楊 華, 楊俊偉, 朱衛(wèi)軍, 李迺璐, 馮科儒

(1. 揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225147; 2. 揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州225128)

龍卷風(fēng)、臺(tái)風(fēng)等極端天氣對(duì)建筑物造成極大的破壞,對(duì)低矮房屋而言,破壞主要是氣流分離形成負(fù)壓區(qū),房屋承受的外壓突變導(dǎo)致．對(duì)此,國(guó)內(nèi)外研究人員圍繞低矮房屋風(fēng)荷載開(kāi)展了大量數(shù)值仿真、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及風(fēng)洞試驗(yàn)研究．殷惠君等[1]利用多種湍流模型對(duì)德州理工大學(xué)(Taxas Tech university, TTU)實(shí)驗(yàn)屋標(biāo)準(zhǔn)模型的定常風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬; Huang等[2]對(duì)低矮建筑屋面坡度及長(zhǎng)寬比例對(duì)風(fēng)壓的影響進(jìn)行了研究;周晅毅等[3]采用精細(xì)劃分網(wǎng)格的縮尺模型對(duì)建筑表面風(fēng)壓進(jìn)行了大渦模擬和風(fēng)洞試驗(yàn); 王強(qiáng)等[4]針對(duì)日本建筑協(xié)會(huì)的建筑模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,驗(yàn)證了不同湍流模型的精確性; Ricci[5]和Razavi[6]等對(duì)極端風(fēng)況下低層建筑的風(fēng)荷載進(jìn)行了數(shù)值模擬分析．以上數(shù)值仿真研究可在低成本條件下對(duì)復(fù)雜建筑進(jìn)行風(fēng)環(huán)境評(píng)估和預(yù)測(cè),但是低矮建筑物繞流是典型的鈍體繞流,存在嚴(yán)重的脫流區(qū)域,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)低矮建筑物風(fēng)壓分布的難度較大．現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是在實(shí)際的低矮建筑周邊布置測(cè)點(diǎn),利用測(cè)風(fēng)設(shè)備對(duì)實(shí)際風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,其中具有代表性的有TTU標(biāo)準(zhǔn)模型[7]、艾爾斯伯里實(shí)驗(yàn)房等,但由于試驗(yàn)地區(qū)的風(fēng)場(chǎng)特性不同,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)成果也難以廣泛應(yīng)用到工程實(shí)際中．風(fēng)洞試驗(yàn)是將分析模型按比例縮小放置在風(fēng)洞中進(jìn)行測(cè)壓試驗(yàn),利用風(fēng)洞中模擬的流場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)獲得風(fēng)荷載數(shù)據(jù)[8-10],這是目前確定風(fēng)荷載較為準(zhǔn)確方法．Ozmen等[11]利用風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)不同傾斜角的低矮平屋的風(fēng)荷載進(jìn)行了研究;黃漢杰等[12]利用風(fēng)洞試驗(yàn)分析了大比例建筑模型表面的風(fēng)壓分布．

本文利用不同湍流模型對(duì)低矮建筑物TTU標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行數(shù)值模擬．同時(shí)將TTU標(biāo)準(zhǔn)模型按比例為1∶15制作的縮小剛性模型放置在模擬B類風(fēng)場(chǎng)中進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn),在TTU標(biāo)準(zhǔn)低矮建筑中軸線上布置多個(gè)測(cè)壓孔,測(cè)量迎風(fēng)前緣、屋頂、背風(fēng)后緣附近處的風(fēng)壓值．將模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,分析低矮建筑物模型周圍的流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律,驗(yàn)證本文風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性．

1 數(shù)值仿真

本文運(yùn)用Fluent仿真軟件對(duì)以TTU標(biāo)準(zhǔn)模型按縮小比例為1∶15制作的低矮建筑物模型進(jìn)行三維定常數(shù)值模擬, 為保證數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)的環(huán)境具有一致性,整體計(jì)算區(qū)域按照如圖1(a)所示的風(fēng)洞尺寸建模,試驗(yàn)段長(zhǎng)寬高分別為7, 3, 3 m, 模型所在截面阻塞比為2.7%．為滿足不同風(fēng)向角工況下標(biāo)準(zhǔn)模型的計(jì)算要求,在模型附近選用如圖1(b)所示的圓柱體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,圓柱體半徑為1 m,高為3 m．采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分計(jì)算區(qū)域,共計(jì)189萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格．并在靠近模型表面的區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密,模型表面第一層網(wǎng)格高度為0.6 mm,伸展率為1.05．

