空气幕在U型竞技场地中防风效果的数值模拟研究

柳方园, 刘 衎,2,3, 王泽远, 崔会敏, 刘庆宽,2,3

(1.石家庄铁道大学 土木工程学院,河北 石家庄 050043;2.石家庄铁道大学 省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室,河北 石家庄 050043;3.河北省风工程和风能利用工程技术创新中心,河北 石家庄 050043;4.石家庄铁道大学 数理系,河北 石家庄 050043)

0 引言

为解决上述问题,使用空气幕与挡风墙的组合形式来降低冬奥比赛场地的风速。李家乐等[3]研究了不同高度挡风墙在不同来流风速下的防风效果,证明挡风墙的设置可有效削减近地表风速,明显改善了近地表风场。杨伟超等[4]将不同形态下高铁挡风墙的气动性能做了对比,得出了防风效果较好的挡风墙形态。空气幕目前在商场、厂房、冷库等建筑中应用尤其广泛[5]。刘荣华等[6]对空气幕不同出口角度下工作面气流流场及空气幕两侧呼吸性粉尘浓度分布进行数值模拟,分析空气幕出口角度对其隔尘效果的影响,找到了隔尘空气幕工作效率较高的角度范围。空气幕用于工业中的除尘降噪[7-9]等应用证明了空气幕广泛的适用性以及可用性。也有学者证明了使用空气幕可以在室外的场地中对一定目标区域的流场起到干预[10],其区域内风速可能会有较大的改变。研究拟建立空气幕与U型竞技场地精细化物理模型及网格模型,采用CFD数值仿真方法,通过研究挡风墙高度、空气幕射流角度与U型竞技场地流场特性的关系,最终得出最佳的空气幕及挡风墙设计方案。

1 物理模型及数值方法

1.1 物理模型

图1 二维物理模型(单位:m)

研究对象为U型竞技场地与空气幕、挡风墙多体系统。考虑到赛场来流风为单向以及流场特性的复杂,挡风墙采用单侧布置。U型竞技场地剖面长为20.00 m,深度6.70 m,U型竞技场地底部由2个半径为6.70 m的1/4圆以及1条长6.60 m的平坦直线构成。距离U型竞技场地左侧3.50 m处设置一堵挡风墙,墙高为h,墙上中央位置放置空气幕,空气幕射流速率为v,射流角度为α,来流速率为U=10.0 m/s。二维物理模型如图1 所示。三维模型可看作通过二维模型在Z方向拉伸得到,拉伸长度为6 m,模型平面尺寸与二维一致。

1.2 计算方法

数值计算采用计算流体力学(CFD)软件FLUENT,二维情况下的湍流模型采用SSTk-ω湍流模型。k-ω模型在近壁面采用k-ω方程计算,在湍流充分发展处采用k-ε方程[11],由于本次数值模拟要研究U型竞技场地周围一定区域内流场稳定下的风速,后续也会对场地近壁面处的流场特性进行研究,综合考虑,最终选用k-ω的衍生模型SSTk-ω湍流模型。三维情况下采用LES模型。湍动能与比耗散率均采用二阶迎风格式,动量方程采用有限中心差分,速度与压力耦合方式采用二阶有限隐式方法。计算采用SIMPLEC格式求解压力速度耦合方程组。

1.3 边界条件及工况设置

1.3.1 边界条件

模拟风吹过挡风墙和空气幕组合的流体计算流域,为保证湍流风的充分发展,依据经验选取二维流域尺寸为400 m×1 200 m。边界条件设置情况如图2所示:(1)流域入口以及空气幕设置为速度进口,速度分别为U和v,对于湍流边界条件,采用湍动能k和比耗散率w参数组合。(2)因为出口接近湍流充分发展情况,故出口边界采用压力出口。(3)流域上侧设置为对称边界条件。(4)地面,挡风墙空气幕组合以及U型竞技场地采用无滑移边界条件。三维情况下除前后面为周期性边界条件之外,其余设置与二维情况下一致,如图3所示。

图2 二维边界条件(单位:m)

图4 目标降风区域(单位:m)

