实尺TTU建筑风荷载的数值模拟研究

冯科儒 张玉雪

(扬州大学电气与能源动力工程学院，江苏 扬州 225009)

0 引言

我国是风灾频发的国家，风灾导致的低矮房屋损毁给人们的生命和财产造成了巨大损失，因此深入研究低矮房屋风荷载具有十分重要的现实意义。

相较于场地实测和风洞试验两种传统研究手段，数值模拟方法由于其成本低、周期短、可以灵活改变模型的优点，在低矮房屋风荷载研究领域得到了广泛的应用[1-3]。本文基于ANSYS软件平台开展TTU建筑模型风荷载的数值模拟研究，将数值计算结果与场地实测和风洞试验结果进行对比，并分析建筑表面风压分布规律和周围流场结构。本文在数值模拟中对建筑表面靠近屋檐和屋角区域的切向网格进行适度加密，以便更好地捕捉建筑屋檐和屋角附近剧烈的压力变化，同时提升网格延伸的光顺性。此外，现有研究多采用标准壁面函数或非平衡壁面函数模拟近壁流动，然而这两种近壁面处理方式对模型表面边界层网格高度有严苛限制，容易带来计算结果的震荡甚至发散。本文采用Menter-Lechner近壁面处理方式替代上述两种壁面函数，提高数值计算的精度和收敛性。

1 几何建模及网格划分

TTU建筑模型是美国德州理工大学风工程研究实验室(WERFL)提出的一种低矮建筑标准模型，其外型尺寸为 9.22 m(W)×13.792 m(L)×3.988 m(H)，屋面坡度近似1/60，建筑结构及风向角如图1所示。

对建筑进行实尺建模。为尽量消除计算域边界对模型周围流场的影响，计算域取模型上游5L，下游10L，在竖直方向为10H，宽度为10W，流域设置满足堵塞率小于3%的要求。采用ICEM软件对整个流域进行结构化网格划分。在模型表面采用密集布置的边界层网格,同时为更好地捕捉建筑屋檐和屋角附近的压力变化并保证网格节点布置的光顺，对建筑表面边缘区域的网格在切向进行适当加密。在远离模型的区域采用稀疏网格布置以减少网格数量，避免计算资源的浪费。由于斜向来流时建筑周围流场与垂直来流情况存在差异，因此本文模拟了风向角为90°和60°的两种情况，对应的网格划分结果如图2所示。

2 边界条件及参数设定

本文数值模拟选用计算精度较高收敛速度快的realizable k-ε模型，采用Menter-Lechner近壁面处理方式模拟近壁流动。相较于标准壁面函数和非平衡壁面函数，Menter-Lechner近壁面处理方式实现了对边界层网格的y+值不敏感，可以避免网格较细时数值结果变差。此外，Menter-Lechner近壁面处理方式在湍动能输运方程中加入壁面效应源项来解释低雷诺数效应，并考虑非平衡效应对流动的影响，可以更好地模拟涉及分离、再附等的复杂流动。数值计算中进流面采用速度入口边界条件，风速剖面参考我国GB 50009—2012建筑结构荷载规范[4]中规定的表达式：

(1)

其中，z0,U0分别为标准参考高度及该高度处的平均风速；z,U分别为任意高度及对应的平均风速；α为地面粗糙度指数，参考规范中定义的B类地貌取0.15。

给定湍动能k和湍流耗散率ε生成入口湍流特性，具体表达式为：

k=1.5(UI)2

(2)

(3)

其中，Cμ通常取0.09；I和l分别为湍流强度和湍流积分尺度。

出流面采用完全发展出流边界条件。流域顶部及两侧采用对称边界条件，等价于自由滑移壁面。建筑表面和地面采用无滑移壁面边界条件。数值计算采用3D双精度分离式求解器，选择SIMPLEC算法求解速度场和压力场，离散格式采用二阶迎风格式。当迭代计算的残差降至10-4以下，且建筑表面风压基本稳定时，认为数值计算达到收敛。

3 计算结果及分析

建筑表面风压采用无量纲风压系数Cp表示：

(4)

其中，p为建筑表面任意点的压力；p0,u0分别为来流未受扰动区域参考高度处(本文取建筑屋檐高度为参考高度)的静压和风速；ρ为空气密度。

提取本文数值模拟结果中模型横向中轴线上的压力系数数据，与TTU场地实测[5]和同济大学风洞试验结果[6]进行对比，结果如图3所示。图3中，TTU场地实测得到的风压系数变化范围用粗实线表示，建筑横剖面ABCD表示中轴线90°～270°上的11个测点位置顺序。可以看出，两个风向角下屋面和背风侧各测点的计算压力系数与场地实测及风洞试验结果吻合良好，大部分测点的模拟结果处在实测范围之内。建筑迎风墙面中下部测点的计算压力系数较实测及试验结果偏大，最大偏差不超过实测值的20%。出现这种现象是因为数值计算采用的入流条件与场地实测及风洞试验的实际来流情况难免存在差异，而建筑迎风墙面的压力分布对来流情况最为敏感。总体来看，本文的数值模拟结果具有较高的精度。从图中还可以发现，两个风向角下中轴线上的压力系数变化趋势基本一致，在屋面迎风前缘附近压力系数由正值迅速减小到负值并在屋面保持一段较短距离，随后风压系数逐渐增大，并最终稳定在较低的负压水平。

图4为两个风向角下建筑表面的压力系数云图。可以看出，建筑迎风墙面主要受到正压作用，而其他墙面及屋面主要承受负压，其中迎风屋檐和屋角附近负压较高，在风灾中更容易被破坏。两个风向角下建筑表面的最高负压都出现在屋面的迎风屋角区域。垂直来流时，流场呈对称分布，最高负压对称出现在两个迎风屋角处。而在60°来流情况，高负压区集中在迎风第一个屋角附近，且负压极值明显高于垂直来流情况，对建筑抗风更为不利。

两个风向角下建筑周围的涡核分布如图5所示。图5中可以清晰地看到气流分别在建筑迎风墙面下部、迎风墙面的尖锐棱边及建筑背风侧形成明显的漩涡。值得注意的是，两个风向角下建筑屋面上的分离涡分布明显不同。60°斜风在屋面形成两股从屋角出发的呈锥形分布的漩涡带，导致漩涡带下方屋面区域产生较高负压。此种来流情况对建筑的安全性更具威胁，在抗风设计中需要格外关注。

4 结论

1)本文采用realizable k-ε模型和Menter-Lechner近壁面处理方式对TTU建筑模型风荷载进行数值模拟研究，计算结果与场地实测和风洞试验结果吻合良好，说明本文的数值计算具有较高的精度，建筑边缘网格的适度加密获得了精细的数值计算结果。

2)不同风向角下，建筑迎风墙面主要受到正压作用，而其他墙面及屋面主要承受负压，最高负压都出现在屋面的迎风屋角区域。由于建筑迎风屋檐和屋角附近负压较高，这些部位在风灾中往往更容易被破坏。

3)斜向来流在建筑屋面产生的负压水平明显高于垂直来流情况，对建筑抗风更为不利。