圖1 數(shù)值計(jì)算區(qū)域(a)和TTU模型附近網(wǎng)格(b)Fig.1 Numerical calculation area (a) and grid near TTU model (b)

2 風(fēng)洞試驗(yàn)

圖2 風(fēng)洞試驗(yàn)中B類風(fēng)場(chǎng)布置及TTU標(biāo)準(zhǔn)模型Fig.2 Terrain B wind field and TTU standard model in wind tunnel test

利用揚(yáng)州大學(xué)風(fēng)洞的低速試驗(yàn)段進(jìn)行風(fēng)壓測(cè)試,該試驗(yàn)段最大風(fēng)速為25 m·s-1．圖2為利用有機(jī)玻璃制作的剛性標(biāo)準(zhǔn)低矮建筑物模型和用尖劈和粗糙元模擬的B類地貌風(fēng)場(chǎng), 風(fēng)洞中橫向排列的三座尖劈高2 m, 底寬50 cm,距尖劈2 m的后方布置6排13列粗糙元, 粗糙元為邊長(zhǎng)6 cm的正方形木塊, 粗糙元在風(fēng)洞軸向上的間距為30 cm,橫向間距50 cm．建筑物模型試驗(yàn)區(qū)位于粗糙元組正后方2 m處．

圖3 標(biāo)準(zhǔn)低矮建筑風(fēng)向角定義及測(cè)點(diǎn)示意Fig.3 Definition of wind angle and indication of measuring point for TTU

3 結(jié)果與討論

圖4 試驗(yàn)區(qū)的風(fēng)速剖面對(duì)比Fig.4 Comparison of wind velocity profile in the test area

圖4為利用熱線風(fēng)速儀測(cè)量的模型試驗(yàn)區(qū)風(fēng)速剖面．如圖4所示,風(fēng)速隨高度的降低而減小,越接近地表位置,風(fēng)速越小,這是地面黏性阻力作用所導(dǎo)致．此外,風(fēng)洞實(shí)測(cè)風(fēng)速剖面及數(shù)值模擬擬合風(fēng)速與B類風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)的風(fēng)速分布一致,符合指數(shù)分布規(guī)律．

將TTU標(biāo)準(zhǔn)模型中的屋檐高度位置作為風(fēng)速參考點(diǎn),并將此處的風(fēng)壓作為無(wú)量綱參考風(fēng)壓．本文風(fēng)洞試驗(yàn)(記為YZU-WT)采樣6×104個(gè)數(shù)據(jù), 將0°風(fēng)向角下模型表面的平均風(fēng)壓、脈動(dòng)風(fēng)壓分別與TTU-現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[7]、同濟(jì)大學(xué)風(fēng)洞(TJ-WT)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[3]、Western University大學(xué)風(fēng)洞(WUO-WT)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[8], 以及采用Transitionk-kl-ω、標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型的計(jì)算數(shù)值進(jìn)行對(duì)比, 結(jié)果如圖5所示, 圖5中橫坐標(biāo)表示以前緣B點(diǎn)為原點(diǎn)的模型中軸線相對(duì)壁面位置．由圖5(a)可知,YZU-WT試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本處于各類模型實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的包絡(luò)線內(nèi),在迎風(fēng)面區(qū),YZU-WT風(fēng)洞試驗(yàn)正壓值大于其他現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)．平均風(fēng)壓的計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較接近,但在迎風(fēng)面和迎風(fēng)的斜頂面,計(jì)算值與試驗(yàn)值略有偏差．由圖5(b)可見(jiàn),不同試驗(yàn)的脈動(dòng)壓力系數(shù)存在一定偏差,但其脈動(dòng)趨勢(shì)基本相同,均在迎風(fēng)前緣點(diǎn)B處附近出現(xiàn)極大值,并隨著相對(duì)壁面位置的增加,順著來(lái)流風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)逐漸減?。?/p>

圖5 平均風(fēng)壓系數(shù)(a)和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)(b)的計(jì)算數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.5 Comparison of numerical calculation and measurements about average pressure coefficients (a) and pulse pressure coefficient (b)