1.3.2 工况设置

(1)v=4U,α=30°,挡风墙高h为0、0.5H、0.75H、H、1.5H(H=2 m)。

(2)h=H,v=4U,射流角度α为20°、30°、40°、50°、60°、70°。

死体可燃物含水率(Y)与降水(X1)、相对湿度(X3)、连旱天数(X4)、风速(X5)、蒸发量(X6)之间的数学模型为：

1.4 模型验证

1.4.1 网格无关性验证

重点关注U型竞技场地内及其上空的风速,风向等,目标降风区域如图4所示。采用ICEM进行网格划分,二维及三维网格划分如图5所示。为了保证精度以及提高计算速度,对此区域内进行了网格加密处理。

图5 二维及三维网格

图6 监测点位置

二维模型网格量为1.2×105左右,三维模型网格量为1.54×106左右。选取3×104、1.2×105、4.6×105这3种网格量来进行网格无关性验证,以图6中1、2、3点第500 s时的瞬时速率作为评判标准。从表1可以看出,发现当网格量从3×104增加到1.2×105时P1速率变化幅度较大,当网格量由1.2×105增加到4.6×105时,3点的速率增幅均在5%以下,考虑计算时长以及计算结果的准确性,选择1.2×105网格量的网格进行计算。

表1 网格无关性验证

1.4.2 时间步长无关性验证

选取0.01、0.004、0.001 s 3个时间步长来进行时间步长无关性验证,同样以1、2、3点第500 s时的瞬时速率作为评判标准。从表2可以看出,当时间步长由0.01 s减小到0.004 s时,P1点速率增幅较大,当时间步长由0.004 s减小到0.001 s时,3点速率增幅均在5%以下,选择0.004 s的时间步长进行计算。

表2 时间步长无关性验证

针对二维模型,监控了1、2、3点的瞬时速率,当计算到500 s时,3点的瞬时速率均已基本稳定,证明此时计算已经收敛,认为500 s为最终的发展演化状态。

2 结果分析

2.1 二维与三维情况对比

首先进行URANS湍流模型和LES湍流模型的比较, 2种方法下由Q准则表示的漩涡结构如图7所示,可以看出,使用URANS湍流模型发现在轴向上没有明显的涡分离现象,而LES湍流模型可以捕捉到更多的涡结构,所以三维情况采用LES湍流模型进行。

图7 URANS模型以及LES模型由Q准则表示的漩涡结构

图8 二维和三维情况下y/H=1处风速比

采用LES湍流模型进行了三维情况下的计算,v=4U,h=H,α=30°。比较s=0.5H、s=1.5H、s=2.5H这3个截面与二维情况下在y/H=1高度上的风速比,并将这3组风速比取平均值,与二维情况下在y/H=1高度上的风速比进行对比,如图8所示,发现2组数据相差很小,所以本模型的3D效应并不是很明显,接下来主要针对二维模型进行研究。

2.2 空气幕及墙的组合对流场特性的影响

图9 不同情况下的风速比云图及流线图

如图9(a)可以看出,在来流风的作用下,流域上侧的速度梯度很小,其风速大致与未受到挡风墙干扰的来流风速相同,此区域为外部流动层。U型竞技场地内形成了一个天然的庇护区,庇护区内的风速较小,大部分在0.35U之下,同时由于负压还引起了一个顺时针方向的回流漩涡。但由于U型场地两侧上方的风速较大,所以必须采取一定的措施来降低此区域内的风速。如图9(b)所示,在U型场地前方设置一堵2 m高的挡风墙,在流域上侧仍然存在外部流动层,来流风在墙顶向上抬升形成上部绕流,与上方速度梯度较小的来流风相互作用,导致风速增大。在墙背处形成了负压回流区,从图9可看到明显漩涡。随着距离的增加,剪切层逐渐降低,由于上部高风速和下部低风速的逐渐汇合,尾流层不断扩张,最终墙后风速脱离墙的影响,恢复至墙前未受扰动的初始状态。目标降风处内仍然存在风速较大的区域,并未达到防风目标。如图9(c)所示,放置空气幕于墙体之上,给予其一定的射流角度以及射流速度,来流风受墙体的阻挡以及空气幕射流的影响向上抬升,形成绕流并且风速增加,由于空气幕的存在,剪切层的高度得到提升,低风速区域变大,并且U型场地上方形成了一个较大的回流漩涡。随着墙后距离的增加,尾流层同样不断扩张,最终墙后风速脱离墙的影响,恢复至墙前未受扰动的初始状态。但是,相比较墙上未安装空气幕的情况,需要更远的距离才能恢复至初始状态,也就是放置了空气幕之后,对流场的影响范围变得更大。

