局部开洞对高层建筑风荷载特性的研究

袁伟斌，李泽彬，叶呈敏

(浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014)

局部开洞对高层建筑风荷载特性的研究

袁伟斌，李泽彬，叶呈敏

(浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014)

摘要：通过运用计算流体动力学软件FLUENT对有局部开洞的高层建筑风荷载特性进行了风洞实验和数值模拟研究，得到了不同风向角下洞口周边风压系数风布以及风环境变化.本次风洞试验主要在大气边界层风洞中进行，主要对模型进行了测压试验.数值模拟采用realizable k-ε湍流模型，使用SIMPLEC算法分析了4种工况下贯穿开洞周围风压系数和周围风环境特性.研究结果表明：风压系数在洞口一侧增大，另一侧减小，影响区域的大小接近洞口尺寸.当风向角与建筑呈45°时，洞口内风速达到最大值，可以看出在高层建筑上安置风力发电机能够有效利用风能.

关键词：局部贯穿开洞；风洞试验；数值模拟；;风压系数；风环境

当前，城市生态问题已逐渐威胁到人类赖以生存的环境，低碳城市和城区的建设如绿色高层建筑是未来城市发展的必然趋势.绿色高层建筑通过将建筑与能源进行结合，能够有效的减小建筑能源消耗，通过开发和利用可再生能源如风能、太阳能等控制高层建筑的整体能耗.矩形截面高层建筑在工程设计中应用最为普遍，已有众多学者[1-5]对其风荷载特性进行了大量研究，获得了较为成熟的理论以及计算方法，并被各国风荷载规范广泛采用.顾明等[6]通过风洞试验得到了超高层建筑模型在横风向下的基底弯矩，同时分析了模型的宽厚比、长细比等对超高层建筑在横风向作用下气动力谱的影响.谢壮宁等[7]分析了在横风向和顺风向动力作用下，不同间距对建筑物的干扰效应.但对有局部开洞的高层建筑风荷载特性的研究还是结构抗风设计中的盲点，目前对其特性研究较少，难以满足当前工程发展的需求.局部开洞高层建筑周围风场特性以及结构抗风性能研究已成为当前的一个热点问题.风能作为目前一种可再生清洁能源，因城市地区高空处风速大，分布范围较广同时稳定性强.为充分利用高空处丰富的风能为减小建筑物能耗，可以在高层建筑贯穿开洞内位置安置风能发电机，合理利用可再生能源，从而达到长期节能的目的.

笔者对矩形截面高层建筑在横向与纵向局部开洞进行了风洞试验和数值模拟，本次数值模拟主要采用了Realizablek—ε模型[8-10]，通过选择参数，模拟出与风洞实验相贴近的流场环境[11-12]进而研究比较了开洞处周围风荷载的特性.本研究有助于完善对有局部开洞的高层建筑风洞试验方法和数值理论应用研究；完善局部开洞高层建筑在抗风设计时的荷载取值工作，为建立健全高层建筑在风荷载作用下的长期监测提供技术支持.同时分析了洞口内的风场特性，为安置风能发电机提供一定的参考，也对高层建筑物在工程实践中抗风结构的选型、设计和现场施工具有一定的指导性作用.

1风洞试验

1.1试验设施

本次风洞试验主要在浙江大学风洞实验室中完成.风洞试验室全尺寸为长×宽×高=18 m×4 m×3 m.其中最高风速可达55 m/s.风洞实验室内通过三维移测架系统以及多种粗糙源等，能够迅速的模拟出与模型比例及所用地形相匹配的边界层气流，风洞试验开洞模型如图1所示.

图1　风洞试验模型Fig.1　Model in the wind tunnel

1.2模型参数设置

根据局部开洞方式建立M1(完整壁面模型)；M2(短边侧面开洞)；M3(长边侧面开洞)，风洞试验模型尺寸按照几何相似要求，模型缩尺比为 1∶300.模型长×宽×高= 200 mm× 100 mm× 600 mm，短边洞口宽度为 30 mm，长边洞口宽度为 60 mm，洞口高度均为 80 mm.模型在风洞中的最大阻塞率要求小于 3%.考虑到模型在风向角下的对称性，在0°～45°围内每间隔15°选取一种工况，如图 2(a)中 1～4共4组工况，在位于开洞中心高度处的F截面布置测点，测点编号采用截面编号加测点编号的方式编号，如F9表示F截面上的第9个测点，测点位置与截面尺寸如图2所示.

