不同高度開洞對(duì)高層建筑風(fēng)特性影響的數(shù)值模擬

夏祥忠，陳銳林，任海龍，胡 迪，鄧小波，張 超

(湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南湘潭411105)

不同高度開洞對(duì)高層建筑風(fēng)特性影響的數(shù)值模擬

夏祥忠，陳銳林，任海龍，胡 迪，鄧小波，張 超

(湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南湘潭411105)

采用RNG的k-ε湍流模型，對(duì)處于B類地貌風(fēng)場(chǎng)中的不同高度處設(shè)置洞口的高層建筑進(jìn)行數(shù)值模擬，通過UDF編程設(shè)定風(fēng)速和湍流強(qiáng)度等參數(shù)。結(jié)果表明：當(dāng)洞口位于0.85h高層建筑時(shí)，風(fēng)速在迎風(fēng)面前方減弱，在側(cè)面增大并形成對(duì)稱渦旋，在背風(fēng)面形成尾流；洞口內(nèi)形成狹縫效應(yīng)風(fēng)速最大；當(dāng)洞口位于不同位置時(shí)，洞口對(duì)迎風(fēng)面和側(cè)面風(fēng)壓以及順風(fēng)向基底彎矩都有影響；洞口位于0.65h時(shí),側(cè)面風(fēng)壓系數(shù)較小,基底彎矩降幅最大，因此在0.65h開洞最為有利。

k-ε湍流模型；開洞高層建筑；風(fēng)壓特性；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)；數(shù)值模擬

隨著城市高層建筑物不斷的涌現(xiàn)，風(fēng)荷載也成為設(shè)計(jì)主要考慮的因素。由于建筑外形日益多樣化，高層建筑開洞也越來越多，洞口一方面對(duì)建筑物表面的風(fēng)壓產(chǎn)生影響，另一方面可以利用其進(jìn)行發(fā)電。自Davenport[1]于上世紀(jì)60年代提出風(fēng)振理論以來，關(guān)于高層建筑風(fēng)荷載的研究迅速開展，逐步形成了較為成熟的理論和計(jì)算方法，各國(guó)風(fēng)荷載規(guī)范得以出現(xiàn)[2-5]。Kwok等[6]對(duì)水平雙向開洞的CAARC(Commonwealth Advisory Aeronautical Research Council)模型進(jìn)行的風(fēng)洞試驗(yàn)，表明雙向開洞能減小建筑物順風(fēng)向風(fēng)荷載。Kikitsu等[7]進(jìn)行了高層建筑氣動(dòng)響應(yīng)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：開洞在相應(yīng)的區(qū)域能影響建筑物的氣動(dòng)力特性。張耀春等[8-9]通過風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)靜風(fēng)作用下的開洞高層建筑進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)建筑物的開洞方向和風(fēng)速在同一方向時(shí)，作用在建筑物上的靜風(fēng)荷載會(huì)減少，但局部區(qū)域的風(fēng)壓有所增加。李秋勝等[10-11]探討在洞口處設(shè)置風(fēng)機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的影響和設(shè)置洞口進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電的可行性，結(jié)果表明風(fēng)機(jī)增加基底反力，洞口可以對(duì)風(fēng)速進(jìn)行放大，這對(duì)風(fēng)力發(fā)電比較有利。

本文以處于B類地貌風(fēng)場(chǎng)中的高層建筑為研究對(duì)象，探討在0.85h(h為建筑物高度)處設(shè)置洞口時(shí)高層建筑洞口周邊和洞口內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)以及立面的風(fēng)壓特性，并研究不同開洞位置建筑物的風(fēng)壓特性，以供相關(guān)研究和工程設(shè)計(jì)參考。

