基于CFD的某會展中心大跨屋蓋結(jié)構(gòu)體型系數(shù)研究

■ 山東建筑大學(xué) 魏曄 楊大彬

同圓設(shè)計集團有限公司 劉浩

計算流體動力學(xué)(CFD)的飛速發(fā)展，給風(fēng)工程的研究手段帶來了巨大的變革。與真實的建筑風(fēng)洞相比，建筑數(shù)值風(fēng)洞具有建筑模型幾何外形數(shù)據(jù)前置處理靈活方便、能夠滿足各種相似準(zhǔn)則、計算速度快、費用低、結(jié)果采集更為全面等方面的優(yōu)點，因而是一個極具發(fā)展前景的領(lǐng)域[1]。本文采用數(shù)值風(fēng)洞模擬的方法，對某會展中心大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載體型系數(shù)的分布規(guī)律作了研究，將計算結(jié)果與風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)做出對比，并針對該工程呈階梯型錯落分布的特點，得出相關(guān)結(jié)論。

圖1 某會展中心效果圖

該會展中心包含五個大跨屋蓋，五個大跨屋蓋的屋面高度呈階梯狀遞增（圖1），且展館區(qū)域內(nèi)擬建高層建筑及裙房，故風(fēng)荷載的相互干擾效應(yīng)明顯。此外，會展中心屋蓋呈波浪狀起伏，屋蓋周圍懸挑出挑長度達3m，這在我國目前的規(guī)范中沒有給出相應(yīng)的風(fēng)荷載體型系數(shù)。因此，需要對該構(gòu)筑物周圍的風(fēng)場環(huán)境進行數(shù)值仿真模擬研究，從而更為精確地確定該構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載取值，同時需要與風(fēng)洞試驗結(jié)果進行對比，為主結(jié)構(gòu)及維護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算提供依據(jù)。

1.數(shù)值風(fēng)洞模型介紹

1.1 幾何外形建模

圖2 會展中心數(shù)值風(fēng)洞外形模型

為保證在計算精度的基礎(chǔ)上使網(wǎng)格劃分容易實現(xiàn)，按原型尺寸進行建模，模型比例為1：1；同時，對會展中心大跨部分細部外形予以簡化，將裙房簡化為一圓柱體，柱高與實際工程相同。五個大跨屋蓋所在的場地本身具有一定坡度，本模型將根據(jù)實際坡度變化情況，通過布朗運算在Gambit 網(wǎng)格劃分軟件中予以實現(xiàn)。圖2為在auto CAD 中建立的建筑外形。

本模擬采用0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°共8個風(fēng)向角進行計算分析，以模型南面為0°，風(fēng)向依次逆時針旋轉(zhuǎn)，示意圖見圖3。

圖3 風(fēng)向角規(guī)定示意圖

1.2 計算域及網(wǎng)格劃分方案

由于本模型同時包含高層建筑與大跨建筑，因此，計算域的寬度和高度應(yīng)適當(dāng)加大。計算域取4400m（長）×3220m（寬）×900m（高）。建筑群置于計算域前端的1/3處，最大阻塞率為1.18%，滿足阻塞度＜3%的要求[2]。

為了提高運算效率，將整個計算流域劃分為6個區(qū)域：建筑物附近為網(wǎng)格加密區(qū)，加密區(qū)尺寸為900m（長）×900m（寬）×375m（高），加密區(qū)體網(wǎng)格的元素主要采用四面體/混合網(wǎng)格（Tet/Hybird），網(wǎng)格類型為TGrid。從加密區(qū)的五個表面向外輻射出五個棱臺，作為非加密區(qū)。建筑物表面網(wǎng)格邊界間隔長度（Interval Size）為1.2m。

1.3 湍流模型及邊界條件

湍流模型采用SST k-ω 模型[3]，模型入口邊界條件為velocity-inlet，入口邊界采用速度入口。按照我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，大氣邊界層風(fēng)速剖面由公式（1）獲得：

其中，U0、Z0表示標(biāo)準(zhǔn)參考點高度處的平均風(fēng)速和標(biāo)準(zhǔn)參考點高度，我國相關(guān)規(guī)范規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)參考點高度為10m。U0取值與風(fēng)洞試驗一致，為10m/s。表示建筑物所在地的地面粗糙度指數(shù)，本文統(tǒng)一按B 類地貌取為 =0.15。Z表示流場內(nèi)某一點的高度，UZ表示該高度的平均風(fēng)速。

入口湍流強度I(z)根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》 （GB50009- 2012） 按公式（2） 計算：

式中 =0.15，Zg=10m。

比耗散率 由公式（3） 獲得：

上式中L 可取為水力直徑，本模擬取為建筑群迎風(fēng)面寬度。入口速度剖面和湍流強度剖面都通過UDF 與fluent 接口實現(xiàn)[4]。風(fēng)速剖面和湍流強度剖面見圖4、圖5。

1.4 參考壓力位置及收斂標(biāo)準(zhǔn)

選一個在計算域中遠離流域邊界且不受建筑模型影響的位置作為參考壓力位置。本文模型中參考壓力位置取為建筑物前方2m 左右。

圖4 入口風(fēng)速剖面

圖5 入口湍流強度剖面

控制方程中對流項的離散格式均采用二階迎風(fēng)離散格式，壓力速度耦合方式采用SIMPLEC 算法。欠松弛因子均取軟件默認缺省值。啟動所有變量的殘差監(jiān)視功能，殘差收斂精度全部設(shè)置為1.0×10-4。與此同時，監(jiān)測的表面平均體型系數(shù)基本不再發(fā)生變化時，認為計算結(jié)果已經(jīng)收斂達到穩(wěn)定[5]。

