典型低矮雙坡屋蓋平均風(fēng)壓的數(shù)值模擬

， ，，

(浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

歷次風(fēng)災(zāi)調(diào)查表明[1]：我國東南沿海地區(qū)因臺風(fēng)而倒塌的低矮房屋超半數(shù)以上.雙坡屋面建筑遭受臺風(fēng)侵害時，局部高負(fù)壓導(dǎo)致的屋面破壞屢見不鮮[2].趙雅麗、黃鵬等[3]在B類和C類場地類別下對典型的低矮雙坡建筑模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗.認(rèn)為30°坡角的迎風(fēng)屋面表現(xiàn)為正壓，背風(fēng)面均為負(fù)壓.風(fēng)向角的影響也較大，除了局部屋面出現(xiàn)正壓外其余部分均為負(fù)壓區(qū).王輝等[4]采用時均標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流模型對一低層雙坡房屋的周圍風(fēng)場和表面風(fēng)壓進(jìn)行了數(shù)值模擬.結(jié)果表明低層房屋的屋檐、屋脊和山墻頂邊等交接部位出現(xiàn)較高的局部負(fù)壓區(qū).陳水福、呂少林[5]采用k—ε時均模型對屋面坡角和高寬比的影響進(jìn)行研究，得到不同幾何外形的屋面平均風(fēng)壓的分布曲線.迎風(fēng)面風(fēng)壓絕對值隨坡角增大而減小，背風(fēng)面趨于增大，并推薦坡角為15°～30°；屋面風(fēng)壓與高寬比大小成正比.全涌、顧明等[6]對一系列低矮雙坡屋蓋進(jìn)行研究，結(jié)論表明屋蓋坡角的變化對最不利屋蓋升力系數(shù)有重要影響：對高寬比相同的低矮建筑，屋面最大升力系數(shù)隨屋蓋坡角增大而減小.孫高勇、姚勇、李明[7]采用標(biāo)準(zhǔn)k—ε時均模型分析沿海地區(qū)底層雙坡房屋.分析結(jié)果認(rèn)為風(fēng)向角影響較大，決定總體布局；屋面坡度建議范圍為18°～34°；挑檐只有局部影響.筆者基于FLUENT分析軟件，結(jié)合西爾斯結(jié)構(gòu)實驗樓實測數(shù)據(jù)，采用改進(jìn)[8-10]的帶旋流修正Realizablek—ε湍流模型，使用SIMPLEC分離算法，分析屋面傾角、挑檐長度和風(fēng)向角等參數(shù)對低矮雙坡屋面平均風(fēng)壓特性的影響.

1 數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)

低矮房屋的風(fēng)荷載特性問題屬于典型的鈍體繞流問題，其數(shù)理模型的控制方程為不可壓Navier-stokes方程，引入張量指標(biāo)后方程可表示為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：ui為時均速度；k為湍動能；δij稱“kronecker delta”求和約定.

2 計算模型

西爾斯結(jié)構(gòu)實驗樓(SSB模型)是著名的低矮房屋實測模型，長寬高均為h=6 m，國內(nèi)外學(xué)者對該模型做了大量的風(fēng)洞試驗和實測試驗，獲得了詳細(xì)的實驗數(shù)據(jù)[13].基于SSB模型的實測數(shù)據(jù)(圖1)討論典型低矮房屋(圖2)的風(fēng)壓特性.

圖1 SSB數(shù)值模擬結(jié)果與實測對比

圖2 尺寸示意、風(fēng)向角及中軸線采樣點

2.1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

根據(jù)SSB模型尺寸建立足尺模型，檐高、跨度、長度均取h=6 m，幾何尺寸如圖2所示.計算域豎直方向為7h，長度為20h且將模型置于距入口三分之一長度處，流域?qū)挾?5h，流域尺寸滿足阻塞率小于3%要求[14-15].

