串列布局下風(fēng)阻效應(yīng)對上游建筑立面風(fēng)驅(qū)雨的影響研究

王 輝, 宋文慧, 孫建平

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510640)

風(fēng)驅(qū)雨(wind-driven rain,WDR)是建筑壁面最主要的水分來源之一。水分在建筑壁面累積和遷移會導(dǎo)致許多工程問題[1],深入研究并掌握降雨過程中建筑立面的WDR分布特性是解決當(dāng)前諸多工程問題的重要基礎(chǔ)。

目前,對于建筑WDR有3種分析方法,即現(xiàn)場實(shí)測[2]、半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚3]和計(jì)算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)數(shù)值模擬[4-7]。由于CFD數(shù)值模擬耗時(shí)短、分析成本低、獲取數(shù)據(jù)信息較為完整,現(xiàn)已成為建筑WDR的主要研究手段。文獻(xiàn)[8]通過三維穩(wěn)態(tài)雷諾平均Navier-Stokes方程(Reynolds Averaged Navier-Stokes equations,RANS)和標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型對風(fēng)場進(jìn)行求解,并采用拉格朗日粒子追蹤方法(Lagrangian Particle Tracking,LPT)計(jì)算雨滴軌跡;針對LPT方法存在的缺點(diǎn),文獻(xiàn)[4]提出基于歐拉多相流(Eulerian multiphase,EM)模型的數(shù)值模擬方法,并結(jié)合建筑迎風(fēng)立面WDR的實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了方法的準(zhǔn)確性,該方法已在WDR研究領(lǐng)域逐漸得到應(yīng)用[4-7]。

建筑物對風(fēng)場產(chǎn)生擾動作用的現(xiàn)象稱為風(fēng)阻效應(yīng)[9-11],其會導(dǎo)致來流風(fēng)速降低并在建筑物近壁面區(qū)域和上方區(qū)域產(chǎn)生回旋氣流[12],直接影響WDR場的雨滴運(yùn)動軌跡和WDR在建筑表面的分布。目前,針對WDR場風(fēng)阻效應(yīng)的相關(guān)研究很少,文獻(xiàn)[9-10]分別研究了4種典型孤立建筑模型的WDR分布情況,結(jié)果表明風(fēng)阻效應(yīng)是影響立面WDR分布的決定因素之一,且不同尺度建筑的風(fēng)阻效應(yīng)存在明顯差異,但其研究均缺乏對建筑尺度變化所產(chǎn)生影響的系統(tǒng)性考量,未深入研究風(fēng)阻效應(yīng)隨建筑立面高度和寬度變化對立面WDR的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[11]對不同尺度的建筑開展不同布局下WDR場研究,結(jié)果表明下游建筑造成的風(fēng)阻效應(yīng)使上游建筑的WDR減小,但并未對削減作用進(jìn)行定量分析。目前,針對風(fēng)阻效應(yīng)對WDR分布的影響,開展系統(tǒng)的定量化研究是深入揭示建筑WDR分布特性、建立有關(guān)精準(zhǔn)預(yù)測模型的基礎(chǔ)。本文基于EM模型,以風(fēng)場來流方向上前后2幢建筑布局為對象,使用FLUENT軟件模擬分析下游建筑高度變化對上游建筑表面WDR分布的影響,獲取有關(guān)分布影響規(guī)律與特性。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 邊界條件

對于風(fēng)場，建立以realizableκ-ε湍流模型封閉求解的RANS控制方程；對于雨場，基于EM模型假設(shè),假定雨滴為連續(xù)相,雨滴按粒徑D分為N相(D∈[Dk-ΔD/2,Dk+ΔD/2],k=1, 2,…,N)。其中:Dk為第k相雨滴的粒徑;ΔD=Dk-Dk-1,為相鄰相的粒徑差。第k雨相的控制方程為:

(1)

(2)

其中:ρw為雨水密度;αk為第k雨相的體積分?jǐn)?shù);uki、ukj分別為沿i、j方向的速度分量;gi為i方向的重力加速度分量;μ為空氣黏度;CD為阻力系數(shù);ReR為相對雷諾數(shù);ui為沿i方向的速度分量。

1.2 計(jì)算區(qū)域設(shè)置

以2幢建筑組成的串列布局為對象,如圖1所示。

圖1 串列布局模型

圖1中,上游建筑長、寬、高尺寸為L1×B1×H1=50 m×10 m×10 m,下游建筑L2×B2=50 m×10 m,高度H2分別為10、20、30、40、50 m,2幢建筑間距為20 m。由于建筑迎風(fēng)立面WDR分布與u10呈線性關(guān)系[12],故水平風(fēng)速僅取u10=10 m/s,水平降雨強(qiáng)度Rh分別設(shè)定為0.25、0.50、1.00、2.00 mm/h。依據(jù)體積分?jǐn)?shù)占優(yōu)原則,選取0.25～3.00 mm(間隔為0.25 mm)共12種雨滴粒徑。

