高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型繞流數(shù)值模擬

周費(fèi)宏， 王成剛， 邱新法， 何永健

(1.南京信息工程大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院， 南京 210044; 2.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院， 南京 210044)

隨著城市化進(jìn)程的加快，我國(guó)城市建筑高度顯著增加[1]，這對(duì)城市氣候和建筑的安全造成了巨大的影響。對(duì)于高層建筑而言，由于風(fēng)速的指數(shù)增長(zhǎng)，建筑物周圍的分離、旋渦、停滯、回流、再附著和再循環(huán)等現(xiàn)象都較為復(fù)雜[2]，若在設(shè)計(jì)時(shí)考慮不周，很可能會(huì)導(dǎo)致建筑產(chǎn)生振動(dòng)、部分設(shè)施的脫落、甚至局部或整體損壞。因此，高層建筑的風(fēng)環(huán)境及風(fēng)荷載評(píng)估已成為一個(gè)不可或缺的主題。

傳統(tǒng)的風(fēng)工程研究方法主要分為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量以及使用縮比例的風(fēng)洞試驗(yàn)，存在著難度高、周期長(zhǎng)、費(fèi)時(shí)費(fèi)力等問(wèn)題[3]。近年來(lái)，計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)技術(shù)已逐漸被應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域，成為了1種用于模擬建筑物周圍風(fēng)環(huán)境與表面風(fēng)荷載的新型有效方法[4-5]。自1975年以來(lái)，高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型(commonwealth advisory aeronautical research council，CAARC)已成為建筑領(lǐng)域內(nèi)的公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)模型[6]，由于該模型能夠較好地體現(xiàn)目前城市高層建筑的特征，因此已有中外學(xué)者針對(duì)CAARC高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型開展相應(yīng)研究。Meng等[7]選用4種基于雷諾時(shí)均法(reynolds average navier-stokes，RANS)的湍流模型，對(duì)CAARC模型在改進(jìn)的D類風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下，進(jìn)行了4個(gè)風(fēng)向下數(shù)值模擬，認(rèn)為建筑附近的流場(chǎng)特征受風(fēng)向和湍流模型的影響較大，其中Realizablek-ε和SSTk-ω模型的準(zhǔn)確度較高，其次是Standardk-ε及RNGk-ε模型。姚帥[8]利用3種基于RANS法的湍流模型，在D類風(fēng)場(chǎng)下環(huán)境下對(duì)2種細(xì)密程度的CAARC網(wǎng)格模型進(jìn)行了0°風(fēng)向下的數(shù)值模擬，認(rèn)為SSTk-ω模型模擬結(jié)果最好，其次是Standardk-ε和RNGk-ε模型。左太輝等[9]采用3種基于RANS法的湍流模型，在B類風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下，模擬0°和90°風(fēng)向下的CAARC模型表面風(fēng)壓，認(rèn)為RANS法不能在模型側(cè)風(fēng)面得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果；Huang等[10]采用RANS法對(duì)D類風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下的CAARC模型進(jìn)行了0°風(fēng)向的數(shù)值模擬，認(rèn)為RANS法可以得到令人滿意的結(jié)果。

綜上所述，在以往對(duì)于城市高層建筑風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值模擬研究中，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都未考慮網(wǎng)格模型的細(xì)密程度會(huì)對(duì)模擬結(jié)果造成的影響，且模擬工況的選擇較為單一，不夠全面，導(dǎo)致所得結(jié)論普適性較差。鑒于此，現(xiàn)采用4種網(wǎng)格劃分方案對(duì)CAARC高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行劃分，通過(guò)選用Standardk-ε、RNGk-ε和Realizablek-ε3種目前最為常用的高雷諾數(shù)湍流模型，分別在城市(B類風(fēng)場(chǎng)環(huán)境)、郊區(qū)(D類風(fēng)場(chǎng)環(huán)境)兩類風(fēng)場(chǎng)環(huán)境以及0°和90°風(fēng)向條件下進(jìn)行數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與國(guó)內(nèi)外權(quán)威風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，以此評(píng)估網(wǎng)格模型細(xì)密程度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響以及3種高雷諾數(shù)湍流模型在不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的可靠性與準(zhǔn)確性，最后通過(guò)分析風(fēng)場(chǎng)可視化流場(chǎng)和速度等值線圖，得到CAARC模型在不同實(shí)驗(yàn)條件下的表面風(fēng)壓分布機(jī)理及流場(chǎng)分布特性，為使用CFD技術(shù)預(yù)測(cè)城市高層建筑表面風(fēng)壓分布及周圍流場(chǎng)提供一定的參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 模擬軟件

