串列布局下风阻效应对上游建筑立面风驱雨的影响研究

王 辉, 宋文慧, 孙建平

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室,广东 广州 510640)

风驱雨(wind-driven rain,WDR)是建筑壁面最主要的水分来源之一。水分在建筑壁面累积和迁移会导致许多工程问题[1],深入研究并掌握降雨过程中建筑立面的WDR分布特性是解决当前诸多工程问题的重要基础。

目前,对于建筑WDR有3种分析方法,即现场实测[2]、半经验模型[3]和计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟[4-7]。由于CFD数值模拟耗时短、分析成本低、获取数据信息较为完整,现已成为建筑WDR的主要研究手段。文献[8]通过三维稳态雷诺平均Navier-Stokes方程(Reynolds Averaged Navier-Stokes equations,RANS)和标准κ-ε湍流模型对风场进行求解,并采用拉格朗日粒子追踪方法(Lagrangian Particle Tracking,LPT)计算雨滴轨迹;针对LPT方法存在的缺点,文献[4]提出基于欧拉多相流(Eulerian multiphase,EM)模型的数值模拟方法,并结合建筑迎风立面WDR的实测数据验证了方法的准确性,该方法已在WDR研究领域逐渐得到应用[4-7]。

建筑物对风场产生扰动作用的现象称为风阻效应[9-11],其会导致来流风速降低并在建筑物近壁面区域和上方区域产生回旋气流[12],直接影响WDR场的雨滴运动轨迹和WDR在建筑表面的分布。目前,针对WDR场风阻效应的相关研究很少,文献[9-10]分别研究了4种典型孤立建筑模型的WDR分布情况,结果表明风阻效应是影响立面WDR分布的决定因素之一,且不同尺度建筑的风阻效应存在明显差异,但其研究均缺乏对建筑尺度变化所产生影响的系统性考量,未深入研究风阻效应随建筑立面高度和宽度变化对立面WDR的影响规律。文献[11]对不同尺度的建筑开展不同布局下WDR场研究,结果表明下游建筑造成的风阻效应使上游建筑的WDR减小,但并未对削减作用进行定量分析。目前,针对风阻效应对WDR分布的影响,开展系统的定量化研究是深入揭示建筑WDR分布特性、建立有关精准预测模型的基础。本文基于EM模型,以风场来流方向上前后2幢建筑布局为对象,使用FLUENT软件模拟分析下游建筑高度变化对上游建筑表面WDR分布的影响,获取有关分布影响规律与特性。

1 数值模拟方法

1.1 边界条件

对于风场，建立以realizableκ-ε湍流模型封闭求解的RANS控制方程；对于雨场，基于EM模型假设,假定雨滴为连续相,雨滴按粒径D分为N相(D∈[Dk-ΔD/2,Dk+ΔD/2],k=1, 2,…,N)。其中:Dk为第k相雨滴的粒径;ΔD=Dk-Dk-1,为相邻相的粒径差。第k雨相的控制方程为:

(1)

(2)

其中:ρw为雨水密度;αk为第k雨相的体积分数;uki、ukj分别为沿i、j方向的速度分量;gi为i方向的重力加速度分量;μ为空气黏度;CD为阻力系数;ReR为相对雷诺数;ui为沿i方向的速度分量。

1.2 计算区域设置

以2幢建筑组成的串列布局为对象,如图1所示。

图1 串列布局模型

图1中,上游建筑长、宽、高尺寸为L1×B1×H1=50 m×10 m×10 m,下游建筑L2×B2=50 m×10 m,高度H2分别为10、20、30、40、50 m,2幢建筑间距为20 m。由于建筑迎风立面WDR分布与u10呈线性关系[12],故水平风速仅取u10=10 m/s,水平降雨强度Rh分别设定为0.25、0.50、1.00、2.00 mm/h。依据体积分数占优原则,选取0.25～3.00 mm(间隔为0.25 mm)共12种雨滴粒径。

