湍流積分尺度對(duì)高層建筑風(fēng)荷載影響的大渦模擬

祝志文, 鄧燕華

(湖南大學(xué)土木工程學(xué)院, 湖南 長沙 410082)

結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究中,無論是風(fēng)洞試驗(yàn)還是數(shù)值模擬,準(zhǔn)確模擬大氣邊界層的湍流特性是保證研究結(jié)果可信的必要條件.早期的研究主要關(guān)心風(fēng)速剖面和湍流強(qiáng)度剖面,以期得到與大氣邊界層相似的風(fēng)速和湍流強(qiáng)度.盧占斌等[1]的風(fēng)洞試驗(yàn)研究表明,湍流強(qiáng)度主要改變風(fēng)壓脈動(dòng)值的大小和能量在各頻譜范圍的分布,湍流積分尺度的增大將使風(fēng)壓系數(shù)平均值的絕對(duì)值和均方根值均降低.JR等[2]研究矩形橋梁斷面在風(fēng)速和湍流強(qiáng)度不變的前提下,湍流積分尺度對(duì)風(fēng)壓系數(shù)平均值和均方根值、彎矩譜峰值的影響.Nakamura和Ozono[3]指出,當(dāng)湍流積分尺度小于2D(D為結(jié)構(gòu)特征長度)時(shí),可以忽略其對(duì)湍流流態(tài)的影響;當(dāng)大于2D時(shí),湍流積分尺度增大,將對(duì)風(fēng)壓系數(shù)平均值產(chǎn)生顯著影響.Li和Melbourne[4]研究湍流積分尺度在2.8D～7.8D范圍內(nèi)對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)的影響,隨湍流積分尺度的增加,小尺度湍流脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)量降低,壓力系數(shù)峰值呈現(xiàn)增大趨勢,當(dāng)湍流積分尺度長度達(dá)到5D時(shí)出現(xiàn)降低現(xiàn)象.

風(fēng)洞試驗(yàn)中要準(zhǔn)確測定湍流積分尺度和保持湍流強(qiáng)度不變的前提下調(diào)整其值絕非易事.本文利用大渦模擬研究湍流積分尺度對(duì)高層建筑風(fēng)荷載的影響.大渦模擬入口脈動(dòng)風(fēng)場生成的方法主要包括隨機(jī)流生成技術(shù)(random fow generation， RFG)、離散和合成隨機(jī)流生成法(discretizing and synthesizing random flow generation， DSRFG).文獻(xiàn)[5]研究指出,RFG方法通過湍動(dòng)能和耗散率求湍流積分尺度,DSRFG方法通過調(diào)整湍流積分尺度來調(diào)整流場特性,具有接近真實(shí)流的優(yōu)點(diǎn),但計(jì)算費(fèi)用是RFG的fmax倍(fmax為采樣頻率的最大值),且普通計(jì)算機(jī)難于實(shí)現(xiàn),只能在超算中心或超大集成機(jī)群上完成.本文通過調(diào)整湍流積分尺度,提高RFG計(jì)算精度,從而規(guī)避DSRFG方法中的不足.

1 數(shù)值模型

1.1 幾何模型和測點(diǎn)布置

高層建筑模型采用CAARC (commonwealth advisory aeronautical research council)建筑,縮尺比為 1∶300,縮尺后的幾何尺寸:長(Dy)152 mm×寬(Dx)102 mm×高(H)610 mm.豎向設(shè)8個(gè)測點(diǎn)層,各層高度見圖1.

每個(gè)測點(diǎn)層設(shè)20個(gè)測點(diǎn),測點(diǎn)總數(shù)160個(gè).定義來流風(fēng)速垂直于截面長邊,測點(diǎn)1～5、6～10、11～15和16～20所在的面分別為迎風(fēng)面、上側(cè)面、背風(fēng)面和下側(cè)面,見圖2.

