數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)與風(fēng)荷載規(guī)范研究

王沾祎，鐘濤，陳祺，何繼明

（中機中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039）

1 引言

數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)是利用計算流體動力學(xué)（CFD）在計算機上模擬結(jié)構(gòu)周圍風(fēng)場的變化，并求解結(jié)構(gòu)表面風(fēng)荷載的方法。本文采用Fluent 17.0 進(jìn)行風(fēng)場模擬，分別驗證數(shù)值風(fēng)洞的可靠性，研究不同風(fēng)向角下低矮建筑雙坡屋面表面風(fēng)壓的分布特點和討論正多邊形整體阻力系數(shù)在JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱《高規(guī)》）和GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（以下簡稱《荷規(guī)》）中的差異性。

2 分析有效性驗證

在Fluent 中建立如圖1 所示的模型，其中，L=732m，B=252m，H=180m，l=12m，b=12m，h=20m。流場為均勻流場，來流風(fēng)速V=20m/s。

圖1 幾何模型圖

3 雙坡屋面風(fēng)壓分析

3.1 方法介紹

現(xiàn)行荷載規(guī)范考慮了不同屋面坡角對雙坡屋面體型系數(shù)的影響，但未考慮不同風(fēng)向角的影響，而風(fēng)向角也是影響雙破屋面風(fēng)壓分布的主要因素之一。選取典型雙坡屋面作為基準(zhǔn)建立幾何模型，平面尺寸為20m×10m，屋脊高度11.34m，屋檐高度10m，屋面坡度為15°。采用ANSYS 17.0 有限元劃分軟件ICEM 進(jìn)行單元劃分，風(fēng)場計算域的幾何尺寸（長×寬×高）為150m×150m×60m。阻塞率為2.5%，小于3%，可忽略進(jìn)出口邊界條件的影響。入口邊界取至建筑物距離大于4h，出口邊界位于建筑物后大于7h，以保證流動達(dá)到充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)。采用具有良好適應(yīng)性的四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，經(jīng)過多次計算嘗試和通過網(wǎng)格無關(guān)性檢驗，本項目最終采用的網(wǎng)格總數(shù)達(dá)到2.45×106。

計算流域入流處采用速度邊界條件， 根據(jù)基本風(fēng)壓0.30kN/m2折算標(biāo)準(zhǔn)地貌下基準(zhǔn)風(fēng)速V10=21.9m/s。出口采用完全發(fā)展出流邊界條件，頂部和兩側(cè)采用對稱邊界條件，建筑物表面和地面是固定不動，不發(fā)生移動的，故采用無滑移的壁面條件。物理模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型進(jìn)行風(fēng)場仿真， 按0°、30°、60°、90°進(jìn)行 4 個風(fēng)向角分析【2～4】。

3.2 結(jié)果分析

建筑表面風(fēng)壓分布會隨著風(fēng)向角的變化而改變。根據(jù)荷載規(guī)范和數(shù)值風(fēng)洞計算結(jié)果可知對于屋面坡度15°的緩坡人字形屋頂，其迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡都被流體分離區(qū)覆蓋，從而使整個屋頂都處于負(fù)壓狀態(tài)。當(dāng)來流與建筑物正面存在30°～60°夾角時，沿屋面邊緣會產(chǎn)生氣流分離和錐狀漩渦，這種渦旋的中心會產(chǎn)生很大的吸力，從而使屋脊背部和山墻屋面交界處處于高負(fù)壓區(qū)，進(jìn)而破壞屋面維護結(jié)構(gòu)。在風(fēng)向角為0°的模型背風(fēng)面形成了2 個對稱的旋渦且在兩側(cè)墻范圍內(nèi)無流動再附現(xiàn)象，使得側(cè)墻也被分離區(qū)完全包圍從而產(chǎn)生較大的吸力。而風(fēng)向角為90°的模型中，順風(fēng)向尺寸較大，使得來流在其前緣拐角處產(chǎn)生分離后在側(cè)墻上再附著，分離區(qū)并沒有覆蓋整個側(cè)面，故其產(chǎn)生的吸力相對較小。

4 正多邊形建筑阻力系數(shù)

阻力系數(shù)是指物體所受阻力與來流動壓和參看面積之比，是一個無量綱量。在建筑相關(guān)規(guī)范中，阻力系數(shù)為來流風(fēng)方向體型系數(shù)根據(jù)面積加權(quán)平均之和，通常阻力系數(shù)與物體的形狀及表面特性有關(guān)。本節(jié)就《荷規(guī)》及《高規(guī)》中正六邊形和正八邊形截面建筑的阻力系數(shù)進(jìn)行分析研究。荷規(guī)與高規(guī)中體型系數(shù)的給定值見圖2，從規(guī)范上可以看出，若正八邊形和正六邊形平面建筑橫截面寬度相同，《荷規(guī)》中的整體阻力系數(shù)為0.90 和1.03，而《高規(guī)》中給出的數(shù)值是1.29 和1.22。

圖2 體型系數(shù)

對比可知，2 本規(guī)范中，相同平面和截面的建筑在相同順風(fēng)向風(fēng)力作用下的阻力系數(shù)相差較大?！逗梢?guī)》中正八邊形的阻力系數(shù)大于正六邊形的，而《高規(guī)》則相反。同時，《高規(guī)》中給出的正多邊形整體阻力系數(shù)均大于《荷規(guī)》給定值。一般地，房屋高度大于24m 除住宅外的其他民用住宅為高層建筑，即2本規(guī)范阻力系數(shù)的適用范圍取決于房屋高度，也可認(rèn)為引起相同平面和截面建筑阻力系數(shù)差異的主要原因是房屋高度。基于此，假設(shè)使用幾何建模軟件Rhino 分別建立截面寬度相同的4 個建筑模型，2 個正六邊形平面和2 個正八邊形平面，高度分別為20m、20m、60m、60m。再應(yīng)用Fluent 建立建筑模型的相應(yīng)風(fēng)場進(jìn)行風(fēng)壓分析，分析結(jié)果表明，各建筑整體阻力系數(shù)與規(guī)范給出值基本相同。棱柱體正面風(fēng)壓主要由來流撞擊引起，背面、側(cè)面和頂面的風(fēng)壓主要由氣流分離及其產(chǎn)生的旋渦引起。由于建筑高度的不同，風(fēng)經(jīng)過60m 高的棱柱體時側(cè)面繞流作用更大，即求得的阻力系數(shù)相對于20m 高的棱柱體更大。

5 結(jié)語

對于體型較簡單的結(jié)構(gòu)，數(shù)值風(fēng)洞采用的數(shù)值模型計算結(jié)果誤差可以滿足工程精度要求?！逗梢?guī)》中給出的體型系數(shù)一般是根據(jù)相應(yīng)于建筑最大截面垂直方向的風(fēng)壓分布得出，而實際情況中有一定風(fēng)向角時，建筑局部會產(chǎn)生較大集中力，如雙坡屋面的局部高負(fù)壓等，設(shè)計中需格外注意。對比《荷規(guī)》和《高規(guī)》可知，相同截面、相同平面的建筑因整體高度不同阻力系數(shù)也可能不同，如正六邊形和正八邊形平面建筑的差異，設(shè)計中需根據(jù)建筑高度嚴(yán)格執(zhí)行相應(yīng)規(guī)范。