平板型高层建筑风能集聚效应研究

竹宇波（浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231）

1 绪 论

1.1 研究背景

随着城市化建设的快速发展，城市人口居住的密度日趋紧凑，目前，中国人口愈千万的城市达到14座之多！其中有3座城市人口超过2000万，这些数字将会随着城镇化水平的快速发展不断提高。因此在土地资源越来越有限的情况下，高层建筑的建设可以缓解人类居住、工作环境的压力，现今世界上比较著名的超高层建筑有总高828 m的迪拜塔、总高为632 m的上海中心大厦、597米的天津117大厦等，如图1所示。

不过高层建筑的发展，也给建筑结构安全性和居住舒适性带来了巨大的挑战，高层建筑的刚度随着建筑高度增大而降低，而其自身频率与风频率越来越接近，使得建筑整体刚度对风荷载变的很敏感，特别是对于江浙沿海地区来说，风荷载较地震荷载对高层建筑的横向作用力更大，因此控制风荷载成为高层结构设计面临的巨大挑战。

图1 城市典型超高层建筑

据国内外统计的自然灾害表明，风灾损失居各种灾害之首，2010年的第11号超强“台风凡亚比”登陆中国东南部及中国台湾，造成101人死亡，房屋倒塌数以千计；2013年11月，超强台风“海燕”在菲律宾登陆，中心最高风速达到87.5m/s，约1万人罹难，高达25000失踪，并在灾后一个月内灾区死亡人数仍在增加。

不过，风能是一种无污染、可再生能源，在能源紧张和生态环境遭受污染的时代，全球的可利用风能是水能资源的10倍，风力发电是除水力发电以外，技术最成熟和最具有商业发展前景的发电技术。

因此，风荷载虽然会对建筑产生横向作用，对结构设计也会带来挑战，但是如何提高风能的利用率，实现能源的可再生利用，对高层建筑也可以实现能源的自给自足，是解决我国能源短缺问题一项重要举措。

1.2 国内外研究现状

随着计算机技术的快速发展，国外学者提出了许多关于风能利用和集中的模型，在建筑环境中，根据风力发电机安装的位置，SanderMertens[1]提出了三种基本空气动力学集中器模型：扩散体型、平板型、非流线体型,其中平板型风力集中器建筑型式可利用空洞聚集加强的风，驱动风力发电。在2001年到2002年，荷兰Delft技术大学和荷兰能源研究中心开展了“Wind energy solutions for the built environment”的研究项目，建造出了平板型集中器模型建筑。

在国内，我国在利用建筑风能发电方面的研究刚刚起步，姜瑜君,桑建国[2]等通过实验和数值模拟对高层建筑周围风环境进行评估，结果表明由于建筑物的影响，高层建筑附近区域会出现局部的大风；马剑，陈水福[3]在数值模拟和风洞实验的基础上对高层建筑组成的8种不同布局形式的建筑群在人行高度处的风速比和风速矢量进行了模拟计算，获得了风环境状况与建筑平面布局之间的一些定性和定量的影响关系。张玉，袁行飞[4,5]通过计算流体力学对风能利用建筑的风场进行了数值模拟，提出了其利用效能的评价指标；并从分析建筑环境中的风能特点出发，阐述了建筑环境中风能利用的可能性，介绍了建筑环境中风能利用的主要方式为自然通风排气和风力发电。张涛，陈宝明[6]等结合我国济南市的气候特征，利用CFD和风洞实验相结合的方式，以3种基本建筑集中器型式为基础，分析各建筑形式风能集结。

2 结构风工程基本理论

2.1 边界层风特性

风荷载是空气流动对工程结构所产生的压力，而空气在大气边界层内贴近地面的流动为湍流，速度和流动方向呈现随机脉动特征，在研究湍流的特性时,一般将风速看做平均风和脉动风两部分，在某t时刻的瞬时风速可由脉动风速v'(t)与平均风速之和来表示，公式即：

2.1.1 平均风速剖面

平均风剖面描述风速沿竖向高度变化的情况，在不同粗糙度地面，其平均风剖面会有所变化,平均风速沿着竖直方向的分布变化情况，其中包括两种主要的分布模型——对数律和指数律。