2.3 不同墙高对场地的影响

图10 风环境系数物理量示意图(单位:m)

为了更好地评价场地的防风效果,定义图10所示的风环境影响系数来量化空气幕挡风性能,在比赛中,当运动员滞空时,很容易受到风的影响失去平衡,所以重点关注运动员滞空时,也就是A、B处的风坏境系数。公式如下

(1)

式中,U为来流风速;Ues为等效风速;具体定义如下

(2)

挡风效率定义为

η=1-λ

(3)

挡风墙高设置为0、0.5H、0.75H、H、1.5H,此时v=4U,α=30°。对比不同墙高下的风速比云图,如图11所示。h=0时在U型场地右侧运动员即将腾空时出现了高风速区域,而当挡风墙存在时,此区域内的高风速区域消失,并且此时U型场地内部风速更小,低风速区域面积占比更大。随着墙高的增加,U型场地内部的低风速区域也就越大,同时U型场地右侧的高风速区域也有向右移动的趋势。同时,由图12可以看出,墙高从0.5H增加到1.5H的过程中,A、B处的挡风效率越来越高。所以墙高为1.5H时对风的折减效果最好,但是考虑到赛场的美观以及比赛转播的问题,挡风墙的高度不宜过高,选择墙高为H。

图11 不同墙高下的风速比云图

图12 不同墙高下的挡风效率

2.4 不同射流角度对场地的影响

设置h=H,v=4U,射流角度α设置为20°、30°、40°、50°、60°、70°来研究当射流角度不同时场地的流场特性。由图13可以看出,当α=20°时,U型场地上方剪切层的高度较低,低风速区域的面积较小。随着空气幕射流角度的增加,当α从30°增加到60°的过程中,可以看出U型场地上方低风速区域面积越来越大,而当α继续增加到70°时,上方剪切层高度又有降低的趋势。U型场地右侧运动员即将腾空处存在风速在0.3U～0.35U的区域,随着α由20°增加到50°的过程中,此区域向右移动,当α继续增加到70°的过程中,此区域出现向左移动的趋势。同时根据图14可以看出,随着α的增加,挡风效率也有逐渐降低的过程,所以空气幕的射流角度不宜过大,在50°～60°之间最适宜。

图13 不同射流角度下的风速比云图

图14 不同射流角度下的挡风效率

3 结论

通过CFD数值模拟的方法对U型竞技场地在不同挡风墙高,不同空气幕射流角度情况下的流场特性进行了研究,研究发现:

(1)用空气幕加挡风墙的组合可以为U型竞技场地提供满足比赛要求的风环境。当只有一堵挡风墙时,会在墙顶形成明显的边界层分离现象,能够提供一定的低风速区域,但是墙高较小时,U型场地风速并不能达到比赛要求,而当使用空气幕后会对风速起到很好的折减作用,风速能够达到比赛要求。

(2)空气幕射流角度一定的情况下,选择挡风墙高度为2 m。挡风墙和空气幕组合能对来流风起到阻挡和能量耗散的作用,在墙后形成剪切层,在空气幕射流角度一定的情况下,墙高越高,剪切层的高度越大,庇护距离也就越远。但考虑到实用性,最终选择墙高为2 m。

(3)挡风墙高度为2 m时,选择空气幕射流角度为50°～60°。当墙高一定时,剪切层高度随射流角度的增大呈先上升后降低的趋势,综合考虑挡风效率,空气幕射流角度为50°～60°时的效果最佳。