利用ICEM CFD 15.0軟件進(jìn)行數(shù)值模擬的前處理階段，主要包括確定計(jì)算域大小、劃分網(wǎng)格模型、設(shè)定邊界類型等。求解階段使用Fluent 15.0軟件模擬計(jì)算域內(nèi)的流動(dòng)。后處理階段使用Tecplot 360 EX 2018 R1軟件，該軟件用于將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)榍逦庇^的圖像，包括等值線圖、速度矢量圖等。

1.2 模擬對(duì)象

CAARC高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型是目前國(guó)際上常見(jiàn)的風(fēng)工程標(biāo)準(zhǔn)模型，其尺寸大小為30.48 m×45.72 m×182.88 m(150 ft×100 ft×600 ft)[6]。在建筑高度2/3的位置處(121.92 m)，從0°風(fēng)向角下迎風(fēng)面最左側(cè)開始，沿逆時(shí)針?lè)植脊苍O(shè)置20個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 模型結(jié)構(gòu)及壓力測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.1 Model structure and distribution of pressure measuring points

1.3 網(wǎng)格劃分方案

計(jì)算域的大小為1 800 m(X向)×600 m(Y向)×1 000 m(Z向)，建筑模型位于流域沿X軸方向1/3處，通過(guò)旋轉(zhuǎn)建筑物模型的朝向來(lái)模擬0°和90°風(fēng)場(chǎng)下的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。通過(guò)式(1)計(jì)算得到該計(jì)算域的阻塞率約為1.4%，滿足試驗(yàn)要求。

45.72×182.88/600×1 000≈0.013 9

(1)

由于CAARC高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，因此采用六面體網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行劃分。為達(dá)到計(jì)算的精確性并減少網(wǎng)格總量，通過(guò)對(duì)建筑物模型及周圍區(qū)域劃分邊界層的方式進(jìn)行加密，其余區(qū)域則劃分較為稀疏的網(wǎng)格。流域區(qū)域和建筑區(qū)域的最大網(wǎng)格分別為20 m和3 m，共設(shè)置4組建筑邊界層網(wǎng)格生成方案，如表1所示。其中，利用方案4對(duì)CAARC高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的結(jié)果如圖2所示。

表1 邊界層網(wǎng)格劃分方案Table 1 Boundary layer mesh generation scheme

圖2 網(wǎng)格模型劃分結(jié)果(方案4)Fig.2 Grid model generation results (scheme 4)

1.4 湍流模型

目前基于RANS法的湍流模型主要分為高雷諾數(shù)湍流模型和低雷諾數(shù)湍流模型，由于在使用低雷諾數(shù)湍流模型時(shí)需要將建筑物邊界層網(wǎng)格劃分的盡量小，這會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間大大增加，降低其實(shí)用性。因此選用常見(jiàn)的3種基于RANS法的高雷諾數(shù)模型進(jìn)行模擬。

(1)Standardk-ε模型需要通過(guò)求解兩個(gè)獨(dú)立的輸運(yùn)方程，其中，湍流動(dòng)能k的傳輸方程可以精確推導(dǎo)，而湍流耗散率ε的推導(dǎo)則依賴于現(xiàn)象和經(jīng)驗(yàn)，且需要假設(shè)流動(dòng)必須是完全湍流[11]，因此該模型只適用于完全湍流情況下的流動(dòng)過(guò)程模擬。

(2)RNGk-ε模型是在Standardk-ε模型的基礎(chǔ)上提出的，考慮了渦流對(duì)湍流的影響，并增加了湍流普朗特?cái)?shù)的解析公式[12-13]，這些特性使之比Standardk-ε模型具有更高的計(jì)算精度，以及更廣泛的適用范圍。

(3)Realizablek-ε模型采用公式代替常數(shù)改進(jìn)了湍流黏性和湍流耗散率傳輸?shù)挠?jì)算，在紊流的模擬中具有良好的效果[14]。

1.5 模擬方案

為能夠更加全面充分地對(duì)3種湍流模型進(jìn)行比較分析，共設(shè)置4組模擬方案，分別為：①0°風(fēng)向角下的B類風(fēng)場(chǎng)環(huán)境;②0°風(fēng)向角下的D類風(fēng)場(chǎng)環(huán)境;③90°風(fēng)向角下的B類風(fēng)場(chǎng)環(huán)境;④90°風(fēng)向角下的D類風(fēng)場(chǎng)環(huán)境。其中，0°風(fēng)向角為與CAARC模型長(zhǎng)邊垂直的來(lái)流風(fēng)風(fēng)向，90°風(fēng)向角為來(lái)流風(fēng)垂直吹向模型短邊時(shí)的風(fēng)向。固定模型在流域中的位置不變，以通過(guò)旋轉(zhuǎn)其朝向的方式實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)向角下的模擬。D類和B類風(fēng)場(chǎng)分別代表城市中心及遠(yuǎn)離城市中心的城郊區(qū)域，二者在目前城市現(xiàn)代化建設(shè)中比較有代表性，主要區(qū)別在于對(duì)應(yīng)的地面粗糙度指數(shù)α和梯度風(fēng)高度ZG有所不同，具體數(shù)值可參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2001)[15]得到，如表2所示。