1 模擬計(jì)算

采用Fluent 6.3軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。

1.1 計(jì)算模型

建筑物的尺寸長(zhǎng)(X)×寬(Y)×高(Z)為30 m× 30 m×180 m，并在建筑物的表面設(shè)置一個(gè)15 m(Y)× 15 m(Z)的洞口，開洞率為4.2%。計(jì)算域(數(shù)值風(fēng)洞)尺寸為1 200 m(X)×600 m(Y)×450 m(Z)，建筑物置于流域沿流向接近1/3區(qū)域處即計(jì)算模型距離計(jì)算域入口400米，阻塞率為2%。計(jì)算域邊界面和建筑物表面采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元進(jìn)行離散，體網(wǎng)格采用四面體單元進(jìn)行劃分。建筑物和計(jì)算域三維圖見圖1。

圖1 建筑物和計(jì)算域三維圖Fig.1 Three dimensional building model and computational domains

1.2 邊界條件

計(jì)算區(qū)域進(jìn)流面選用速度入口(velocity inlet)，來流為我國(guó)荷載規(guī)范中的B類地面粗糙度剪切流，平均風(fēng)速剖面為

式中：Z0為標(biāo)準(zhǔn)參考高度；U0為標(biāo)準(zhǔn)參考高度處的平均風(fēng)速；Z為任一高度；U(Z)為任一高度處的平均風(fēng)速，α為地面粗糙度指數(shù)，我國(guó)規(guī)范B類地面粗糙度α=0.16。

來流湍流流特性通過直接給定湍動(dòng)能k和湍流耗散率ε值的方式給出

式中：l為湍流特征尺度；I為湍流強(qiáng)度，因?yàn)槲覈?guó)建筑荷載規(guī)范沒有定義湍流強(qiáng)度I，所以對(duì)B類地貌湍流強(qiáng)度進(jìn)行模擬時(shí)參考日本規(guī)范第∏類地貌的值。

式中：Zb=5 m；ZG=350 m；α=0.15。

本文采用RNGk-ε模型，在入流面用湍動(dòng)能和湍流耗散率定義，入流面設(shè)定為速度入口邊界條件，出流面設(shè)定為壓力出口面。入流邊界條件的平均風(fēng)速剖面U(Z)，k和ε采用UDF(User-Defined Function)編程連入Fluent軟件中，出口邊界條件采用完全發(fā)展的出流邊界條件(outflow)，對(duì)于計(jì)算域頂面和兩側(cè)采用自由滑移的壁面為對(duì)稱邊界條件(symmetry)，建筑物表面和地面采用無滑移的壁面條件(wall)。使用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，用3D分離式求解器隱式算法對(duì)控制方程求解，對(duì)流項(xiàng)使用精度較高的二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，速度壓力耦合采用SIMPLEC算法[12]。大氣層中的流體為定常流，流體介質(zhì)為空氣，具有低速和可壓縮性，空氣的密度為1.225 kg/m3。計(jì)算中使用自適應(yīng)網(wǎng)格，每步迭代對(duì)壓力梯度大的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。計(jì)算的迭代殘余量設(shè)置為5×10-4，風(fēng)壓值趨于穩(wěn)定時(shí)，則流場(chǎng)的計(jì)算完成。

2 UDF驗(yàn)證及洞口在0.85h處的風(fēng)特性分析

2.1 UDF驗(yàn)證

為了驗(yàn)證UDF的正確性，在入流面沿高度布置測(cè)點(diǎn)主要對(duì)速度和湍流強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)和理論值進(jìn)行比較，結(jié)果見圖2，3。圖2表明UDF編程輸入的風(fēng)速隨高度變化曲線與理論值基本一致，驗(yàn)證UDF編程中速度的正確性。 圖3表明UDF編程輸入的湍流強(qiáng)度與理論值除了底部有稍微偏差其余基本相同，驗(yàn)證了UDF編程中湍流強(qiáng)度的正確性。

圖2 入流面風(fēng)速隨高度變化曲線Fig.2 Curve of wind speed with height in the in flow surface

圖3 入流面的湍流強(qiáng)度隨高度變化曲線Fig.3 Variation curve of turbulent intensity of the flow surface along with the height

