工业厂房风场数值模拟和抗风优化

马 骏

（上海国际旅游度假区建设工程指挥部办公室工程部，上海201205）

工业厂房风场数值模拟和抗风优化

马 骏

（上海国际旅游度假区建设工程指挥部办公室工程部，上海201205）

摘要:工业厂房跨度大、自重轻、刚度小决定了其抗风性能较差。在台风频发的东南沿海，风致破坏成为轻钢结构损伤破坏的最主要因素。基于计算流体动力学方法（CFD），利用FLUENT软件对工业厂房的风场绕流特性和表面风压分布进行数值模拟，获得不同风向角下结构风压分布，又分析了厂房弧顶矢跨比以及高宽比对风载体型系数分布和结构风致整体合力的影响。结果表明，结构参数的选择既要考虑实际使用，又要防止因结构参数和风向角的变化引起风载合力的增大。根据数值模拟结果给出工业厂房抗风优化建议，为该类常用结构抗风设计提供参考。

关键词:工业厂房；计算流体动力学方法；风载体型系数；抗风优化

随着我国经济的快速发展，工业厂房建设量多面广。目前，我国单层厂房居多，且以门式刚架轻钢结构为主。该形式的结构跨度大、空间广、功能灵活、施工方便，是我国东南沿海经常采用的结构形式，广泛用于地铁站、仓库、工厂等。此类风敏感结构风致结构毁损事故时有报道，结构抗风设计问题应值得重视［1］。

目前建筑物风场分析有三种方法:现场实测、风洞试验和数值风洞［2］。楼文娟［3］、周日亘毅［4］等用风洞试验的方法分别研究了台风风场作用下体育场罩棚风压分布和某机场航站楼屋面风荷载特性、屋面风压分布形成的机理。由于现场实测和风洞试验花费高昂、周期长、作业量大，数值模拟方法成本低廉，周期短 ，易实现多工况模拟，且不存在缩尺比效应。同时，随着计算机性能的改善和计算方法的改进，数值风洞可得到可靠的数值结果，满足工程设计要求。郑德乾、顾明［4］等利用FLUENT软件数值分析了世博轴大跨膜结构的屋面平均风荷载，通过与风洞试验结果对比，验证数值模拟计算的有效性。贾永新、张勇［5］等研究了开敞式拱形波纹钢屋盖的风压分布及风载体型系数，得出结构风压分布规律。本文基于计算流体动力学方法（CFD），利用FLUENT对工业厂房空间结构的风场绕流特性和表面风压分布进行数值模拟，得到不同风向角下结构风压分布趋势，分析了高宽比和矢跨比对风压系数分布的影响，利用FLUENT中用户自定义函数（UDF），通过风压表面积分方法得到工业厂房空间结构风荷载合力，为该类结构抗风优化提供建议［6-7］。

1　数值模拟方法

基于雷诺平均法和k-ε两方程湍流模型进行数值模拟，运用压力校正算法进行离散方程的解耦和求解。选用非平衡壁面函数修正湍流模型模拟壁面附近复杂的流动现象 ，减少壁面效应。为增强数值模拟计算的稳定性，SIMPLEC算法中引入一阶迎风格式离散对流项，对扩散项的离散采用二阶精度中心差分格式［8-10］，得:

式（1）即为雷诺平均N-S方程（简称RANS或雷诺平均方程），式中，〈〉表示变量的时间平均量。它是目前常用的计算方法。与方程相比，雷诺平均方程多出一由动量方程中的对流项引起的湍流应力项，代表脉动速度对平均速度的影响，反映了湍流对平均流的动量耗散作用。标准 k-ε模型中的经验系数分别取为［10］:

风压系数指建筑物表面稳定风压作用下的静态压力分布，与建筑物的体型和尺度以及建筑物周围的环境、地面粗糙度有关，定义为建筑物表面任一点净风压力与远方上游自由流风平均动压之比［11-12］，即:

式中:Cpi为第i点的风压系数，ρ为空气密度，wi为第i点净风压力，¯vz为10 m高度处或建筑物顶部高度的平均风速。

本文运用FLUENT数值模拟分析风场，引入了UDF（User Defined Function）技术。将编写计算结构上承受整体风荷载的UDF程序与FLUENT相连接，并通过表面积分的方法，求得结构风荷载，即:

式中:pi为第i个单元表面风压，Ai为第i个单元坐标法向面积分量。

2　数值算例

2.1数值验证算例

本文就以一个球面网壳结构为例进行数值模拟，引入Standard k-ε湍流模型，模拟计算结构表面风压和风载体型系数，并与风洞实验结果进行对比验证［13］。算例模型和测点布置如图1所示。