對建筑模型周圍1.5h范圍內(nèi)的內(nèi)流域進(jìn)行適當(dāng)加密，以滿足近壁面流場運動特性.近壁面網(wǎng)格尺寸為0.15 m，內(nèi)外流域過渡面網(wǎng)格尺寸為0.6 m，入流面最大網(wǎng)格尺寸為2 m，采用Delaunay 三角化法和推進(jìn)陣面方法[16]劃分四面體網(wǎng)格約120萬，圖3為整體流域與局部網(wǎng)格放大圖.

圖3 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格示意圖

2.2 邊界條件及算法設(shè)置

流場速度入口(Velocity-inlet)入口采用自定義程序UDF進(jìn)行對接；出流面選用壓力出口(Pressure-outlet)；流域頂部及兩側(cè)采用對稱邊界(Symmetry)；建筑表面與流域地面為無滑移邊界(Wall).配合非平衡壁面函數(shù)模擬鈍體繞流的分離、再附等一系列復(fù)雜運動.根據(jù)SSB模型現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)采用指數(shù)率模擬大氣邊界層風(fēng)速剖面：

V(z)=Vb×(Z/Zb)α

(5)

式中：Vb=6.97 m/s；Zb=1 m；α=0.16.

湍流強度I(z)采用日本規(guī)范二類地貌的建議：

(6)

式中ZG=350 m.

計算中進(jìn)流面據(jù)日本規(guī)范直接給定湍動能k和湍動耗散率ε與湍流積分尺度Lu的方程：

k(z)=1.5[I(z)×V(z)]2

(7)

(8)

(9)

式中Cμ=0.09.

模擬實驗主要是穩(wěn)態(tài)的分析，兼顧計算成本與精度的要求，選用Realizablek—ε湍流模型計算平均風(fēng)壓，采用二階迎風(fēng)離散格式，并選擇分離式算法SIMPLEC完成對壓力和速度的聯(lián)合求解，迭代至收斂殘差準(zhǔn)則10-4且監(jiān)測屋蓋表面升力曲線直至穩(wěn)定.

3 計算結(jié)果與分析

采用無量綱參數(shù)平均風(fēng)壓系數(shù)Cp和升力系數(shù)Cl作為屋蓋風(fēng)壓特性的參考依據(jù)：

(10)

(11)

圖1表明SSB實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果(沿圖2所示測點1-3-5)對比，認(rèn)為風(fēng)壓分布趨勢和精度與實測數(shù)據(jù)接近，可用于風(fēng)壓預(yù)測.

3.1 屋傾角與風(fēng)向角影響分析

定義屋傾角正切值tanθ為檐脊相對高差與屋蓋投影跨度的比值，如以工況WQJ01為正切值為0.1，風(fēng)向角為0°，挑檐長度為0 m.風(fēng)向角工況以設(shè)置角度0°～90°以每15°為一個工況，屋傾角選用WQJ06，挑檐長度0 m.由圖4可知:0°風(fēng)向角下迎風(fēng)屋蓋負(fù)風(fēng)壓總體趨勢隨傾角增大而減小，背風(fēng)屋蓋負(fù)風(fēng)壓趨勢當(dāng)屋蓋傾角正切值0～0.3范圍內(nèi)則呈現(xiàn)增大趨勢，而當(dāng)屋蓋傾角正切值超過0.5時，背風(fēng)屋蓋的負(fù)壓變化不大，趨于穩(wěn)定.其主要原因如圖5所示：迎風(fēng)屋面隨著屋傾角的增大分離點與再附點之間的區(qū)域逐漸減小直至不產(chǎn)生分離，因而局部負(fù)壓絕對值呈減小趨勢；對于背風(fēng)屋面，屋脊結(jié)構(gòu)使得原本處于再附點下游的區(qū)域再次出現(xiàn)流動分離，增大了屋脊下游區(qū)域的局部負(fù)壓，導(dǎo)致了背風(fēng)屋蓋升力增大；而當(dāng)屋傾角正切值超過0.3時，背風(fēng)屋蓋上方流場產(chǎn)生回流現(xiàn)象，風(fēng)壓特性由此回流穩(wěn)定控制，因而升力系數(shù)變化不大.