1.6 邊界條件

設(shè)置計(jì)算域邊界條件如表3所示，并在入流面上進(jìn)行風(fēng)速U、湍流動(dòng)能k及湍流耗散率ε的設(shè)置。

表2 中國(guó)地貌粗糙度分類Table 2 Classification of geomorphic roughness in China

利用式(2)來(lái)模擬入流面上大氣邊界層風(fēng)速U隨高度的變化，即

(2)

式(2)中：Z為流域內(nèi)某一高度；H為參考高度，取值182.88 m；UH為速度入口參考高度處的風(fēng)速，取值11.7 m/s。

湍流動(dòng)能k為

k=1.5(UI)2

(3)

式(3)中：I為湍流強(qiáng)度，本文中參考國(guó)際規(guī)范建議對(duì)湍流強(qiáng)度進(jìn)行取值[16]，如式(4)所示：

(4)

式(4)中：在B類風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下，I0、β、Zb、ZG分別為0.23、0.2、5、350 m；在D類風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下，I0、β、Zb、ZG分別為0.31、0.5、5、450 m。

湍流耗散率ε的計(jì)算公式為

(5)

式(5)中：l為湍流尺度，計(jì)算公式為

(6)

表3 邊界條件設(shè)置Table 3 Boundary condition setting

1.7 驗(yàn)證數(shù)據(jù)

在1975年第5屆國(guó)際建筑和結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)會(huì)議上，參會(huì)人員通過(guò)討論一致決定采用5家權(quán)威機(jī)構(gòu)的高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)技術(shù)校驗(yàn)依據(jù)，詳細(xì)數(shù)據(jù)可參考文獻(xiàn)[6]。除了與國(guó)際上CAARC高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型要求相似的D類風(fēng)場(chǎng)外，同濟(jì)大學(xué)于2004年還在B類風(fēng)場(chǎng)下對(duì)其進(jìn)行了測(cè)壓實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)數(shù)據(jù)可見(jiàn)文獻(xiàn)[17]。因此，本文研究分別將D類和B類風(fēng)場(chǎng)下的計(jì)算結(jié)果與國(guó)外權(quán)威研究機(jī)構(gòu)National Aeronautical Establishment(NAE)[6]和同濟(jì)大學(xué)TJ-2建筑風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)[17]進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬結(jié)果誤差統(tǒng)計(jì)

對(duì)各模擬方案下的CAARC標(biāo)準(zhǔn)模型計(jì)算各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的平均風(fēng)壓系數(shù)Cp，其計(jì)算公式為

(7)

再將計(jì)算所得平均風(fēng)壓系數(shù)Cp與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行均方根誤差(RMSE)統(tǒng)計(jì)，其計(jì)算結(jié)果如表4所示，計(jì)算公式為

(8)

式(8)中：i為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的編號(hào)；m為監(jiān)測(cè)點(diǎn)總數(shù)；xi為監(jiān)測(cè)點(diǎn)i處數(shù)值模擬所得的平均風(fēng)壓系數(shù)Cp；yi為監(jiān)測(cè)點(diǎn)i處的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由表4可得，當(dāng)建筑物網(wǎng)格模型的生成方案為方案一時(shí)，3種湍流模型在各模擬方案下所得結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的均方根誤差均最大；隨著邊界層網(wǎng)格的加密，所得結(jié)果的均方根誤差也逐漸減小，最終當(dāng)網(wǎng)格模型的生成方案為方案4時(shí)，模擬結(jié)果的均方根誤差達(dá)到最小，3種湍流模型在方案1和方案4時(shí)所得均方根誤差平均相差40%～50%。

在0°風(fēng)向角下，當(dāng)網(wǎng)格模型生成方案為方案1和方案2時(shí)，3種湍流模型的均方根誤差較為接近，在方案3和方案4時(shí)，RNGk-ε模型的均方根誤差會(huì)比其余兩種模型小大約50%；90°風(fēng)向角時(shí)，4種網(wǎng)格模型生成方案下，3種湍流模型的均方根誤差均較為接近，在方案4下RNGk-ε模型的均方根誤差要略小于其余兩種模型，相差在10%以內(nèi)。

在4種模擬方案下，無(wú)論處于0°還是90°風(fēng)向角，B類風(fēng)場(chǎng)下3種湍流模型所得結(jié)果的均方根誤差均比D類風(fēng)向下大，二者相差大約30%，這可能是因?yàn)樵谶M(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比時(shí)，選用的風(fēng)洞數(shù)據(jù)并非來(lái)自同一風(fēng)洞機(jī)構(gòu)導(dǎo)致的。