对数率能相对更贴合实际地描述大气底层的强风平均风速[7]。

式中，为大气底层内高度z′处的平均风速；为摩擦速度或流动剪切速度；κ为Karman常数，近似取值为0.4； 0z为地面粗糙长度；z′为有效高度。

Davenport[8]提出了平均风速沿高度变化沿高度变化规律可用指数律表达，表达式为：

其中，zb表示标准参考高度；z表示任一高度；表示处在标准参考高度下的平均风速；为处在任一高度下的平均风速。α是指地面粗糙度的指数，该模型是假设在梯度高度范围内α保持不变并且梯度风高度只与α相关。

2.1.2 湍流强度

湍流强度描述了脉动风的相对强弱，在某一高度z处湍流强度为：

式中，I(z)是高度z处的湍流强度；是在高度z处的平均风速（m/s）；σ(z)是脉动风速均方根。

2.2 风对建筑物的影响

2.2.1 基本风速

在现实工程设计中，风速是可以通过工程风速仪测得的，但是风荷载是必须要通过作用在建筑物表面的风压计算所得。因此通过找出风速与风压之间的对应关系，在任一流线上各点可以得到风压的基本方程用Bernoulli方程表示：

表1 我国地面粗糙度类别和对应的ZG，α值[9]

表2 我国规范的湍流强度

式中，ρ是空气密度(kg/m3)；v是某点风速(m/s)；P1是某点静风压(Pa)。等式左边第一项是动压，等式右边是总压。若流线上的某点v=0，则该点取得最大静压，即P1=C，令

式(6)就是基本风压和基本风速之间的关系式。

2.2.2 风对建筑物的影响

高层建筑被认为是竖向的悬臂结构，风荷载对建筑产生振动作用，主要有以下方面：

1）风向一致的风力作用包括平均风和脉动风，其中脉动风会引起建筑物在顺风向的振动；

2）建筑物背部流场会产生漩涡，使建筑物在横风向振动，特别是细长柱形的高层建筑，不可忽略此种形式引起的振动；

3）在城市建筑群中，会明显受到上游建筑尾流影响造成的振动。

3 平板型建筑数值模拟研究

3.1 模型参数与工况设置

本文对平板型建筑（长L为30m－宽D为10m－高H为30m）的模型进行数值模拟，因此模型参数的首要变量是高度，分别取开洞高度在1/2,2/3,5/6，也就是15m，20m，25m三个高度位置进行通道内风速的测定，洞口的尺寸为5m×5m的方形，根据风洞试验通道风速测试结果，在建筑高度的2/3处附近风速和风速增大系数均达到极值，鉴于此，对2/3高度位置（20m）进行风能集聚效应研究较为合理准确。

表3 数值模型高差参数设置

所以，在建筑物20m高度位置控制风向角的变量，选取的风向角为每15°设置一个工况，共设置7组工况，风向角设置如表4所示：

表4 数值模型风向角参数设置

图2 不同开洞高度处建筑通道内风压云图

3.2 单体平板型建筑周围流场特性与表面风压特性

在风荷载特性和抗风研究过程中，通常采用风特性云图或者等值线图形来展现建筑流场周围各种风特性，包括建筑通道内风压，建筑迎风面风压，建筑侧面风压等。接下来，将着重研究不同开洞高度建筑风场内的风特性和同一开洞高度不同风向角风环境的比较。

图3 不同开洞高度处平板型流场流线与风压云图

1）不同开洞高度下建筑通道内风压特性（H=15m，20m，25m；β=0°）

在0度风向角的工况下，由于建筑物的对称性而体现出的风特性也比较对称，通道内风压特性也较为均匀，从图2中可知，对于建筑开洞高度在15m，20m，25m这三个高度的风压特性，其风压系数变化不大，特别是通道内部和背面风压都是较为均匀的，只是开洞高度较低处，负压比较大；而在开口正面中，我们会发现随着高度的增加，风压会逐步增强，所以开洞高度越高，迎风面的风压是越大的。