依據(jù)文獻(xiàn)[13-14]提出的原則確定計(jì)算域,利用ICEM CFD軟件進(jìn)行建模和劃分網(wǎng)格,網(wǎng)格采用六面體結(jié)構(gòu)化單元,下游建筑H2=30 m的計(jì)算域及相應(yīng)的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

對于風(fēng)相,入口邊界風(fēng)速為指數(shù)型風(fēng)剖面,地面粗糙度類別為B類。風(fēng)相邊界條件的設(shè)置見表1所列。表1中:z、z0分別為任意高度和標(biāo)準(zhǔn)參考高度;Ks為粗糙度高度。

圖2 H2=30 m的計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

表1 風(fēng)相邊界條件

對于雨相,入口及計(jì)算域頂面處水平速度與來流風(fēng)速相等,其余邊界條件與風(fēng)相的邊界條件相同。入口及計(jì)算域頂面的雨相體積分?jǐn)?shù)表達(dá)式為:

(3)

其中:fh(Rh,D)為雨滴通量分?jǐn)?shù);vt(D)為雨滴降落末速度。

考慮到雨滴撞擊壁面后的吸附情況,壁面的邊界條件規(guī)定為:

(4)

其中,n為邊界面法向量,指向計(jì)算域外。

1.3 WDR參數(shù)

引入抓取率η和特定抓取率ηD(D)來描述建筑立面WDR相對Rh的大小,表達(dá)式為:

(5)

(6)

其中:Rwdr(D)、Rh(D)分別為雨滴在該點(diǎn)處的WDR雨強(qiáng)和水平降雨強(qiáng)度;αD為雨滴在該點(diǎn)處的體積分?jǐn)?shù);|vn(D)|為雨滴在該點(diǎn)處沿建筑表面法向的速度大小。

2 結(jié)果分析

2.1 風(fēng)阻效應(yīng)對上游建筑的整體影響

結(jié)合雨滴運(yùn)動狀態(tài)分析η分布特性,2種粒徑雨滴在4種H2取值下的雨跡線對比如圖3所示。由圖3可知,下游建筑的存在會對雨滴軌跡產(chǎn)生影響,且隨著下游建筑的高度增加,影響更加顯著。

在4種Rh取值下上游建筑迎風(fēng)立面η分布云圖如圖4所示。

圖3 2種粒徑雨滴在4種H2取值下的雨跡線對比

圖4 上游建筑迎風(fēng)立面η分布

由圖4可知,不論H2如何變化,上游建筑迎風(fēng)立面η始終遵循與孤立建筑相似的分布規(guī)律,呈左右對稱分布且自下而上、從中心向兩側(cè)逐漸增大,在上邊緣拐角處取得最大值,而最小值則出現(xiàn)在中下部;η總體分布規(guī)律未出現(xiàn)較大差異是由于下游建筑的風(fēng)阻效應(yīng)僅降低了上游建筑迎風(fēng)立面附近的來流風(fēng)速,并未改變風(fēng)場整體形態(tài)。上游建筑迎風(fēng)立面η明顯小于孤立建筑布局時(shí)的η,且隨著H2增大,上游建筑迎風(fēng)立面的整體η越來越小,表明下游建筑的存在會對上游建筑WDR的η產(chǎn)生削減作用。

與孤立建筑布局情況相同,串列布局時(shí)上游建筑迎風(fēng)立面η的最大值ηmax同樣出現(xiàn)于上邊緣拐角處,下游建筑風(fēng)阻效應(yīng)不改變ηmax出現(xiàn)的位置,但總體會導(dǎo)致ηmax發(fā)生變化。4種Rh取值時(shí)ηmax隨H2的變化曲線如圖5所示。

圖5 4種Rh取值時(shí)ηmax隨H2變化曲線

由圖5可知,當(dāng)H2=H1=10 m時(shí),ηmax比孤立建筑布局時(shí)稍增大,最大增加3.34%(Rh=0.25 mm/h);當(dāng)H2>H1時(shí),ηmax比孤立建筑布局時(shí)顯著減小,且隨著H2增大而不斷減小,減小幅度最大可達(dá)31.58%(Rh=0.25 mm/h),最小幅度亦有27.52%(Rh=2.00 mm/h)。

2.2 風(fēng)阻效應(yīng)對上游建筑影響定量分析

2.2.1 迎風(fēng)立面豎直中線位置

3種Rh取值時(shí),上游建筑迎風(fēng)立面η沿豎直中線的分布如圖6所示。圖6中,h為豎直中線上點(diǎn)的高度。由圖6可知,當(dāng)H2=H1=10 m時(shí),η值比孤立建筑布局時(shí)稍增大;當(dāng)H2>H1時(shí),η值比孤立建筑布局時(shí)顯著減小,且H2越大,η值越小,減小幅度也越大。

為進(jìn)一步比較風(fēng)阻效應(yīng)對上游建筑WDR的影響特性,采用η/ηisol值定量分析上游建筑迎風(fēng)立面豎直中線位置WDR的分布,ηisol為孤立建筑的迎風(fēng)立面抓取率。3種Rh取值時(shí),上游建筑迎風(fēng)立面η/ηisol沿豎直中線的分布情況如圖7所示。圖7中,水平斷虛線為η/ηisol=1.0參照線，下同。