1.2 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

順流向(x軸向)入口至模型中心的距離為7.5H,模型中心至出口的距離為15H,上下側(cè)面距模型中心均為3.5H,模型頂部到上邊界的距離為6H,計(jì)算得到的堵塞率為0.6%,顯著小于風(fēng)洞試驗(yàn)堵塞度上限值3%.

1.3 邊界條件設(shè)定

邊界條件設(shè)置為:入口設(shè)為速度,出口為自由流出口,地面和模型表面均為無滑移壁面,其他均為對(duì)稱邊界，模型壁面和地面的首層網(wǎng)格高度均為2×10-4Dx.

圖1 測點(diǎn)層分布Fig.1 Arrangement of pressure layers

圖2 測點(diǎn)平面布置Fig.2 Cross-section arrangement of pressure points

1.4 湍流模型

本文基于LES (large eddy simulation)湍流模型開展CFD (computational fluid dynamics)模擬,其控制方程為

(1)

(2)

Cij=pij+Dij+Φij-Eij,

(3)

(4)

pij=-

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：Cij為雷諾應(yīng)力在平均運(yùn)動(dòng)軌跡上的增長率;為湍動(dòng)能的生成項(xiàng);pij為雷諾應(yīng)力通過平均運(yùn)動(dòng)的變形率向湍流脈動(dòng)輸入平均能量,當(dāng)其大于0時(shí)，平均運(yùn)動(dòng)向脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)輸入能量,湍動(dòng)能增大，反之,湍動(dòng)能減小；Dij為雷諾應(yīng)力擴(kuò)散項(xiàng);Φij為再分配項(xiàng),在湍流脈動(dòng)各分量間起調(diào)節(jié)作用,實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移;Eij為湍動(dòng)能耗散項(xiàng)；表示相應(yīng)變量的系綜平均值(即在給定的邊界條件下一切可能運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的算術(shù)平均)；u下標(biāo)的i、j和k為速度各方向的分量;u′下標(biāo)的i、j和k為脈動(dòng)速度各方向的分量;x下標(biāo)的i、j和k為坐標(biāo)軸x的i、j和k方向;p′為壓強(qiáng)脈動(dòng)值;ν是流體運(yùn)動(dòng)黏度;

采用Simple算法進(jìn)行壓力速度耦合,動(dòng)量方程采用中心差分離散.每個(gè)時(shí)間步最大迭代20次,經(jīng)時(shí)間無關(guān)性檢查,確定時(shí)間步長b=0.000 5 s.

1.5 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

為后續(xù)更好地與文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,入口風(fēng)速和湍流強(qiáng)度均選用文獻(xiàn)[7]的B類地貌風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果,風(fēng)速為

U=12.98(z/1.167)0.16.

(9)

湍流強(qiáng)度為

I=0.085(z/1.167)-0.21.

(10)

湍流積分尺度Lu參照文獻(xiàn)[8]并計(jì)入縮尺比后得到,即

Lu=1.054z0.5.

(11)

湍動(dòng)能K和湍動(dòng)能耗散率ε均參照文獻(xiàn)[19],即

K=1.2(UI)2,

(12)

ε=0.090.75K1.5/(φLu),

(13)

式(9)～(13)中:

z為距地面高度；

φ為湍流積分尺度調(diào)整系數(shù).

本文保持風(fēng)速和湍流強(qiáng)度不變,將φ分別設(shè)置為0.4和1.0,得到相應(yīng)的湍流積分尺度長度與鈍體特征尺度長度之比k1=2.17和k2=5.42.將上述參數(shù)通過Fluent用戶自定義函數(shù)(user defined function, UDF)導(dǎo)入Fluent軟件.

2 數(shù)據(jù)處理

平均風(fēng)壓系數(shù)和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)按文獻(xiàn)[7]定義,其它氣動(dòng)參數(shù)按式(14)～(15)定義.