图1　算例模型及测点布置

计算域大小取为700 m×300 m×100 m，球面网壳置于距离计算域风速入口约1/3处，阻塞率约为1.5%，满足要求。流场顶部和两侧采用对称边界条件，即自由滑移壁面；结构面和地面采用无滑移壁面条件，出口为湍流自由充分发展边界，采用非结构化四面体网格离散计算域，并在球壳表面及其附近区域实施网格局部加密。网格总数约2.0×106。选用B类地貌，上海地区基本风压为 w0=0.55 kPa。计算域入口平均风速采用沿高度变化的指数率形式，即V（z）=V0（z/z0）α，V0为标准参考高度z0处x向的平均风速（我国荷载规范取 z0=10 m），y、z方向速度为零，α取值0.16，z为高度（自建筑物底部算起）。

如图2所示，Standard k-ε模型数值模拟结果与风洞实验结果对比。可以看出，二者吻合良好，说明数值方法具有较好的可信度。

2.2工业厂房数值模型

本文选用的工业厂房模型参数:长度方向跨度为50 m，宽度方向跨度为20 m，围墙（或支撑柱）高度为10 m，结构模型及风向定义如图3所示，运用FLUENT软件对其进行稳态分析。

图2　数值模拟与风洞试验结果比较

2.3数值计算与分析

2.3.1 风向角

由于结构本身的对称性，选择0°、30°和60°三个风向角，厂房弧顶部分矢跨比为1/10，风向定义如图4所示。图5为各风向角下工业厂房顶面风压系数图，左列图为本文计算结果，右列图为风洞实验结果［14］。可以得出，本文结果在各风向角下与风洞试验结果均比较接近，分布趋势也基本相同，但远离来流方向的屋面风压系数略小于风洞试验结果。

图3　结构计算模型和风向角定义

图4　计算风向角定义

由于结构的对称性，横风向的风荷载合力因相互抵消趋近于零，风载合力主要由顺风向力构成。由表1可以得出，各风向角下结构风荷载合力比较接近。

2.3.2 厂房弧顶矢跨比

厂房弧顶部分矢跨比选用1/5、1/10和1/20，对应坡度分别为20%、10%、5%。如图6所示为不同房顶矢跨比下风压系数图。由图6可知，当坡度较小，即矢跨比较小时，气流在迎风侧的屋檐及屋顶附近产生显著分离，厂房顶面承受负压力，气流分离处产生高负压区，同时高负压区的风压系数变化较快，图中表现为风压系数分布等值线较密。屋面坡度较大，对应矢跨比较大时，厂房顶面会出现正压，且整个房顶面的风压分布比较均匀，图中表现出风压系数等值线较为稀疏。迎风侧的负压随着房顶矢跨比的增大而逐渐变小，当矢跨比为1/5时，迎风侧出现正压，且矢跨比越大正压区范围和量值越大。背风侧负压随着矢跨比的增大逐渐变大。

由表2可以得出，风载合力随矢跨比增大而增大，厂房顶面的扁平化有利于其抵抗风荷载 ，与规范中建议低矮房屋坡度选用比较一致。

表2　不同矢跨比的结构风荷载合力

2.3.3 厂房高宽比

本工况计算以前面算例厂房模型参数长和高分别为50 m和10 m为基础，宽分别选择15 m、20 m和25 m，则高宽比分别为1∶1.5、1∶2和1∶2.5。选择0°风向角，厂房顶矢跨比为1/10进行数值计算。不同高宽比对风压系数的影响如图7所示。

图5　各风向角下屋面风压系数图

在0°风向角下，屋面风压系数分布趋势基本对称，迎风侧屋檐与屋顶附近存在明显的气流分离，形成两个较大的负高压区，对应图中厂房顶面风压系数变化较快，表现为风压系数等值线比较密集。与本文上述数值模拟的结果比较分析发现，房屋高宽比对屋面风压系数的影响明显小于风向角和厂房顶矢跨比（即屋面矢跨比）对厂房顶面风压系数的影响，高宽比对风压系数整体分布趋势没有太大影响，仅在部分区域引起风压系数的变化。

3　结 论

本文运用FLUENT软件，数值模拟分析了工业厂房的屋面风绕流、屋面风压分布和风压系数，并研究不同风向角、厂房矢跨比和高宽比等关键参数对房顶面风压分布和风压系数的影响，通过UDF自编程序计算得出结构的风荷载合力 ，对结构几何形体抗风优化提出建议。研究得出以下结论:

图6　不同矢跨比下风压系数图

图7　不同高宽下风压系数图

（1）来风风向角对屋面风压系数分布趋势影响较大。屋面分压分布随风向角变化而改变，较高的负压区出现在迎风侧的气流分离面附近。气流分离一般发生在迎风侧的房檐或者房顶处。各风向角下结构风荷载合力比较接近。

（2）厂房矢跨比对风压分布有显著影响。当风向角为0°时，迎风侧的负压随矢跨比增大而逐渐变小，当矢跨比为1/5时，迎风侧出现正压。背风侧的负压随矢跨比的增大而增大。风载合力随矢跨比增大而增大，厂房顶面的扁平化有利于其抵抗风荷载

（3）厂房高宽比对风压系数影响明显小于矢跨比和风向角对风压系数的影响，仅在部分区域引起风压系数的较小变化。

参考文献:

［1］ 李 勰.门式刚架轻刚结构风荷载及抗风雪安全性研究［D］.杭州:浙江大学，2013.

［2］ 李元齐，胡渭雄，王 磊.大跨度空间结构典型形体风压分布风洞试验研究现状［J］.空气动力学学报，2010，28（1）:32-37.

［3］ 楼文娟，蒋 莹，薛晓勇 ，等.台风风场作用下体育场罩棚风压分布风洞试验研究［J］.建筑结构学报，2012，33 （1）:51-57.

［4］ 周日亘毅，晏克勤，顾 明，等.某机场航站楼屋面风荷载特性研究［J］.振动与冲击，2010，29（8）:224-227.

［5］ 郑德乾，顾 明 ，周日亘毅，等.世博轴膜面平均风压的数值模拟研究［J］.建筑结构学报，2009，30（5）:212-219.

［6］ 贾永新，张 勇，李 斌.开敞式拱形波纹钢屋盖的风压分布及体型系数研究［J］.建筑结构学报，2010，（增2）:159-164.

［7］ 李远瑛，张德生.拱型波纹屋盖结构在风荷载作用下可靠度数值模拟［J］.空间结构，2013，19（2）:51-56.

［8］ 张 悦，黄本才，汪从军，等.上海世博会气象馆平均风压数值模拟研究［J］.力学与实践，2010，32（2）:16-21.

［9］ 卢 旦，李承铭.上海世博会日本馆风荷载特性的数值模拟［J］.建筑结构，2009，39（增刊）:840-844.

［10］ 陈亚楠，周 岱 ，孙颖昊.环状大悬臂挑篷风载特性与风场绕流分析［J］.建筑结构学报，2012，33（5）:53-61.

［11］ 黄本才.结构抗风分析原理及应用［M］.上海:同济大学出版社，2001.

［12］ 陈祥侨，涂佳黄，周 岱，等.某大型机场航站楼结构风载体型系数的数值模拟［J］.上海交通大学学报，2011，45（4）:517-522.

［13］ 李元齐，田村幸雄，沈祖炎.球面壳体表面风压分布特性风洞试验研究［J］.建筑结构学报，2005，26（5）:104-111.

［14］ 全 涌，田村幸雄，松井正宏，等.低矮建筑气动数据库介绍［C］//第七届全国风工程和工业空气动力学学术会议论文集，西安:2006.

中图分类号:TU312.1

文献标识码:A

文章编号:1672—1144（2015）01—0187—06

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.01.039

收稿日期 :2014-10-23修稿日期:2014-11-27

作者简介 :马 骏（1980—），男，上海市人，博士研究生 ，主要从事结构风工程研究及空间结构施工管理。E-mail:mj5678316@163.com

Numerical Simulation of Wind Field and Wind-resistant Shape Optimization of Industrial Factory Buildings

MA Jun
（Engineering Department of Construction Headquarters Office，Shanghai International Tourism and Resorts Zone，Shanghai 201205，China）

Abstract:As industrial factory buildings are commonly large-spanned，light-weighted and flexible，their wind resistant capacities are relatively low.Because the eastern coastal area of China is the region that suffers from typhoon attacks frequently，wind-induced failures are the main failure modes for this type of structures.Based on computational fluid dynamics method（CFD），the wind flow characteristics and wind pressure distribution of the industrial factory buildings were numerically simulated under different incoming wind directions by FLUENT.The influence of height-width ratio，heightspan ratio of the top structural surfaces on wind pressure distribution and wind-loading shape coefficients were analyzed. The results suggest that structural characteristics should be chosen carefully to reduce wind load force.Some conclusions on wind-resistant structural shape optimization were put forward，which could provide some references for the design of this kind of structures.

Keywords:industrial factory building；computational fluid dynamics method；wind-load shape coefficients；wind-resistant shape optimization