圖6為利用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型計(jì)算得到的不同風(fēng)向角工況下TTU標(biāo)準(zhǔn)模型的表面壓力系數(shù)分布圖．由圖6可見(jiàn), 迎風(fēng)的垂直墻面風(fēng)壓均為正,頂面局部為負(fù)壓．各風(fēng)向角工況下的墻面受壓情況不同,尤其在建筑物檐角附近的壓力急劇變化．在斜風(fēng)向工況下,建筑物會(huì)有兩個(gè)迎風(fēng)面受正壓力,在迎風(fēng)面中上部分的壓力最大,并向兩側(cè)及底部減小,背風(fēng)面及屋頂均受負(fù)壓,且在迎風(fēng)頂面的前檐處形成高負(fù)壓區(qū)域,此區(qū)域內(nèi)流體的慣性力要克服壓強(qiáng)差和黏性力作用,導(dǎo)致靠近墻壁的流體質(zhì)點(diǎn)停止向前移動(dòng)或反向移動(dòng),而后再向下游泄出,形成渦流．這種情況對(duì)低層建筑物破壞性較大,須在實(shí)際工程中引起重視．

圖6 不同風(fēng)向角的TTU模型表面壓力系數(shù)云圖Fig.6 Cloud diagram of surface pressure coefficient of the TTU model at different income flow angle

圖7給出了不同風(fēng)向角下模型中軸線上各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)模擬數(shù)據(jù)與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果．如圖7所示, 各個(gè)風(fēng)向角下的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)測(cè)值均較接近, 風(fēng)向角對(duì)中軸上的風(fēng)壓系數(shù)影響較大,迎風(fēng)面的風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角減小而減?。L(fēng)向角傾斜時(shí),建筑迎風(fēng)面的風(fēng)洞實(shí)測(cè)風(fēng)壓系數(shù)與計(jì)算結(jié)果略有偏差, 但建筑物頂部和背風(fēng)面的風(fēng)壓系數(shù)吻合度較高．如圖7(b)所示,風(fēng)向角為30°時(shí), YZU-WT實(shí)測(cè)風(fēng)壓系數(shù)與TTU實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的吻合度較高, 在迎風(fēng)前緣處的YZU-WT實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)值比TTU數(shù)值略大．比較2種計(jì)算模型的數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn),盡管Transitionk-kl-ω模型在數(shù)值計(jì)算中可得到與工程常用的SST低雷諾數(shù)模型相近的結(jié)果[13], 但處理鈍體繞流問(wèn)題時(shí)并未發(fā)現(xiàn)其優(yōu)勢(shì), 圖7(a)～(e)的結(jié)果顯示標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)測(cè)數(shù)值更為接近, 2種模型計(jì)算結(jié)果的差別主要在負(fù)壓區(qū)．這可能是因?yàn)門ransitionk-kl-ω模型在模型近壁處所預(yù)測(cè)的湍流強(qiáng)度比k-ε模型大, 過(guò)大的湍流強(qiáng)度引起邊界層內(nèi)外的動(dòng)能交換, 導(dǎo)致該模型的預(yù)測(cè)結(jié)果存在一定偏差．

圖7 不同風(fēng)向角下TTU模型中軸線處風(fēng)壓系數(shù)數(shù)值計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果比較Fig.7 Numerical calculation and measurements on the central axis of TTU model at different income flow angle

4 結(jié)論

本文對(duì)TTU標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行數(shù)值模擬,同時(shí)通過(guò)尖劈和粗糙元在揚(yáng)州大學(xué)風(fēng)洞中模擬B類風(fēng)場(chǎng),研究低矮建筑表面壓力隨風(fēng)向角變化的一般規(guī)律,斜風(fēng)工況下標(biāo)準(zhǔn)模型的表面壓力系數(shù)云圖表明,各風(fēng)向角下的繞流情況不同, 靠近建筑物拐角處的渦流及壓力變化明顯．對(duì)于低矮建筑模型, 未見(jiàn)Transitionk-kl-ω模型處理鈍體繞流問(wèn)題的優(yōu)勢(shì),而兩方程標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型能較好模擬其在不同風(fēng)向角下的流動(dòng)特性和風(fēng)壓分布．實(shí)驗(yàn)表明本風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)模擬低矮建筑風(fēng)壓分布具有較高的精度,可為工程設(shè)計(jì)提供可靠的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)．