFD 方法具有分析周期短,成本低且可以獲得極為豐富的流動細(xì)節(jié)等顯著優(yōu)點,但是相教于模型風(fēng)洞試驗可以獲得較為穩(wěn)定的試驗結(jié)果不同,CFD 方法計算結(jié)果受使用不同軟件、不同湍流模型及不同網(wǎng)格等因素影響較為劇烈;因此使用CFD 方法分析實際問題需要很多的實際計算經(jīng)驗和必要的計算驗證;在實際工作中一般選擇已有試驗結(jié)果作為CFD 驗證的數(shù)值基準(zhǔn),通過比較CFD 計算結(jié)果同試驗的差距來判定數(shù)值計算方法是否可靠及適用。對于超大型建筑,風(fēng)洞試驗往往只能在模型尺度下完成,而直接將模型試驗的結(jié)果應(yīng)用在實際尺度上是否恰當(dāng)有待商榷,而CFD 方法可以在滿足計算機計算能力的基礎(chǔ)上分析不同模型尺度的計算結(jié)果。
本文的研究對象為泰山文化藝術(shù)中心,主體建筑高31 m,屋頂最高點40.9 m,總占地38558 m2,屋頂結(jié)構(gòu)可以分為A 區(qū)、B 區(qū)屋頂和C 區(qū)頂棚,如圖1。風(fēng)洞試驗在中國建筑科學(xué)研究院風(fēng)洞實驗室完成,該風(fēng)洞為直流下吹式風(fēng)洞,全長96.5 m,包含兩個試驗段。試驗在高速試驗段進(jìn)行,試驗段尺寸為4 m 寬、3 m 高、22 m 長,風(fēng)速在2 m/s 到30 m/s 連續(xù)可調(diào)。風(fēng)洞外觀如圖1;根據(jù)風(fēng)洞阻塞度要求、轉(zhuǎn)盤尺寸及原型尺寸,試驗?zāi)P涂s尺比確定為1:150,試驗在B 類地貌下進(jìn)行,取風(fēng)剖面指數(shù)α=0.16;參考高度取350 m,試驗風(fēng)速為16 m/s。在風(fēng)洞中采用尖劈配合粗糙元的方法模擬得到的風(fēng)速剖面。模型根據(jù)建筑圖紙準(zhǔn)確模擬了建筑外形,以反映建筑外形對表面風(fēng)壓分布的影響。
圖1 風(fēng)洞試驗?zāi)P虵ig.1 Model of wind tunnel test
圖2 CFD 分析模型Fig.2 Model of CFD analysis
為了準(zhǔn)確模擬實際模型試驗場景,CFD 驗證分析所采用的幾何模型同試驗?zāi)P统叨认嗤缀蜗嗨?,具體模型如圖2。入口邊界條件同試驗保持一致,CFD 模型的邊界條件設(shè)置見表1;計算域?qū)挾群透叨韧L(fēng)洞試驗尺寸相同,長度為模型前方2H 為速度入口,模型后方5H 為壓力出口(H 為建筑高度)。
入口速度分布采用了一般速度入口邊界條件,平均風(fēng)速剖面和湍流風(fēng)剖面通過編寫場函數(shù)定義,風(fēng)洞試驗及CFD 分析入口平均風(fēng)剖面分布如圖3(a);CFD 分析一般入口湍動強度分布如圖3(b)。
圖3 平均風(fēng)速及湍流度剖面Fig.3 Profiles of mean wind velocity and turbulivity
表1 邊界名稱及邊界條件Table 1 Boundary names and conditions
CFD 計算中空間離散如圖4,為了精確模擬幾何周圍流場,對模型周圍及尾流5 度范圍加密。
計算選擇瞬態(tài)的SST(Menter)k-ω湍流模型[9],建筑壁面選擇生成6 層邊界層,以使棱柱層網(wǎng)格同六面體網(wǎng)格之間過度均勻,通過調(diào)整邊界層內(nèi)層厚度,控制建筑壁面邊界層處Y+值處于80~300范圍[10]。計算域空間離散網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到了350 萬。
圖4 CFD 分析網(wǎng)格及網(wǎng)格加密方式Fig.4 CFD analysis grid and encryption
圖5 風(fēng)向角定義Fig.5 Definition of wind direction angle