依据文献[13-14]提出的原则确定计算域,利用ICEM CFD软件进行建模和划分网格,网格采用六面体结构化单元,下游建筑H2=30 m的计算域及相应的网格划分如图2所示。

对于风相,入口边界风速为指数型风剖面,地面粗糙度类别为B类。风相边界条件的设置见表1所列。表1中:z、z0分别为任意高度和标准参考高度;Ks为粗糙度高度。

图2 H2=30 m的计算域及网格划分

表1 风相边界条件

对于雨相,入口及计算域顶面处水平速度与来流风速相等,其余边界条件与风相的边界条件相同。入口及计算域顶面的雨相体积分数表达式为:

(3)

其中:fh(Rh,D)为雨滴通量分数;vt(D)为雨滴降落末速度。

考虑到雨滴撞击壁面后的吸附情况,壁面的边界条件规定为:

(4)

其中,n为边界面法向量,指向计算域外。

1.3 WDR参数

引入抓取率η和特定抓取率ηD(D)来描述建筑立面WDR相对Rh的大小,表达式为:

(5)

(6)

其中:Rwdr(D)、Rh(D)分别为雨滴在该点处的WDR雨强和水平降雨强度;αD为雨滴在该点处的体积分数;|vn(D)|为雨滴在该点处沿建筑表面法向的速度大小。

2 结果分析

2.1 风阻效应对上游建筑的整体影响

结合雨滴运动状态分析η分布特性,2种粒径雨滴在4种H2取值下的雨迹线对比如图3所示。由图3可知,下游建筑的存在会对雨滴轨迹产生影响,且随着下游建筑的高度增加,影响更加显著。

在4种Rh取值下上游建筑迎风立面η分布云图如图4所示。

图3 2种粒径雨滴在4种H2取值下的雨迹线对比

图4 上游建筑迎风立面η分布

由图4可知,不论H2如何变化,上游建筑迎风立面η始终遵循与孤立建筑相似的分布规律,呈左右对称分布且自下而上、从中心向两侧逐渐增大,在上边缘拐角处取得最大值,而最小值则出现在中下部;η总体分布规律未出现较大差异是由于下游建筑的风阻效应仅降低了上游建筑迎风立面附近的来流风速,并未改变风场整体形态。上游建筑迎风立面η明显小于孤立建筑布局时的η,且随着H2增大,上游建筑迎风立面的整体η越来越小,表明下游建筑的存在会对上游建筑WDR的η产生削减作用。

与孤立建筑布局情况相同,串列布局时上游建筑迎风立面η的最大值ηmax同样出现于上边缘拐角处,下游建筑风阻效应不改变ηmax出现的位置,但总体会导致ηmax发生变化。4种Rh取值时ηmax随H2的变化曲线如图5所示。

图5 4种Rh取值时ηmax随H2变化曲线

由图5可知,当H2=H1=10 m时,ηmax比孤立建筑布局时稍增大,最大增加3.34%(Rh=0.25 mm/h);当H2>H1时,ηmax比孤立建筑布局时显著减小,且随着H2增大而不断减小,减小幅度最大可达31.58%(Rh=0.25 mm/h),最小幅度亦有27.52%(Rh=2.00 mm/h)。

2.2 风阻效应对上游建筑影响定量分析

2.2.1 迎风立面竖直中线位置

3种Rh取值时,上游建筑迎风立面η沿竖直中线的分布如图6所示。图6中,h为竖直中线上点的高度。由图6可知,当H2=H1=10 m时,η值比孤立建筑布局时稍增大;当H2>H1时,η值比孤立建筑布局时显著减小,且H2越大,η值越小,减小幅度也越大。