(14)

(15)

式(14)～(15)中:

Cd和Cl分別為平均阻力系數(shù)和升力系數(shù);

CMx和CMy分別為順風(fēng)向和橫風(fēng)向基底彎矩系數(shù)平均值;

UH和Dy分別為模型頂部平均風(fēng)速和模型迎風(fēng)面寬度;

FD、FL分別為基底阻力和升力;

3 計(jì)算結(jié)果比較與分析

3.1 基底氣動(dòng)力的對(duì)比

從表1可以看出,本文LES模擬結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果總體上趨于一致,模擬獲得的氣動(dòng)力均方根值比風(fēng)洞試驗(yàn)值小,但平均值與試驗(yàn)值吻合較好,模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[12]的數(shù)值模擬結(jié)果較接近.

表1 模擬結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果的比較Tab.1 Comparison of simulation results with other available

3.2 表面風(fēng)壓系數(shù)

圖3給出了2/3H高處的測點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)平均值Cp和均方根Cprms,圖中,橫坐標(biāo)N為監(jiān)測點(diǎn)編號(hào),具體布置見圖2.用機(jī)構(gòu)名稱中的關(guān)鍵詞代表其機(jī)構(gòu)名稱,分別為:City代表City University, Bristol University of Bristol; Monash代表Monash University; NAE代表National Aeronautical Establishment(a、b分別表示該機(jī)構(gòu)采用的兩種大氣邊界層的模擬方法);NPL代表Nmional Physical Laboratory; TJ-2B代表同濟(jì)大學(xué)TJ-2建筑風(fēng)洞B類地貌風(fēng)場.LES為本文的大渦模擬結(jié)果,具體數(shù)據(jù)及試驗(yàn)方法參見文獻(xiàn)[7].

從圖3可知,不同文獻(xiàn)給出的風(fēng)壓系數(shù)平均值和均方根均存在一定差別,特別是風(fēng)壓系數(shù)均方根.本文計(jì)算的風(fēng)壓系數(shù)平均值和均方根值無論在正壓區(qū)還負(fù)壓區(qū),均與風(fēng)洞試驗(yàn)值存在一致性,表明湍流模型的選擇和計(jì)算參數(shù)的設(shè)置均是可靠的.湍流積分尺度對(duì)風(fēng)壓系數(shù)有不同程度的影響(圖3(a)).正壓區(qū)風(fēng)壓系數(shù)平均值隨湍流積分尺度增大而增大2%～5%,即湍流積分尺度對(duì)正壓區(qū)風(fēng)壓系數(shù)平均值的影響很小.在負(fù)壓區(qū),隨湍流積分尺度的增大,平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值減小,側(cè)面平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值降低12%～17%,背面降低13%,即湍流積分尺度主要對(duì)側(cè)面和背面風(fēng)壓系數(shù)的影響顯著,這與文獻(xiàn)[3]的結(jié)論一致.與文獻(xiàn)[10]中City、Bristol、Monash、NAE和文獻(xiàn)[7]的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果相比,湍流積分尺度調(diào)整系數(shù)φ=0.4 時(shí),平均風(fēng)壓系數(shù)與其結(jié)果較一致,尤其是側(cè)面和背面.

(a) 2/3H高度處平均風(fēng)壓系數(shù)

(b) 2/3H高度處風(fēng)壓系數(shù)均方根圖3 湍流積分尺度對(duì)風(fēng)壓系數(shù)的影響Fig.3 Influence of turbulence integral lengths on wind pressure coefficients

圖3(b)可知,無論是正壓區(qū)還是負(fù)壓區(qū),風(fēng)壓系數(shù)均方根值均隨湍流積分尺度的增大而降低,且角部降幅最大,這可能是受流體的分離與附著的影響.迎風(fēng)面除角部顯著降低外,其他測點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)均方根相差很小,側(cè)面和背面最大降幅分別為15%和10%.湍流積分尺度調(diào)整系數(shù)φ=0.4時(shí),模擬值與試驗(yàn)結(jié)果更一致,即湍流積分尺度的增大將降低風(fēng)壓脈動(dòng)性.