風(fēng)向角的定義如圖5 所示;風(fēng)洞試驗一共完成了36 個風(fēng)向角(每隔10 度)的試驗測試;CFD分析為了驗證數(shù)值計算方法的可靠性,對不同風(fēng)向角工況進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬。為了驗證CFD 計算所得建筑表面平均壓力系數(shù)結(jié)果是否準(zhǔn)確,在建筑表面上選取了6 個關(guān)鍵點,通過將試驗結(jié)果同CFD 計算結(jié)果所得6 個關(guān)鍵點的平均壓力值進(jìn)行比較,驗證CFD 方法的計算精度,為后文分析尺度效應(yīng)尋找一個合適的數(shù)值計算方法。這6 個觀測點的具體位置如圖6,建筑外表面左右對稱,監(jiān)測點均分布在東部建筑表面,其中P1~P3 分布在建筑C 區(qū)頂棚上,P1 為頂棚的最北位置,P2 為頂棚最高位置,P3 為頂棚的最南位置;P4 為B 區(qū)屋頂上表面最南位置;P5 為A 區(qū)屋頂上表面最南位置,P6 為幕墻中間高度位置(曲面曲率最大位置)。
圖6 平均壓力系數(shù)觀測點分布Fig.6 Observation point distribution of mean pressure coefficients
圖7 建筑表面的壓力分布云圖(90 度風(fēng)向角)Fig.7 Pressure distribution cloud picture on the surface of the building(Wind direction angle at 90°)
圖7 是90 度建筑表面的壓力分布圖;上部分EFD 表示風(fēng)洞試驗結(jié)果,下部分為CFD 計算結(jié)果。圖8 是0 度級及180 度風(fēng)向角建筑表面的壓力分布圖;其中左邊為風(fēng)洞試驗結(jié)果,右邊為CFD 計算結(jié)果;如果僅分析壓力分布圖,有以下結(jié)論:1)在四個不同的風(fēng)向角下,風(fēng)洞試驗結(jié)果及CFD 分析結(jié)果建筑表面壓力分布趨勢比較接近;2)四個不同風(fēng)向角下,風(fēng)洞試驗及CFD 分析結(jié)果的平均壓力系數(shù)極值大小比較接近,圖9(a)中壓力最大值出現(xiàn)在正北方,大小接近0.8,模型試驗及CFD計算吻合良好;3)一些表面壓力變化劇烈位置模型試驗同CFD 計算結(jié)果壓力大小及分布存在一定偏差,如圖8 西測A 區(qū)屋頂,CFD 計算結(jié)果同模型試驗結(jié)果存在一定偏差。在本文中,平均壓力系數(shù)Cp的定義見式:
圖8 建筑表面的壓力分布云圖Fig.8 Pressure distribution cloud picture on the surface of the building
圖9 監(jiān)控點平均壓力同風(fēng)向角的函數(shù)曲線Fig.9 Function curve of average pressure and wind direction angle at the monitoring point
監(jiān)控點平均壓力系數(shù)隨不同風(fēng)向角的變化曲線如圖9 所示。其中的P1~P3 點屬于頂棚上的三點,實際風(fēng)洞試驗及CFD 計算結(jié)果均比較穩(wěn)定且兩者吻合良好;而P4~P5 點由于屬于下層屋頂,流場受到建筑本身干擾較大,且測量監(jiān)控點位于屋頂邊緣位置,這樣給測量及計算帶來了不穩(wěn)定性,導(dǎo)致測量及CFD 分析結(jié)果極值存在較大偏差,P4 點在240 度風(fēng)向角平均壓力系數(shù)誤差值達(dá)到0.8,P5 點在180 度風(fēng)向角平均壓力系數(shù)誤差值達(dá)到0.7;P6 點位于流動分離位置,受到風(fēng)向角的影響較為劇烈,同時P6 點處于流動分離位置,存在較大的速度梯度,這樣也容易導(dǎo)致測量及CFD 計算誤差。
但是從圖8 及圖9 中可以看出,雖然建筑表面的某些位置CFD 計算的壓力系數(shù)同試驗結(jié)果的壓力系數(shù)在數(shù)值上存在一定的差異,但是從分布趨勢看,總體吻合良好。
總結(jié)以上分析,認(rèn)為本文所采用的數(shù)值計算方法是較準(zhǔn)確的,可以用于后續(xù)分析。
本部分采用前文通過驗證的數(shù)值計算方法,完成對大型楔形建筑風(fēng)載荷尺度效應(yīng)的研究。計算模型同前文采用的數(shù)值模型主尺度相同,但是考慮到不必要的建筑細(xì)節(jié)會導(dǎo)致計算網(wǎng)格的激增且還會帶來不必要的流場擾動,因此對前文計算模型進(jìn)行了一定簡化;如圖10 所示,風(fēng)向角的定義同前文相同,由于本部分僅分析尺度效應(yīng)作用,故除去了風(fēng)向角的影響,僅分析了風(fēng)向角為零的情況,并且在計算過程中,由于建筑和邊界條件左右對稱(從零度風(fēng)向角方向上看),故CFD 分析僅計算半個模型,中間采用對稱面邊界條件處理。