2.2 風(fēng)速分布

數(shù)值模擬能很好地模擬建筑物周邊的風(fēng)場(chǎng)，選擇洞口在0.85h處的建筑物，通過截取Z=153 m剖面(建筑物洞口的中心高度為153 m)，Y=300 m剖面和在洞口內(nèi)設(shè)置測(cè)點(diǎn)來分析開洞高層建筑風(fēng)速的特點(diǎn)。圖4，5分別為Z=153 m剖面、Y=300 m剖面風(fēng)速分布。

圖4 Z=153 m剖面風(fēng)速分布Fig.4 Distribution of wind velocity atZ=153 m profile

圖5 Y=300 m剖面風(fēng)速分布Fig.5 Distribution of wind velocity atY=300 m profile

由圖4，5可以看出：大氣層中鈍體繞流非常復(fù)雜，有沖撞、分離、渦旋、環(huán)繞和回流等現(xiàn)象。當(dāng)氣流撞擊建筑物的迎風(fēng)面時(shí)發(fā)生邊界層分離現(xiàn)象，流體的速度在迎風(fēng)面前方減弱；建筑物的側(cè)面氣流分離嚴(yán)重，發(fā)生渦旋分離后分離的氣流與前方的氣流匯合就使得在建筑物兩側(cè)風(fēng)速很大并且形成對(duì)稱的渦旋；建筑物下游的流場(chǎng)高度渦旋和紊亂，在建筑物的后部形成尾流。氣流通過建筑物的洞口時(shí)出現(xiàn)明顯的狹縫效應(yīng)，產(chǎn)生局部加速作用。

在洞口的中心線沿X方向布置11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(間距3 m)，沿Y方向布置11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(間距1 m)，洞口內(nèi)的風(fēng)速分布見圖6。從圖6(a)可以看出：洞口中心沿X方向，風(fēng)速靠近迎風(fēng)面稍小，當(dāng)氣流在洞口內(nèi)部時(shí)風(fēng)速很大且在長(zhǎng)度方向的中心位置風(fēng)速達(dá)到最大值，為44.11 m/s。如圖6(b)所示，洞口中心沿Y方向靠近洞口內(nèi)壁面的風(fēng)速較小，遠(yuǎn)離壁面在洞口的中心則風(fēng)速較大。洞口內(nèi)的風(fēng)速比建筑物頂部遠(yuǎn)處來流平均風(fēng)速大很多所以在高層建筑風(fēng)環(huán)境設(shè)計(jì)中應(yīng)予以考慮。

圖6 洞口內(nèi)的風(fēng)速分布Fig.6 Distribution of wind speed in the caves

2.3 風(fēng)壓分布

為了進(jìn)一步分析建筑物表面的風(fēng)壓分布情況，在建筑物的迎風(fēng)面、側(cè)面、背風(fēng)面和洞口布置測(cè)點(diǎn)。建筑模型比較規(guī)則，所以只分析一個(gè)側(cè)面。風(fēng)壓系數(shù)[13]

式中：Cpi為平均風(fēng)壓力系數(shù)；pi為建筑表面測(cè)點(diǎn)的壓力；ph為參考高度的靜壓，取遠(yuǎn)前方建筑物頂面靜壓；ρ為空氣密度；vh為參考高度處的平均風(fēng)速。根據(jù)式(2)選取坐標(biāo)點(diǎn)(0，300，180)高度處為參考點(diǎn)，在RNGkε湍流模型中參考點(diǎn)靜壓值為46 Pa，參考點(diǎn)的風(fēng)速為37.57 m/s。各測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)分布見圖7～10。