綜上分析可知,隨湍流積分尺度的增大,除迎風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)平均值較風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果略大外,其他部位均偏小,且風(fēng)壓系數(shù)均方根值降低,這與文獻(xiàn)[1]的試驗(yàn)結(jié)果一致.分析其原因,從式(8)可知,增大湍流積分尺度,若保持湍流強(qiáng)度不變,湍動(dòng)能的耗散率將降低.文獻(xiàn)[4]指出,增大湍流積分尺度將減少小尺度的脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)量.Richardson[4]認(rèn)為小尺度的脈動(dòng)是將湍動(dòng)能向熱能的轉(zhuǎn)變,所以湍動(dòng)能耗散率的降低和小尺度脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)減少勢必造成系統(tǒng)能量不平衡,要維持平衡將迫使湍動(dòng)能增大,即提高耗散率.由式(7)可知,湍動(dòng)能增大的物理表現(xiàn)是湍流強(qiáng)度的提高,由式(3)中的pij項(xiàng)可知,湍流強(qiáng)度的提高必須增大平均運(yùn)動(dòng)的變形率,平均運(yùn)動(dòng)的變形率向湍流脈動(dòng)輸入平均能量,這將導(dǎo)致平均速度減小,以致出現(xiàn)迎風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)隨湍流積分尺度的增大而略降現(xiàn)象(圖3(a)).因湍流積分尺度增大導(dǎo)致湍流強(qiáng)度提高,文獻(xiàn)[13]的研究指出,湍流強(qiáng)度的提高分流剪切流附著性提前出現(xiàn),渦脫強(qiáng)度降低,空氣夾帶能力減弱,這將導(dǎo)致負(fù)壓區(qū)的平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值和風(fēng)壓系數(shù)均方根均減小(圖3).側(cè)面風(fēng)壓與分離流的附著、來流風(fēng)速和湍流強(qiáng)度有關(guān),背面風(fēng)壓受旋渦結(jié)構(gòu)、旋渦分布等有關(guān),受來流風(fēng)速和湍流強(qiáng)度的影響很小.

3.3 氣動(dòng)力沿高度的變化

為研究湍流積分尺度對(duì)阻力的影響,計(jì)算了不同湍流積分尺度的測點(diǎn)層高度z處的平均阻力系數(shù),見圖4.

圖4 層平均阻力系數(shù)沿高度變化Fig.4 Mean drag coefficient of the layer at different height

由圖4可知:平均阻力系數(shù)沿高度的變化與文獻(xiàn)[14]和文獻(xiàn)[15]風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果基本一致,且模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[14]更接近，沿高度方向風(fēng)速逐漸增大,平均阻力系數(shù)也逐漸增大，至0.85H處,頂部受三維流態(tài)的影響,其值出現(xiàn)降低現(xiàn)象[14]，相比風(fēng)洞試驗(yàn),數(shù)值模擬受三維流態(tài)的影響偏小,這可能是兩者的邊界條件不同所致；湍流積分尺度越大,平均阻力系數(shù)越小,且沿高度方向變化,降幅5%～10%,其原因是阻力包括迎風(fēng)面來流風(fēng)與壁面的碰撞和背面旋渦脫落產(chǎn)生的負(fù)壓,湍流積分尺度的增大雖然使得迎風(fēng)面風(fēng)速略增,但背面分離流附著性增強(qiáng),負(fù)壓絕對(duì)值減小,以致阻力系數(shù)總體上表現(xiàn)為降低.

圖5 斯托羅哈數(shù)(Sr)沿高度變化Fig.5 Strouhal number at different height

由圖5可知,湍流積分尺度并沒有改變Sr沿高度變化趨勢.湍流積分尺度越大,Sr沿高度增大相對(duì)越小,0.4H高度以下兩者相差很小,0.4H至0.9H其值降低了約30%,0.9H以上其值降低了約20%,可見湍流積分尺度越大,渦脫落頻率越低.