图2　模型尺寸与测点布置Fig.2　Model dimension and measurement points location

1.3风压系数定义

通过风洞试验或数值模拟，可以获得建筑表面处任意位置上(如第i测点)的风压值Pi，相应位置处的风压系数定义为

(1)

1.4结果分析

图3～6列出了风洞试验方法获得的局部开洞模型M2，M3和完整壁面模型M1的F截面测点风压系数.工况1(图3)中3组风压系数沿测点位置变化大小基本一致，在背风面一侧较为接近；在迎风面由于受局部开洞影响较大，其值出现了较大波动.洞口的存在改变了周边流场的流动特性，洞口周围的风速增大，反过来又影响了周围风场的分布，模型M3洞口周边测点(如测点25和29)的风压系数呈现不同的分布发展规律，在其他3种工况下一侧(测点25)数值大于完整壁面相同位置下的风压系数，另一侧(测点29)数值比完整壁面该位置数值较小.在迎风面，贯穿洞口只对所在壁面的风压系数分布造成影响，受影响区域大小与洞口尺寸大小相接近，同时远离洞口区域的风压系数已基本不受局部开洞的影响.

图3　工况1下F截面各模型CpiFig.3　Cpi for models at story F in case 1

图4　工况2下F截面各模型CpiFig.4　Cpi for models at story F in case 2

图5　工况3下F截面各模型CpiFig.5　Cpi for models at story F in case 3

图6　工况4下F截面各模型 CpiFig.6　Cpi for models at story F in case 4

通过对上述4个工况的整体分析，模型M3与M2相比，风压系数受开洞影响更为显著.工况4(图6)，即模型与风来流方向成最大斜角时，风压系数总体受局部开洞影响最大，在迎风面两侧影响最为明显，在另外两侧其值波动与其他工况相比不大.洞口周边测点的风压系数呈现不同的发展规律但与其他工况发展相似，其值要明显大于其他几组工况，故可将工况4定义为最不利工况.

2数值模拟分析

2.1计算模型及参数设置

为与试验结果进行比较，根据试验模型建立全尺寸贯穿开洞数值模型：数值模型 M1，数值模型 M2和数值模型 M3，模型为长×宽×高=60 m×30 m×180 m.考虑到洞口宽度对洞口内风速变化的影响，根据不同洞口宽度建立数值模 型M4，M5，如表1所示，其中K为洞口宽度，L为洞口所在边长度.

表1　模型参数设置

数值模拟计算域尺寸长×宽×高为15D×10D×5H，计算域高为 5H， 宽度为10D，模型 上游长度为5D，下游长度为 10D，其中建筑物高度H为180 m，D为建筑物的特征长度，模型水平截面中心点设置为坐标原点.计算流域阻塞率设置满足小于3%，数值建模忽略较小的细部结构对模拟结果产生的影响，计算域内网格全部采用非结构化网格，近壁面网格分布如图7所示 .

图7　近壁面网格示意图Fig.7　Schematic-plot of near-wall grid

数值模拟计算采用Realizablek—ε湍流模型，并采用SIMPLEC算法，边界条件设定如下所示：

1) 参照风洞试验方法确定入口速度及湍流强度，风速剖面指数即地面粗糙度α=0.15，B类地貌10 m高度处湍流强度I(10)=0.14.

2) 出口边界条件为压力出口(Pressure-outlet)，出口压力设定为0 Pa，计算域两侧及顶部设置为对称边界(Symmetry)，模型壁面设定为固定无滑移壁面(Wall).

采用非定常计算，运用SIMPLEC算法，其中动量、湍流动能以及耗散率均采用二阶迎风格式.当迭代残差小于1×10-5，即可以认为计算收敛，或者当风压系数、弯矩系数已基本不变时，认为流场模拟已进入稳定状态.

2.2数值模拟结果对比分析

图8～10列出在工况4下各数值模型与风洞试验模型的F截面风压系数比较.与风洞试验获得的风压系数相比，本次数值模拟有效的模拟了该截面风压系数分布情况，数值整体上的分布发展与风洞试验模型数值基本吻合，3组数值模型在迎风面两侧风压系数与风洞试验值相似且波动不大，在背风面模型M2与M3风压系数受局部开洞影响幅度更大，其值与试验值相比相差较多.