2.數(shù)值模擬結(jié)果

圖6-圖9是大跨屋蓋在幾個主要風(fēng)向角下的速度矢量圖和風(fēng)壓系數(shù)分布圖。在0°風(fēng)向角下，大跨屋蓋大部分區(qū)域風(fēng)壓系數(shù)為負值，說明風(fēng)荷載以吸力為主。由于風(fēng)的爬坡效應(yīng)，五個屋蓋表面的風(fēng)壓隨著屋蓋高度的增加而變大。在屋蓋前緣，流體發(fā)生分離而出現(xiàn)了很小的風(fēng)壓系數(shù)值，最小值達到-1.6左右。在圖6中，可以在屋蓋前緣觀察到明顯的流體分離現(xiàn)象，同時可以觀察到背風(fēng)面的環(huán)流。

在180°風(fēng)向角作用下，屋蓋大部分區(qū)域風(fēng)壓系數(shù)為負值。風(fēng)壓系數(shù)極小值出現(xiàn)在最高屋面迎風(fēng)側(cè)角部。受下山風(fēng)的影響，由高到低五個屋蓋表面風(fēng)壓系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。同樣受到塔樓和裙房的干擾作用，高層附近風(fēng)壓分布較為雜亂。在風(fēng)速矢量圖中，可以觀察到迎風(fēng)面前端的駐渦。

圖6 0°風(fēng)向角下大跨屋蓋風(fēng)速矢量圖

圖7 180°風(fēng)向角下大跨屋蓋風(fēng)速矢量圖

在90°及270°風(fēng)向角下，屋蓋表面風(fēng)壓系數(shù)普遍較小。在90°風(fēng)向角下，受到右側(cè)坡形平臺的影響，上部的三個屋蓋迎風(fēng)側(cè)并未出現(xiàn)極小風(fēng)力系數(shù)值。相比之下，下部的兩個屋蓋迎風(fēng)側(cè)氣流分離現(xiàn)象明顯。整個屋蓋全部處于負壓區(qū)。在270°風(fēng)向角下，受到塔樓和裙房的干擾效應(yīng)，裙房后面的屋蓋部分風(fēng)壓等值線非常密集且雜亂無章，說明此處風(fēng)場變化劇烈。

圖8 90°風(fēng)向角下大跨屋蓋風(fēng)壓系數(shù)分布

圖9 270°風(fēng)向角下大跨屋蓋風(fēng)壓系數(shù)分布

3.數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗結(jié)果的對比

圖10-圖13給出了0 °、315 °風(fēng)向下屋蓋平均風(fēng)壓系數(shù)與風(fēng)洞試驗結(jié)果的對比圖。從圖中可以看出，屋蓋風(fēng)力系數(shù)的整體分布情況與風(fēng)洞試驗吻合較好，其變化趨勢基本一致；部分風(fēng)向角下的風(fēng)壓系數(shù)數(shù)值也非常接近，但仍有一定差別。

圖10 0°風(fēng)向角下大跨屋蓋風(fēng)壓系數(shù)分布(基于CFD)

圖11 0°風(fēng)向角下大跨屋蓋風(fēng)壓系數(shù)分布(基于風(fēng)洞試驗)

圖12 315°風(fēng)向角下大跨屋蓋風(fēng)壓系數(shù)分布(基于CFD)

分析產(chǎn)生誤差的原因，首先，數(shù)值模擬所采用的湍流模型本身就存在著一定的近似性，用模式化的湍流方程去求解工程上常見的非定常流動，其誤差難以避免。其次，有限的網(wǎng)格劃分數(shù)量和計算硬件的容量，對于求解精度會產(chǎn)生一定的影響。再次，風(fēng)洞試驗的入口邊界條件并不能完全符合式（1）、式（2），這與數(shù)值模擬又有所不同。此外，數(shù)值模擬所采用的建筑外形與風(fēng)洞試驗中的建筑外形不可避免地有所差異，這也會導(dǎo)致兩者結(jié)果有所不同。

4.結(jié)論

圖13 315°風(fēng)向角下大跨屋蓋風(fēng)壓系數(shù)分布

通過對某會展中心的CFD 數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗結(jié)果對比研究，發(fā)現(xiàn)兩者的風(fēng)壓分布在整體規(guī)律上基本保持了一致。部分風(fēng)向角下具體數(shù)值也與風(fēng)洞試驗結(jié)果吻合較好。但也有部分風(fēng)向角下的數(shù)值計算結(jié)果與風(fēng)洞試驗結(jié)果略有差異，且多為CFD 數(shù)值模擬結(jié)果小于風(fēng)洞試驗結(jié)果。

風(fēng)荷載作用下，大跨屋蓋部分的邊緣區(qū)域和屋蓋角部由于風(fēng)的分離效應(yīng)導(dǎo)致風(fēng)壓系數(shù)較大，局部極小值達到-2.5左右，但屋蓋中間區(qū)域體型系數(shù)較小，因此，在對屋面維護結(jié)構(gòu)進行抗風(fēng)設(shè)計時，應(yīng)對屋蓋進行合理分區(qū)，不同區(qū)域采用不同的抗風(fēng)措施，以達到安全經(jīng)濟的效果。

對于該工程中的高層建筑部分，由于建筑外面玻璃幕墻較多，且數(shù)值模擬結(jié)果顯示局部風(fēng)壓系數(shù)很大，可達到-3.0左右，因此在玻璃幕墻設(shè)計中應(yīng)予以加強。