結(jié)合圖4和圖5可知：在1/3H以下,湍流積分尺度對(duì)測點(diǎn)層平均阻力系數(shù)和斯托羅哈數(shù)的影響不明顯;當(dāng)高度大于1/3H時(shí),其影響越來越明顯,這是因?yàn)轱L(fēng)速沿高度逐漸增大,底部雖然湍流強(qiáng)度大,但風(fēng)速偏小.可見湍流積分尺度對(duì)高層建筑風(fēng)荷載有明顯的影響,且風(fēng)速越大,影響越顯著.

3.4 流線分析

為獲得不同湍流積分尺度下的繞流特征,利用CFD的優(yōu)勢,獲得2/3H高處x-y平面的流線圖;為重點(diǎn)研究細(xì)部繞流特性,選取了關(guān)鍵部位流線圖進(jìn)行分析,見圖6.

由圖6可知:

與φ=1相比,當(dāng)φ=0.4時(shí),迎風(fēng)面剪切分離流距側(cè)面越遠(yuǎn),旋渦的尺度更大,側(cè)面和背面均存在大尺度旋渦,表現(xiàn)為較強(qiáng)的渦脫性,尾流寬度大;當(dāng)φ=1時(shí),雖然旋渦的尺度小,但尾流寬度小,剪切分離流在側(cè)面和背面均表現(xiàn)較好的附著性.

(a) 湍流積分尺度調(diào)整系數(shù)為0.4時(shí)(b) 湍流積分尺度調(diào)整系數(shù)為1時(shí)圖6 z=2/3H高處x-y平面流線Fig.6 x-y plan streamlined diagram at z=2/3H height

3.5 頻譜比較與分析

以下進(jìn)一步研究湍流積分尺度對(duì)基底力矩譜的影響,見圖7(圖中:橫坐標(biāo)為斯托羅哈數(shù);縱坐標(biāo)中σMz、σMx和σMy分別為基底扭矩均方根、基底順風(fēng)向彎矩均方根和基底橫風(fēng)向彎矩均方根,SMz(f)、SMx(f)和SMy(f)分別為基底扭矩功率譜密度、順風(fēng)向基底彎矩功率譜密度和橫風(fēng)向基底彎矩功率譜密度.

由圖7(a)可知，隨湍流積分尺度增大,基底扭矩譜的峰值減小,但降幅很小，頻帶明顯變窄,高頻段幅值降低,原因是增大湍流積分尺度,伴隨小尺度脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)量減少[4],附著提前出現(xiàn)(見圖6),這不但導(dǎo)致紊流對(duì)扭矩的貢獻(xiàn)降低,而且改變了能量在各頻域帶的分布,譜頻帶變窄.

由圖7(b)可知，順風(fēng)向基底彎矩譜峰值不明顯,譜頻帶較寬,不同湍流積分尺度的順風(fēng)向彎矩譜發(fā)展趨勢基本一致，湍流積分尺度越大,高頻段幅值越低,這是由于湍流積分尺度的增大導(dǎo)致背面旋渦脫落強(qiáng)度降低所致.

由圖7(c)可知，隨湍流積分尺度增大,橫風(fēng)向基底彎矩譜峰值基本不變,但渦脫頻率降低、高頻段的幅值減小,低頻段幅值略顯升高趨勢,原因是隨湍流積分尺度的增大,大尺度的脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)相對(duì)增多和小尺度脈動(dòng)減少[4].

Richardson[4]認(rèn)為:

大尺度湍流脈動(dòng)是蓄能池,小尺度湍流脈動(dòng)將湍動(dòng)能轉(zhuǎn)變成熱能進(jìn)行耗散,即能量主要集中在大尺度的湍流脈動(dòng)上,所以低頻段出現(xiàn)能譜升高、高頻段幅值降低的現(xiàn)象;其次,橫風(fēng)向基底彎矩主要來源于漩渦脫落誘發(fā)的氣動(dòng)力,紊流對(duì)其也有一定貢獻(xiàn).隨湍流積分尺度的增大,湍流強(qiáng)度增大,側(cè)面風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值減小也有關(guān).