为进一步比较风阻效应对上游建筑WDR的影响特性,采用η/ηisol值定量分析上游建筑迎风立面竖直中线位置WDR的分布,ηisol为孤立建筑的迎风立面抓取率。3种Rh取值时,上游建筑迎风立面η/ηisol沿竖直中线的分布情况如图7所示。图7中,水平断虚线为η/ηisol=1.0参照线，下同。

由图7可知,当H2=H1=10 m时,η/ηisol值均大于1.0;此时,在迎风立面下部区域η/ηisol值变化不稳定,上升至一定高度后,呈先增大后减小的趋势,在最高处取最小值(大于1.0),最小为1.02,表明当H2=H1时,在上游建筑迎风立面竖直中线处,下游建筑产生的风阻效应对上游建筑WDRη的影响随h增大逐渐减弱,在最高处影响最弱。

当H2>H1时,沿中线位置的点上升至一定高度后,η/ηisol值随h增大而增大,在最高处取最大值(小于1.0),所有工况中最大可达0.93,表明当H2>H1时,在上游建筑迎风立面竖直中线上,下游建筑的风阻效应对上游建筑WDRη的影响随h增大逐渐减弱,在最高处影响最弱。而随着H2增大,η/ηisol值越来越远离1.0,即风阻效应的影响愈加接近孤立建筑时的受扰情况。

图6 上游建筑迎风立面η沿竖直中线的分布

图7 上游建筑迎风立面η/ηisol沿竖直中线的分布

2.2.2 迎风立面侧边缘位置

3种Rh取值时,上游建筑迎风立面η沿侧边缘线的分布如图8所示。从图8可以看出，与图6相比,侧边缘线的η分布与竖直中线处的分布趋势大致相同,但整体大于竖直中线处的η值,同一降雨条件下相差最大值为0.68。

3种Rh取值时,上游建筑迎风立面η/ηisol沿侧边缘线的分布如图9所示。

图8 上游建筑迎风立面η沿侧边缘线的分布

图9 上游建筑迎风立面η/ηisol沿侧边缘线的分布

从图9可以看出，与图7相似,当H2=H1=10 m时,上游建筑迎风立面沿侧边缘线上任意点的η/ηisol值均大于1.0,η/ηisol值除了在下部区域稍有增加,基本上随h增大而减小,在最高处取最小值(大于1.0),表明当H2=H1时,在沿上游建筑迎风立面侧边缘线上,下游建筑的风阻效应对其WDRη的影响随h增大先增强后减弱,在最高处影响最弱。当H2>H1时,η/ηisol值均小于1.0,η/ηisol值在下部区域时随h增大而减小,而后随h增大而增大,在最高处取最大值(小于1.0)。类似地,当H2>H1时,在沿上游建筑迎风立面侧边缘线上,下游建筑的风阻效应对上游建筑WDRη的影响随h增大先增强后减弱,在最高处影响最弱。

3 结 论

(1) 下游建筑的风阻效应对上游建筑迎风立面前来流区域的风场流动影响微弱,因此后者迎风立面上WDR分布规律与孤立建筑布局时相比并无较大差异。

(2) 当下游建筑高度H2等于上游建筑高度H1时,上游建筑迎风立面(竖直中线处和侧边缘线处)WDR抓取率比孤立建筑布局时略增大;当H2>H1时,上游建筑迎风立面WDR抓取率比孤立建筑布局显著减小,且减小幅度随H2增大而增大。

(3) 采用比值η/ηisol定量描述下游建筑的风阻效应对上游建筑WDR的影响特性。对于模拟的工况(上游建筑竖直中线处和侧边缘线处),无论下游建筑的风阻效应对上游建筑迎风立面的WDR抓取率有增大(当H2=H1时)或减小(当H2>H1时)作用,η/ηisol随位置点高度增加均逐渐趋向于1.0,即风阻效应的影响总是随位置点高度的增大而越来越接近孤立建筑时的受扰情况。此外,η/ηisol随着H2增大而逐渐远离1.0,表明H2增加使风阻效应对串列布局建筑的影响更加明显。