2）不同开洞高度下建筑流场特性和表面风压特性（H=15m，20m，25m；β=0°）

图3主要考虑在风向角不变的情况下，改变洞口开洞高度对建筑流场特性与建筑表面风压特性影响的研究和分析。开口尺寸选取5m x 5m的方形洞口，分别在洞口中心高度为15m，20m，30m进行模拟，总体而言，高层建筑迎风面存在较大的正压，建筑侧面有着较大负压，特别是建筑通道侧面，建筑背风面分布着零散驻涡和分离涡等，驻点和停滞点也是明显存在的，而尾流区气流运动则比较复杂。

图4 不同风向角下平板型流场流线与风压云图

随着开洞高度的增高，建筑背风面涡旋的形成和“卡门涡街”现象是有逐渐减弱的趋势，通常，在风向角0°的工况下，风场风压系数大致以建筑通道中心线对称分布，建筑高度方向上分布地也较为均匀，但是我们从图中可以看出大约在建筑全高2/3区域到达最大，因此，建筑开洞的高度并不是越高，风所聚能的效果是越好的，需要合理选择风机的安装高度。

3）同一开洞高度下建筑表面风压特性和周围流场特性（H=20m；β=0°-90°）

根据研究表明，对于单体高层建筑来说，停滞点约在建筑全高2/3位置处[10]，也就是在此附近平均风压最大，所以研究该位置处的风向角变化较为合理。

从云图中可以观察到每个涡都是一个很高的负压区，驻点位于涡旋与涡旋的交界处，而在建筑的背风面都各自形成了驻涡。随着风向角的增大，建筑背风面的驻涡会逐步往洞口通道侧移动，通道内则会始终产生比较大的负压区。对于尾流区，当风向角约为15°-30°和60°-75°时，建筑尾流区有“卡门涡街”现象发生，但是后涡旋现象会随着尾流区的延伸而逐步消失。整个过程有回旋环流的趋势，但并没有实际形成回旋环流。

4 结 语

随着城市化建设的快速发展，高层建筑的建设可以缓解人类居住环境的压力。但是不同建筑高度受到风荷载的影响不同，平板型高层建筑的风特性研究可以为城市建设规划和建筑风能利用提供重要参考。本文采用CFD数值模拟方法，选取风机安装高度，风向角等作为控制变量，通过建立多组工况研究建筑物周围风能集聚效应。结果表明：对于不同的开洞高度，通道内的风压是比较均匀的，随着开洞高度的增加，洞口表面风压会逐渐增大；而风场的风压系数随着建筑物的高度方向是比较均匀的，大约在建筑全高2/3处到达最大，因此，建筑开洞的高度并不是越高，风所聚能的效果是越好的，需要合理选择风机的安装高度；随着风向角的增大，建筑背风面的驻涡会逐步往洞口通道侧移动，当风向角约为15°-30°和60°-75°时，建筑尾流区有“卡门涡街”现象发生，但是后涡旋现象会随着尾流区的延伸而逐步消失。

中国建筑材料科学研究总院召开2018年工作会议

2018年1 月26 日，中国建筑材料科学研究总院（简称中国建材总院或总院）2018年工作会议在北京召开。中国建材集团党委书记、董事长宋志平，副董事长李新华出席会议并作重要讲话，中国建材集团副董事长、中国建材总院院长姚燕做了题为“把牢科技优势，坚持效益优先，全力推动总院实现高质量发展”的工作报告，中国建材总院党委书记王益民做了题为“步入全面从严治党新时代，踏上总院改革发展新征程”的党委报告。会议由中国建材总院副院长周云峰主持。

2017 年，在集团董事会的指引下，在集团公司的正确领导下，中国建材总院深入贯彻落实党的十九大精神以及党中央和国资委“稳中求进”等要求，坚持集团“稳增长、抓改革、防风险、强党建”十二字工作方针和“早细精实、干字当头”“稳价、保量、降本、收款、压库、调整”等经营管理原则，在总部管理、生产经营、科技创新、转型升级、党建文化等各项工作取得积极进展，全年实现收入68.37亿元，同比增长24%，利润总额7.75亿元，同口径增长22%，取得良好的经营业绩。