(a) 基底扭矩譜(b) 順風(fēng)向基底彎矩譜(c) 橫風(fēng)向基底彎矩譜圖7 不同湍流積分尺度的氣動(dòng)力譜Fig.7 Aerodynamic forces spectra with different turbulence integral lengths

3.6 相關(guān)性

相關(guān)系數(shù)是兩個(gè)隨機(jī)變量存在線性依賴的一種測度,湍流積分尺度對(duì)氣動(dòng)力相關(guān)性的影響是一個(gè)值得重視的問題,本文定義模型高度方向上任意兩層氣動(dòng)力時(shí)程或同一水平面上模型表面任意兩點(diǎn)壓力時(shí)程r、s的相關(guān)系數(shù)為

(16)

式中:r=1,2,…,R；s=1,2,…,n;CoVF(zr,zs)為高度zr和zs風(fēng)力協(xié)方差;σF(zr)和σF(zs)和分別為高度zr和zs的風(fēng)力根方差;n(或R)為模型測點(diǎn)層數(shù).

3.6.1水平相關(guān)性

以第五層測點(diǎn)(即H=406 mm)為例進(jìn)行風(fēng)壓水平相關(guān)性分析,按照式(11)計(jì)算迎風(fēng)面、上側(cè)面和背面各自面內(nèi)中間測點(diǎn)與其它測點(diǎn)的風(fēng)壓相關(guān)系數(shù),見圖8.圖中：x為距中點(diǎn)的距離,迎風(fēng)面下部為負(fù),上部為正;側(cè)面左邊為負(fù),右邊為正;背面上部為負(fù),下部為正;d為測點(diǎn)所在面的邊長.由圖8可知：兩測點(diǎn)的距離越大,風(fēng)壓相關(guān)系數(shù)越小;相同距離測點(diǎn)相關(guān)系數(shù)值表現(xiàn)為迎風(fēng)面的最大,背風(fēng)面最??；相關(guān)系數(shù)隨湍流積分尺度增大而減小,且測點(diǎn)間距越大,差異越明顯；隨測點(diǎn)距離的減小,不同湍流積分尺度計(jì)算得到的相關(guān)系數(shù)的差值呈現(xiàn)降低趨勢,且不同的面存在較明顯差異.

迎風(fēng)面湍流積分尺度小時(shí),風(fēng)壓水平相關(guān)曲線表現(xiàn)良好的對(duì)稱性(圖8(a)),這表明旋渦分布更均勻.隨湍流積分尺度的增大,風(fēng)壓水平相關(guān)系數(shù)最大降幅為4.5%, 可見湍流積分尺度對(duì)迎風(fēng)面風(fēng)壓相關(guān)性的影響很小.側(cè)面風(fēng)壓水平相關(guān)曲線表現(xiàn)為湍流積分尺度越小,風(fēng)壓水平相關(guān)曲線對(duì)稱性越差,尤其在下風(fēng)向更突出,甚至出現(xiàn)驟降現(xiàn)象.隨湍流積分尺度的增大,側(cè)面上風(fēng)向風(fēng)壓水平相關(guān)系數(shù)的增幅很小,但下風(fēng)向增幅達(dá)到15%～25%(圖8(b)).這是由于湍流積分尺度小時(shí)湍流強(qiáng)度也小,側(cè)面旋渦脫落性強(qiáng),風(fēng)壓脈動(dòng)性強(qiáng)(圖3),以致風(fēng)壓相關(guān)性差，且由于側(cè)面上下風(fēng)向旋渦尺度和旋渦強(qiáng)度不同(圖6),所以脈動(dòng)風(fēng)壓不同步,以致相關(guān)性較差,甚至出現(xiàn)驟降.

由圖8(c)可知:不同湍流積分尺度背面風(fēng)壓相關(guān)系數(shù)相差5%～10%,這與背面風(fēng)壓與背面旋渦的尺度、結(jié)構(gòu)及分布的影響有關(guān),受來流風(fēng)速和湍流強(qiáng)度的影響相對(duì)較小.雖然增大湍流積分尺度會(huì)導(dǎo)致湍流強(qiáng)度增大,但湍流強(qiáng)度的變化對(duì)背面風(fēng)壓的影響很小.