圖4 屋蓋傾角影響風(fēng)壓特性

圖5 各屋傾角工況下風(fēng)速矢量圖

由圖6可知：當(dāng)風(fēng)向角在0°～30°度范圍內(nèi)時，迎風(fēng)屋蓋與背風(fēng)屋蓋變化趨勢平緩；但是當(dāng)風(fēng)向角由30°開始增大時，迎風(fēng)屋面的升力系數(shù)由正值向負(fù)值轉(zhuǎn)化，且升力系數(shù)系數(shù)絕對值的變化梯度也越來越大，而背風(fēng)屋面的升力系數(shù)依舊以負(fù)值為主，且在60°時升力系數(shù)絕對值達(dá)到最大，處于最不利風(fēng)向角.

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可參考圖7所示的四種風(fēng)向角工況的風(fēng)壓系數(shù)云圖進(jìn)行解釋：當(dāng)風(fēng)向角為0°～30°時，迎風(fēng)面大部分處于0壓力區(qū)，負(fù)壓影響區(qū)域小，背風(fēng)面則基本被-0.5所控制；當(dāng)風(fēng)向角達(dá)到60°時，迎風(fēng)屋面均以負(fù)壓為主，風(fēng)壓系數(shù)絕對值依舊保持增大趨勢，背風(fēng)面大部分被風(fēng)壓系數(shù)為-0.8～-1.0的區(qū)域所占據(jù)；當(dāng)風(fēng)向由60°繼續(xù)向90°增大時，風(fēng)壓系數(shù)分級較多(-0.4～-1.8)，雖然迎風(fēng)前緣的局部負(fù)壓達(dá)到了-1.8，但低負(fù)壓范圍遠(yuǎn)超過該高負(fù)壓區(qū)，局部高負(fù)壓未起到?jīng)Q定作用.

圖6 風(fēng)向影響下屋蓋升力系數(shù)

圖7 0°，30°，60°，90°風(fēng)向工況下壓力云圖

3.2 挑檐長度影響分析

模型采用屋傾角正切值為0.6，風(fēng)向角0°，以TY05表示挑檐長度與檐高的比值為0.05，挑檐長度為0～1.8 m.

分析圖8可得：傾角一定的雙坡屋蓋，挑檐長度對迎風(fēng)屋面整體性影響與屋傾角相比作用不明顯，但是挑檐可減小屋面前緣的分離作用(圖9)，因此選取合適的挑檐長度可改變迎風(fēng)屋面的負(fù)壓情況；背風(fēng)屋面受挑檐長度影響不大，挑檐長度改變60%的情況下升力系數(shù)僅改變13%，其主要原因為背風(fēng)屋面受下游流場的漩渦情況影響程度有限，背風(fēng)屋面屋檐處對流場分離的加劇作用不明顯.

圖8 不同挑檐長度升力系數(shù)對比

圖9 TY00與TY20速度矢量圖

4 結(jié) 論

結(jié)合SSB實測數(shù)據(jù)，采用FLUENT軟件對低矮房屋屋蓋平均風(fēng)壓特性進(jìn)行了數(shù)值模擬證明了數(shù)值模擬預(yù)測建筑屋蓋平均風(fēng)壓特性是可行的.在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)研究了低矮房屋在屋傾角、風(fēng)向角、挑檐長度對屋蓋風(fēng)壓分布的影響情況，得出以下結(jié)論：屋蓋傾角對屋蓋風(fēng)壓分布影響較大，迎風(fēng)屋面隨傾角增大而呈現(xiàn)由負(fù)壓轉(zhuǎn)至正壓的趨勢，屋傾角正切值超過0.6(約30°)時以正壓為主.背風(fēng)屋面始終以負(fù)壓為主，且在傾角正切值為0.3(約18°)時達(dá)到最大值，超過0.6(約30°)時負(fù)壓趨于穩(wěn)定，變化平緩；風(fēng)向角影響程度大，應(yīng)最大程度地保持建筑旋轉(zhuǎn)角度在15°范圍內(nèi)，避免置于60°的工況之下；合適的挑檐長度可減小迎風(fēng)屋面局部的負(fù)壓分布范圍，從而最大程度地降低負(fù)壓影響.

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