重庆某高层建筑数值风洞模拟

2021-12-16许仕林

四川建筑 2021年5期

【摘要】文章通过计算流体动力学软件Fluent对重庆某实际建筑工程表面风压数值模拟，计算了不受周边建筑干扰情况下的体型系数，考虑地形干扰情况下对风起算点高度的影响，风对坡地的爬坡效应，得出最不利体型系数。基于建筑的风压分析规律，提出用本工程风荷载体型系数设计的取值建议。

【关键词】高层建筑; 风荷载; 体型系数; CFD

【中图分类号】TP391.99【文献标志码】A

该工程项目位于重庆北部新区，东临芙蓉路，西至白杨路，南至春兰三路，北临峰林路。项目包括一栋地上16层，地下4层的高层建筑以及相应的配套。周边有众多写字楼和政府办公大楼，西、北、东侧紧邻城市主要道路，未来基地西侧将建设轨交站点，十分便于车行和步行人流到达。占地面积8 747.98 m2，其中计容建筑面积37 113.95 m2，层高4.5 m，建筑总高度77.8 m。基于规范要求和建议，由于本工程项目建筑平面形状较复杂，风荷载在结构表面上分布并不均匀，仅按荷载规范给出的平均风载体型系数并不能反映实际的风压分布状况，因此需要进行风洞数值模拟确定实际风压分布，为结构设计提供依据。

1 数值风洞模拟

风荷载CFD（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）数值计算的实质是将流场的控制方程借助计算数学将其离散到多个网格节点中求对应的数值解[1]。CFD技术一方面能降低经济成本，另一方面与试验相比而言能获得十分详尽的数据资料，有利于对实际问题多角度模拟分析研究，以便探究结构的本质规律。采用CFD风洞数值模拟技术，结构不考虑周边环境的项目风洞数值模拟模型，数值模拟分析模型建筑表面风压分布;基于建筑表面风压分布情况，采用基底弯矩等效和剪力等效，将风压折算为便于设计使用的体型系数并取其包络值。

1.1 几何建模与网格划分

在确定建筑表面风压分布时，按不考虑周边建筑物影响的建筑模型（简称单体模型）进行模拟计算。单体模型时，无其他建筑物遮挡，单体建筑表面呈现最不利正压。各类工况分别模拟了每22.5 °为一个间隔的16个风向角，图2表示了各种计算工况下风向来流图。

建筑物表面使用三角形网格划分，体网格生成过程中先在建筑物表面生成边界层网格，其次由边界面及计算域的最外层表面向中间流域生成非结构化的空间网格，网格尺寸由内往外逐渐增大，如图3所示采用的计算区域及网格划分。

1.2 数值风洞理论

数值风洞技术应用CFD方法建立工程问题的分析模型。由于实际工程的雷诺数都十分大，属于湍流流动，故而数学模型的核心是湍流模型及边界条件的处理。湍流模型采用广泛使用的可实现的k-ε湍流模型（Realizable k-ε），其控制方程[2-3]为：

湍流动能k和湍流动能耗散率ε的控制方程为：

式中：Ui（i=1，2，3）分别代表x，y，z方向的平均速度分量;P为压力;v为气流运动粘性系数;ρ为空气密度;vt=Cμk2/ε为涡团粘性系数。

1.3 边界条件

大气边界层风速剖面V（z）、湍流动能k和湍流耗散率ε采用Fluent提供的UDF（user-defined functions）编程与Fluent作接口实现[4]。

1.3.1 平均风剖面

来流边界条件选用速度来流边界条件，对C类地貌，平均风速按指数形式表示为[4]：

1.3.2 湍流特性

采用日本提出的Ⅲ类地貌湍流强度公式拟合湍流度剖面[5-7]：

对于数值风洞，k-ε模型计算的是湍流动能k和湍流耗散率ε的输运方程，因此需要将上述湍流强度及积分尺度进行一定的转化。两者之间的转化关系可表示为：

式中：Cμ=0.09，湍流积分尺度亦采用日本建议公式Lx=100z/300.5。

流域顶部和双侧采用对称边界，等同于自由滑移的壁面，出流面采用压力出流边界。建筑表面和地面选择无滑移的壁面条件，采用不平衡壁面函数模拟近壁面流动，且在地面引入粗糙壁面修正[8]。