可見風(fēng)壓水平相關(guān)性受湍流積分尺度的影響較大,由于湍流積分尺度的增大,湍流強(qiáng)度增大,側(cè)面分離剪切流在側(cè)面提前附著,導(dǎo)致側(cè)面和背面的平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值和脈動(dòng)值均降低,風(fēng)壓的相關(guān)系數(shù)提高.

3.6.2豎向相關(guān)性

以第4層測點(diǎn)為基準(zhǔn),計(jì)算不同湍流積分尺度時(shí)各測點(diǎn)層升力相關(guān)系數(shù)(RL)和阻力相關(guān)系數(shù)(RD),見圖9.

由圖9可知:在0.8H以下,不同湍流積分尺度的測點(diǎn)層升力和阻力相關(guān)系數(shù)的差值很小,可不考慮其對(duì)相關(guān)性的影響;隨高度的增加,湍流積分尺度的影響逐漸增大,值得注意的是層升力相關(guān)系數(shù)的變化很小,層阻力相關(guān)系數(shù)的增幅頗為明顯,尤其是靠近建筑物頂部,最大增幅約50%,這可能受頂部三維流態(tài)的影響所致[14].雖然湍流積分尺度對(duì)0.8H高度以上的層阻力相關(guān)系數(shù)影響明顯,但影響范圍有限,可以認(rèn)為湍流積分尺度對(duì)氣動(dòng)力的豎向相關(guān)性的影響很小,建議不予考慮.

(a) 迎風(fēng)面測點(diǎn)(b) 側(cè)面測點(diǎn)(c) 背面測點(diǎn)圖8 z=2/3H高處各面測點(diǎn)風(fēng)壓水平相關(guān)系數(shù)Fig.8 Correlation coefficients of wind pressure in horizontal on respective plane at z=2/3H height

(a) RL(b) RD圖9 不同測點(diǎn)層升力相關(guān)系數(shù)和阻力相關(guān)系數(shù)Fig.9 Correlation coefficients of drags and lifts among different layers

4 結(jié) 論

本文采用大渦模擬的方法,在入口處保持速度、湍流強(qiáng)度、湍動(dòng)能不變的前提下,研究了湍流積分尺度對(duì)高層建筑風(fēng)荷載的影響,得到以下結(jié)論:

(1) 增大湍流積分尺度會(huì)使得各面的風(fēng)壓系數(shù)均方根均降低,迎風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)略增,側(cè)面和背風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值均減小.湍流積分尺度為k1時(shí)的模擬結(jié)果與試驗(yàn)值更吻合.

(2) 隨湍流積分尺度的增大,平均運(yùn)動(dòng)的變形率向湍流脈動(dòng)輸入平均能量,導(dǎo)致平均風(fēng)速略降，湍流強(qiáng)度略增;橫風(fēng)向漩渦脫落頻率減小;基底扭矩譜和橫風(fēng)向基底彎矩譜的峰值及高頻段譜幅值均呈降低趨勢.B類地貌湍流積分尺度調(diào)整系數(shù)為0.4時(shí),計(jì)算精度更高,計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)值更吻合.

(3) 隨湍流積分尺度的增大,測點(diǎn)層阻力系數(shù)平均值和斯托羅哈數(shù)均沿高度方向呈降低趨勢,高度1/3H以下時(shí)表現(xiàn)不明顯,但1/3H以上時(shí)影響逐漸增強(qiáng).

(4) 湍流積分尺度的增大,會(huì)導(dǎo)致湍流強(qiáng)度增大,側(cè)面和背面剪切分離流附著性提前出現(xiàn),旋渦脫落能力減弱,表現(xiàn)為斯托羅哈數(shù)值降低，負(fù)壓區(qū)風(fēng)壓得以恢復(fù),風(fēng)壓水平相關(guān)性增強(qiáng),但對(duì)豎向風(fēng)壓相關(guān)性的影響很小.

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