由圖7可知,當(dāng)H2=H1=10 m時(shí),η/ηisol值均大于1.0;此時(shí),在迎風(fēng)立面下部區(qū)域η/ηisol值變化不穩(wěn)定,上升至一定高度后,呈先增大后減小的趨勢,在最高處取最小值(大于1.0),最小為1.02,表明當(dāng)H2=H1時(shí),在上游建筑迎風(fēng)立面豎直中線處,下游建筑產(chǎn)生的風(fēng)阻效應(yīng)對上游建筑WDRη的影響隨h增大逐漸減弱,在最高處影響最弱。

當(dāng)H2>H1時(shí),沿中線位置的點(diǎn)上升至一定高度后,η/ηisol值隨h增大而增大,在最高處取最大值(小于1.0),所有工況中最大可達(dá)0.93,表明當(dāng)H2>H1時(shí),在上游建筑迎風(fēng)立面豎直中線上,下游建筑的風(fēng)阻效應(yīng)對上游建筑WDRη的影響隨h增大逐漸減弱,在最高處影響最弱。而隨著H2增大,η/ηisol值越來越遠(yuǎn)離1.0,即風(fēng)阻效應(yīng)的影響愈加接近孤立建筑時(shí)的受擾情況。

圖6 上游建筑迎風(fēng)立面η沿豎直中線的分布

圖7 上游建筑迎風(fēng)立面η/ηisol沿豎直中線的分布

2.2.2 迎風(fēng)立面?zhèn)冗吘壩恢?/p>

3種Rh取值時(shí),上游建筑迎風(fēng)立面η沿側(cè)邊緣線的分布如圖8所示。從圖8可以看出，與圖6相比,側(cè)邊緣線的η分布與豎直中線處的分布趨勢大致相同,但整體大于豎直中線處的η值,同一降雨條件下相差最大值為0.68。

3種Rh取值時(shí),上游建筑迎風(fēng)立面η/ηisol沿側(cè)邊緣線的分布如圖9所示。

圖8 上游建筑迎風(fēng)立面η沿側(cè)邊緣線的分布

圖9 上游建筑迎風(fēng)立面η/ηisol沿側(cè)邊緣線的分布

從圖9可以看出，與圖7相似,當(dāng)H2=H1=10 m時(shí),上游建筑迎風(fēng)立面沿側(cè)邊緣線上任意點(diǎn)的η/ηisol值均大于1.0,η/ηisol值除了在下部區(qū)域稍有增加,基本上隨h增大而減小,在最高處取最小值(大于1.0),表明當(dāng)H2=H1時(shí),在沿上游建筑迎風(fēng)立面?zhèn)冗吘壘€上,下游建筑的風(fēng)阻效應(yīng)對其WDRη的影響隨h增大先增強(qiáng)后減弱,在最高處影響最弱。當(dāng)H2>H1時(shí),η/ηisol值均小于1.0,η/ηisol值在下部區(qū)域時(shí)隨h增大而減小,而后隨h增大而增大,在最高處取最大值(小于1.0)。類似地,當(dāng)H2>H1時(shí),在沿上游建筑迎風(fēng)立面?zhèn)冗吘壘€上,下游建筑的風(fēng)阻效應(yīng)對上游建筑WDRη的影響隨h增大先增強(qiáng)后減弱,在最高處影響最弱。

3 結(jié) 論

(1) 下游建筑的風(fēng)阻效應(yīng)對上游建筑迎風(fēng)立面前來流區(qū)域的風(fēng)場流動影響微弱,因此后者迎風(fēng)立面上WDR分布規(guī)律與孤立建筑布局時(shí)相比并無較大差異。

(2) 當(dāng)下游建筑高度H2等于上游建筑高度H1時(shí),上游建筑迎風(fēng)立面(豎直中線處和側(cè)邊緣線處)WDR抓取率比孤立建筑布局時(shí)略增大;當(dāng)H2>H1時(shí),上游建筑迎風(fēng)立面WDR抓取率比孤立建筑布局顯著減小,且減小幅度隨H2增大而增大。

(3) 采用比值η/ηisol定量描述下游建筑的風(fēng)阻效應(yīng)對上游建筑WDR的影響特性。對于模擬的工況(上游建筑豎直中線處和側(cè)邊緣線處),無論下游建筑的風(fēng)阻效應(yīng)對上游建筑迎風(fēng)立面的WDR抓取率有增大(當(dāng)H2=H1時(shí))或減小(當(dāng)H2>H1時(shí))作用,η/ηisol隨位置點(diǎn)高度增加均逐漸趨向于1.0,即風(fēng)阻效應(yīng)的影響總是隨位置點(diǎn)高度的增大而越來越接近孤立建筑時(shí)的受擾情況。此外,η/ηisol隨著H2增大而逐漸遠(yuǎn)離1.0,表明H2增加使風(fēng)阻效應(yīng)對串列布局建筑的影響更加明顯。