2 结果分析

2.1 建筑结构主轴方向的体型系数及表面风压值

根据伯努利公式计算得到建筑各表面的体型系数，将建筑表面竖直方向按每9 m划分为一段，建筑各个面如图4所示。

根据所得到的各风向角下建筑塔楼各个表面的体型系数通过基底剪力等效法进行计算;模拟结果数据进行提取，得到建筑表面风压结果，分别得到各塔楼在各风向角下的整体体型系数，限于篇幅各个风向角下所有建筑表面体型系数情况未展示。表1得到建筑主轴最不利风向体型系数。（在此省略面积较小的表面的体型系数）

针对单体模型，以每22.5 °为一个间隔，从16个方向的来流风对建筑的影响，得出不同工况、不同角度下建筑表面的风压分布。通过Tecplot软件以云图形式显示最大整体体型系数下数值风洞模拟的建筑物表面风压（单位Pa），图5、图6所示。

2.2 悬挑户外平台上、下表面局部风荷载体型系数

本项目建筑户外平台沿两个方向每两层交错布置，形成了悬挑的户外平台，使本项目建筑凹凸不规则，风荷载作用下結构的受力十分复杂。对于悬挑部分应重点考虑其荷载作用下上、下表面形成的竖向压力差，如图7所示。表2中给出了户外平台上、下表面各区域局部体型系数取值。

2.3 结果分析

综合考虑风荷载沿高度的变化和分区受力面积，对各表面的分区体型系数通过基底剪力等效法进行计算，得到各建筑表面体型系数。选取结构主轴方向的各迎风面及背风面体型系数，计算得到该主轴方向的结构整体体型系数，对比得到建筑最大整体体型系数及其对应的风向角。建筑户外平台沿两个方向每两层交错布置，形成了悬挑的户外平台，使本项目建筑体型复杂。对于悬挑部分应重点考虑其风荷载作用下上、下表面形成的竖向压力差。

户外平台上、下表面大多处于负压之下，且局部体型系数绝对值也较大。顶层平台上表面一直处于负压状态，其他楼层平台表面在某些工况下也会产生正压，两相叠加，会产生一个较大的压力差，设计时应引起注意。

根据数值模拟结果，对于两个主轴方向：该栋塔楼的X向最大整体体型系数为1.26，出现在最不利风向角为22.5°向（近X轴），Y向最大整体体型系数为1.03，出现在最不利风向角为225°的方向（X轴与Y轴斜角方向）。由于塔楼建筑立面不完全规则，沿高度方向有一定变化，所以两个方向的最大体型系数出现在的风向角有一定差异。

3 结论

通过Fluent对本项目建筑结构表面风洞模拟：计算了研究对象不受周边建筑干扰情况下的体型系数，研究对象内含一栋塔楼，考虑了地形干扰情况下对风起算点高度的影响，风对坡地的爬坡效应并得出最不利体型系数，主要得到以下结论：

（1）建筑表面风压分布情况与矩形建筑表面风压分布大致规律大致相同。侧面外边缘由于涡旋而脱落，引起了强烈的负压，绝对值已经超过了最大正压绝对值，应当在局部构件或围护结构设计时重点考虑。

（2）建筑表面负压显著，建筑在背风面时会出现全负压状态。而且建筑背风面的负压明显高于规范规定的一般背风面风压体型系数。

（3）建筑平台上、下表面多处于负压，且局部体型系数绝对值较大。在某些工况下户外平台上、下楼层表面分别处于正压和负压，两相叠加，会产生一个较大的压力差，应引起注意。

参考文献

[1]易图兵.某跨线式高铁客站平均风荷载数值风洞模拟[J].四川建筑，2019，39（1）：76-78.

[2]张相庭.结构风工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[3]张敏，楼文娟，何鸽俊，等.群体高层建筑风荷载干扰效应的数值研究[J].工程力学，2008（1）：179-185.

[4]江帆，黄鹏.Fluent高级应用与实例分析[M].北京：清华大学出版社，2008.

[5]吕付玉，杨仕超，詹杰民，等.高层建筑表面风压的数值风洞模拟研究[J].中山大学学报：自然科学版，2008，47（S2）：117-121.

[6]王福军.计算流体动力学分析[M].北京：清华大学出版社，2004.