由圖7可知，在流體作用下建筑物的迎風(fēng)面均出現(xiàn)正壓，迎風(fēng)面的底部風(fēng)壓小，風(fēng)壓系數(shù)在0.5以下；上部風(fēng)壓大最大值出現(xiàn)在洞口上部的中軸線上，最大風(fēng)壓系數(shù)達(dá)到0.81。由圖8可見，建筑物的側(cè)面風(fēng)壓都為負(fù)值，風(fēng)壓分布較復(fù)雜。最大負(fù)壓出現(xiàn)在接近迎風(fēng)面的區(qū)域，同時(shí)也是整個(gè)建筑的最大負(fù)壓區(qū)域，建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予考慮。由圖9可見，建筑物背風(fēng)面風(fēng)壓也為負(fù)值，風(fēng)壓分布較均勻風(fēng)壓梯度變化不大。其中背風(fēng)面的風(fēng)壓分布呈兩端大中間小的趨勢(shì)。結(jié)合圖7～10可知，洞口的存在使迎風(fēng)面的正壓力值有不同程度的降低且洞口附近風(fēng)壓值降幅最大，洞口附近風(fēng)壓梯度變化也大，洞口對(duì)距離較洞口遠(yuǎn)的區(qū)域風(fēng)壓值影響不大。側(cè)面風(fēng)壓系數(shù)沿高度方向逐漸增加和洞口等高位置的風(fēng)壓系數(shù)增加明顯。背風(fēng)面在洞口附近的風(fēng)壓有所提升，最大風(fēng)壓出現(xiàn)在洞口的兩個(gè)側(cè)面。

圖7 迎風(fēng)面測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)Fig.7 Coefficients of wind pressure on the windward side points

圖8 側(cè)風(fēng)面測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)Fig.8 Coefficients of wind pressure on the lateral side points

圖9 背風(fēng)面測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)Fig.9 Coefficients of wind pressure on the leeward side points

圖10 洞口壁面測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)Fig.10 Coefficients of wind pressure on the wall of the caves points

3 不同開洞位置風(fēng)壓分析

為分析洞口在不同位置時(shí)風(fēng)壓系數(shù)的變化，共設(shè)置7個(gè)計(jì)算工況，見表1。洞口對(duì)建筑物的迎風(fēng)面和側(cè)面影響較大，所以僅研究迎風(fēng)面和側(cè)面風(fēng)壓系數(shù)和順風(fēng)向的基底彎矩。

由圖11可知在迎風(fēng)面底部風(fēng)壓系數(shù)小，上部風(fēng)壓系數(shù)大，各洞口附近的風(fēng)壓系數(shù)有所降低，且降幅較大值在洞口0.65h處。遠(yuǎn)離洞口的區(qū)域，開洞建筑和不開洞建筑風(fēng)壓系數(shù)基本相同。由圖12可見各工況下側(cè)面風(fēng)壓都為負(fù)值且風(fēng)壓系數(shù)變化較大，其中洞口在0.85h處的側(cè)面風(fēng)壓系數(shù)變化較大。當(dāng)洞口位置比較低時(shí)底部風(fēng)壓系數(shù)比洞口位置較高時(shí)底部風(fēng)壓系數(shù)大，且洞口越低底部風(fēng)壓系數(shù)就越大。開洞減小了整體側(cè)面風(fēng)壓值，當(dāng)洞口在0.65h時(shí)側(cè)面風(fēng)壓系數(shù)平均值比其他工況小，所以當(dāng)洞口在0.65h時(shí)側(cè)面風(fēng)壓系數(shù)相對(duì)較小。

表1 不同洞口位置工況Tab.1 Working condition of different hole positions

圖11 各工況下迎風(fēng)面測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)Fig.11 Wind pressure coefficients of the measuring points on the wind surface under different working conditions

圖12 各工況下側(cè)面測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)Fig.12 Wind pressure coefficients of the side measuring points under different working conditions

基底彎矩[14]是衡量風(fēng)力對(duì)整個(gè)建筑物作用的一個(gè)指標(biāo)，順風(fēng)向的基底彎矩對(duì)建筑的影響比較大，所以文中只探討開洞位置與順風(fēng)向的基底彎矩間的關(guān)系。對(duì)順風(fēng)向基底彎矩進(jìn)行無量綱化處理，可得到相應(yīng)的力矩系數(shù)。各工況下的順風(fēng)向基底彎矩系數(shù)見表2。

表2 各工況下的順風(fēng)向基底彎矩系數(shù)Tab.2 Moment coefficients of base bending in the wind direction under different working conditions