2.3不同贯穿方式对高层建筑周边风环境的影响

图11列出了在工况1下数值模型M2和M3在F截面(即Z=135 m)处X方向风速分布云图，在该高度处上游远端风速值为40.68 m/s.模型周边X方向风速受洞口影响剧烈，且风速受洞口方式不同而呈现出不同的分布规律，数值模型M2和M3在洞口内X方向风速波动分布较为均匀，其中，M2内风速值要明显大于同一高度处其他位置风速值，M3内风速值受到洞口分布影响，与同一高度处的值较为接近.

图8　工况4下M1实验与模拟CpiFig.8　Experimental and numerical Cpi of M1 in case 4

图9　工况4下M2实验与模拟CpiFig.9　Experimental and numerical Cpi of M2 in case 4

图10　工况4下 M3实验与模拟CpiFig.10　Experimental and numerical Cpi of M3 in case 4

2.4不同洞口宽度对洞口周围风环境的影响

根据研究当地气象资料，主风向角为22.5°和45°.图12，13为长边洞口内中心线处(Z=135 m)22.5°和45°时X方向数值模拟风速分布图，其中横坐标原点表示洞内中心点，坐标箭头指向洞内出风口位置.风向角α=22.5°时，洞口内风速发展无明显规律，洞口内风速值要明显小于洞口外风速值，且模型M4和M5洞口内中心处风速为负值，其内气流较为紊乱.风向角α=45°，各模型中心线上的风速均先增大后减小，洞口中心处风速达到最大值.通过对M3，M4，M5各模型风速的比较，洞口内整体风速随着洞口宽度的增大而增大.为能够合理利用风能，高层建筑应沿建筑物所在地主导风向设置洞口并选择合适的洞口宽度在其内安置风力发电机.

图11　F截面X方向风速云图Fig.11　Cloud picture of X-velocity on story F

图12　洞口内X方向风速Fig.12　X-Velocity in ventilation opening

图13　洞口内X方向风速Fig.13　X-Velocity in ventilation opening

3结论

高层建筑风压系数受两侧壁面局部开洞影响呈现较大的波动性，模型M3与M2相比，风压系数受开洞影响更为显著，相比风洞试验，数值模拟获得风压系数在背风面两侧受影响较为明显，其值整体小于实验值，部分模拟值较实验值有较小偏差，但整体上分布较为一致，证明了数值模拟的准确性及可靠性，并为实际工程提供了参考，同时分析了贯穿洞口内风速的变化，对合理有效利用其中的风能提供了依据.

参考文献：

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[12]张兆顺，崔桂香，许春晓.湍流理论与模拟[M].北京:清华大学出版社，2005.

(责任编辑：刘岩)

Research on wind characteristics of high-rise buildings with partial openings

YUAN Weibin, LI Zebin, YE Chengmin

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:The wind characteristics of high-rise buildings with partial openings were analyzed through the wind tunnel test and numerical simulation based on the FLUENT software. The wind pressure coefficients and the variations in the wind environment around the opening under different wind angles were obtained. The wind tunnel test was carried out in the boundary layer wind tunnel over an urban terrain to measure the wind pressure on the model. A realizable k-ε model was adopted in the numerical simulation and the method of the SIMPLEC algorithm was used to analyze the wind pressure coefficients and the wind environments around the opening in four cases. The results indicate that the pressure coefficient increases on one side but decreases on the side of the opening and the influential area is close to the opening size. When the wind direction is 45° with respect to the building, the wind velocity reaches the maximum, which demonstrates that high-rise buildings equipped with wind turbine can be an effective way to utilize wind energy.

Keywords:partial openings; wind tunnel test; numerical simulation; pressure coefficient; wind environment

收稿日期：2015-11-20

基金项目：浙江省自然科学基金资助项目(Y15E080073)

作者简介：袁伟斌(1977—)，男，浙江嵊州人，副教授，博士，研究方向为有限元模型理论与应用和钢与混凝土组合结构，E-mail：yuanwb@zjut.edu.cn.

中图分类号：TU973.213

文献标志码：A

文章编号：1006-4303(2016)04-0451-05