計算采用的縮尺比及具體網(wǎng)格數(shù)量見表2;本部分一共分析了6 個不同的縮尺比。
表2 尺度效應(yīng)分析模型編號及網(wǎng)格數(shù)量Table 2 Scale effect analysis model number and grid number
圖10 尺度效應(yīng)分析計算模型Fig.10 Scale-effect analysis and calculation model
圖11 不同縮尺比建筑表面壓力分布Fig.11 Surface pressure distribution at different scale ratios
圖12 不同縮尺比建筑表面壓力分布Fig.12 Surface pressure distribution at different scale ratios
圖11 表示縮尺比分別為150 及3 時正東方向視圖建筑表面壓力分布,圖12 為分析的六個不同縮尺比情況下屋頂表面平均壓力分布。比較圖11 及圖12 中不同縮尺比情況,分析發(fā)現(xiàn)建筑表面平均壓力分布及大小均十分相似;初步結(jié)論認(rèn)為建筑表面的平均壓力系數(shù)受尺度效應(yīng)的影響比較微弱。
圖13 表示建筑中剖面(從來流方向上看)流場來流方向的速度分布,圖14 為建筑后方x/L=1.1平面(平面與遠(yuǎn)場來流速度方向垂直)速度分布云圖。圖13 中,觀察速度小于3 m/s 的流場分布區(qū)域,發(fā)現(xiàn)縮尺比為150 時速度小于3 m/s 的區(qū)域從建筑尾部一直延伸到x/L=1.4 位置;縮尺比為6 時速度小于3 m/s 的區(qū)域從建筑尾部延伸到x/L=1.3 位置,而縮尺比為3 時速度小于3 m/s 的區(qū)域從建筑尾部延伸到x/L=1.2 位置。從建筑對尾部流場的尾流范圍的影響上看,尺度效應(yīng)十分明顯。圖14同樣佐證了這一點,在圖14 中,尾流速度分布范圍存在較大區(qū)別,同時,尾流速度在相同位置大小也存在較大區(qū)別,圖14 中紅色箭頭標(biāo)記位置,在縮尺比為150 時,流速最小值為-2 m/s 左右,縮尺比為6 時,流速最小值為-2.6 m/s 左右,縮尺比為3 時,流速最小值為-4 m/s 左右??梢?,尺度效應(yīng)對建筑尾部流場的流場分布及流場流速大小分布均具有較大作用。
圖13 建筑尾流分布(縱中剖面)Fig.13 Building wake distribution(longitudinal section)
圖14 建筑尾流分布(橫剖面)Fig.14 Building wake distribution(transverse section)
(1)CFD 數(shù)值分析方法作為當(dāng)前流行的設(shè)計及分析工具,越來越受到科技工作者的重視。其優(yōu)勢眾多,如低設(shè)計成本、較高分析精度,并且可以提供完整的流場分布結(jié)果。如本文風(fēng)洞試驗一般盡可測量某些固定點位置的瞬時壓力,但是測量點的數(shù)量受到傳感器數(shù)量的限制,并且風(fēng)洞試驗較難得到流場完整的速度分布結(jié)果,而采用CFD 分析方法可以較精確的獲取整個流場的壓力及速度分布結(jié)果;并且目前常規(guī)電腦工作站的計算性能已經(jīng)能夠處理上千萬的CFD 計算網(wǎng)格,這對CFD 在結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的應(yīng)用奠定了硬件基礎(chǔ)。本文的第一部分驗證了CFD 計算方法的準(zhǔn)確性,通過本文使用的CFD 分析方法可以較精確的求解建筑表面壓力分布。
(2)通過本文CFD 分析發(fā)現(xiàn),尺度效應(yīng)對建筑物表面的壓力系數(shù)的影響有限,如果僅考慮建筑表面壓力分布,尺度效應(yīng)或者雷諾數(shù)的影響可以忽略,即對于大型建筑,僅僅分析較小的模型尺度也具有較高的分析精度。但是,如果需要考慮建筑尾流壓力及速度分布,尺度效應(yīng)或者雷諾數(shù)則對建筑尾流速度和壓力分布影響較大。本文僅分析單體建筑,如果考慮群體建筑,或者分析建筑之間相互影響,則需要重點考慮尺度效應(yīng)或者雷洛數(shù)的具體影響。