由表2可以看出：不開洞工況下順風(fēng)向基底彎矩系數(shù)最大，其值為0.545；不同的開洞位置都降低了順風(fēng)向基底彎矩，其中洞口開在0.65h時(shí)順風(fēng)向基底彎矩降幅最大；在建筑物的高度上，高度越高風(fēng)速就越大，并非開洞位置越高就越有利，從本節(jié)的分析可知，中上部開洞相對(duì)有利，最有利的位置在0.65h處。

4 結(jié) 論

選用結(jié)構(gòu)對(duì)稱的建筑物為研究對(duì)象，按照建筑物所處的實(shí)際風(fēng)環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，得出如下結(jié)論。

1)洞口開在0.85h時(shí)，風(fēng)速在迎風(fēng)面減弱，在側(cè)面風(fēng)速較大，氣流形成對(duì)稱渦旋。洞口內(nèi)出現(xiàn)狹縫效應(yīng)，風(fēng)速比建筑物其他部位的風(fēng)速大很多，最大風(fēng)速可達(dá)到44.11 m/s，在設(shè)計(jì)時(shí)要予以考慮。

2)建筑物的下游流場(chǎng)比較紊亂，在背后形成尾流，洞口流出的風(fēng)在下游形成增大區(qū)。在迎風(fēng)面風(fēng)壓均為正值，在洞口附近的風(fēng)壓會(huì)有所降低。側(cè)面風(fēng)壓分布不均勻，都為負(fù)值，最大負(fù)壓出現(xiàn)在接近迎風(fēng)面的區(qū)域。背風(fēng)面風(fēng)壓都為負(fù)值且分布均勻，背面最大負(fù)壓出現(xiàn)在洞口附近。洞口內(nèi)主要承受吸力，洞口底部的負(fù)壓比其他位置負(fù)壓大，洞口減小了整體的風(fēng)壓值。

3)洞口在不同位置時(shí)，對(duì)于迎風(fēng)面洞口附近的風(fēng)壓系數(shù)有所降低，洞口在0.65h時(shí)降幅較大，其他區(qū)域風(fēng)壓系數(shù)和不開洞建筑基本相同。側(cè)面風(fēng)壓系數(shù)在各工況下變化比較大，洞口等高位置的側(cè)面負(fù)壓系數(shù)有所提高。在0.65h時(shí)側(cè)面風(fēng)壓系數(shù)較小，同時(shí)順風(fēng)向基底彎矩也較小，所以在0.65h開洞最為有利。

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責(zé)任編輯：丁吉海

Numerical Simulation of the Influence of Different Opening Height on Wind Characteristics of High-rise Building

XIAXiangzhong，CHEN Ruilin，REN Hailong，HU Di，DENG Xiaobo，ZHANG Chao
(College of Civil Engineering and Mechanics,Xiangtan University,Xiangtan 411105,China)

The numerical simulation is applied to the high-rise building setting hole at the different height in class B landform wind field with RNGk-ε turbulence model and wind speed and turbulence intensity parameter are set by UDF programming.The results indicates when the caves are located in the 0.85h,the wind speed weakens in front of the windward side but enhances on the side so that symmetric vorticities are formed on the side,and the wake flow is formed on leeside;In this condition,slit effect is generated inside the cave and the wind speed reaches the top;The different position of the cave has an impact on the wind pressure of the windward and the side,as well as on the base moment of the windward and the side;Since the side wind pressure coefficient is smaller and the largest decline of the base moment drops when the cave is set at 0.65h,it is the most favorable to set the cave at 0.65h.

k-ε turbulence model；high-rise building with openings；wind pressure characteristics；computational fluid dynamics；numerical simulation

TU973

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2016.04.009

1671-7872(2016)04-0354-06

2016-09-21

教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20104301120004)；教育部科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)項(xiàng)目(211127)；湖南省教育廳優(yōu)秀青年項(xiàng)目(10B105)；第49批中國(guó)博士后科學(xué)研究基金項(xiàng)目(20110491260)

夏祥忠(1991-)，男，湖南邵陽(yáng)人，研究生，主要研究方向?yàn)榈缆放c橋梁工程。

陳銳林(1971-)，男，湖南湘潭人，博士后，副教授，主要研究方向?yàn)榈缆放c橋梁工程。