表4 模擬結(jié)果與風(fēng)洞數(shù)據(jù)的誤差統(tǒng)計(jì)Table 4 RMSE error statistics of simulation results and wind tunnel data

2.2 2/3H高度處平均風(fēng)壓系數(shù)分布

將方案4下生成的建筑物網(wǎng)格模型在4種模擬方案下所得平均風(fēng)壓系數(shù)與驗(yàn)證數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可得，在4種實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，3種湍流模型在迎風(fēng)面上(0°和90°風(fēng)向下對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的編號(hào)分別為1～5及16～20)的模擬結(jié)果幾乎沒(méi)有區(qū)別，均與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，平均誤差均可控制在10%以內(nèi)。

在背風(fēng)面(0°和90°風(fēng)向下對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的編號(hào)分別為11～15及6～10)，0°風(fēng)向下，RNGk-ε模型的模擬結(jié)果要比其余兩種模型更接近風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在兩類風(fēng)場(chǎng)下的平均誤差均在10%以內(nèi)；其余兩種湍流模型在B類和D類風(fēng)場(chǎng)下的平均誤差分別約為20%和15%。90°風(fēng)向下，3種湍流模型的模擬結(jié)果較為接近，在B類風(fēng)場(chǎng)下與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，但在D類風(fēng)場(chǎng)下均小于風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，平均誤差大約為30%。

圖3 3種湍流模型在4種模擬方案下的平均風(fēng)壓系數(shù)Fig.3 Average wind pressure coefficients of three turbulence models under four simulation schemes

在側(cè)風(fēng)面(0°和90°風(fēng)向下對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的編號(hào)分別為6～10、16～20及1～5、11～15)，0°風(fēng)向下，RNGk-ε模型與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合較好，變化趨勢(shì)基本一致，平均誤差可控制在10%以內(nèi)；其余兩種模型所得平均風(fēng)壓系數(shù)的變化趨勢(shì)與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)正好相反，平均誤差大約在30%左右。90°風(fēng)向下，3種湍流模型的模擬結(jié)果均與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)有較大差別，且越靠近迎風(fēng)面處的模擬結(jié)果越不準(zhǔn)確，這可能是由于數(shù)值模擬過(guò)程中過(guò)高地估計(jì)了分離部位的湍流動(dòng)能所致，如圖3(c)和圖3(d)中的1號(hào)～3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；而在遠(yuǎn)離迎風(fēng)面的4號(hào)和5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，3種湍流模型的平均誤差會(huì)大大減小，且RNGk-ε模型的模擬結(jié)果要略優(yōu)于其余兩種模型，所得結(jié)果的平均誤差大約比其余兩種模型小10%左右。綜上所述，RNGk-ε模型在90°風(fēng)向下的模擬結(jié)果要略好于其余兩種模型。

2.3 風(fēng)壓系數(shù)等值線分布

圖4給出了3種湍流模型在0°風(fēng)向下，B類和D類風(fēng)場(chǎng)環(huán)境中所得建筑各立面的平均風(fēng)壓系數(shù)等值線分布。

(1)在迎風(fēng)面，3種湍流模型在B類和D類兩類風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下的平均風(fēng)壓系數(shù)均呈現(xiàn)上大下小再變大的分布趨勢(shì)，駐點(diǎn)位置均出現(xiàn)在建筑物立面的(1/2)H和(2/3)H高度處。

(2)在背風(fēng)面，3種湍流模型在兩類風(fēng)場(chǎng)下的平均風(fēng)壓系數(shù)均呈現(xiàn)上小下大的分布趨勢(shì)。其中，Standardk-ε與Realizablek-ε模型在B類風(fēng)場(chǎng)下所得平均風(fēng)壓系數(shù)的變化區(qū)域主要集中在中下部區(qū)域，D類風(fēng)場(chǎng)下的變化區(qū)域則主要集中在立面中部區(qū)域，且變化強(qiáng)度要更為劇烈。而RNGk-ε模型在兩類風(fēng)場(chǎng)下所得平均風(fēng)壓系數(shù)的變化區(qū)域及變化趨勢(shì)基本一致，無(wú)明顯差別。

圖4 3種模型在各立面的平均風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.4 The average wind pressure coefficient distribution of three model in each fa?ade

(3)在側(cè)風(fēng)面，Standardk-ε與Realizablek-ε模型所得平均風(fēng)壓系數(shù)沿左上角向右下角呈45°角方向梯度增大。在B類風(fēng)場(chǎng)下，兩種模型所得平均風(fēng)壓系數(shù)的變化區(qū)域主要集中在立面左側(cè)1/2處，D類風(fēng)場(chǎng)下則向右延伸至立面2/3處，且變化強(qiáng)度更為劇烈。RNGk-ε模型所得平均風(fēng)壓系數(shù)大致呈現(xiàn)上小下大的分布趨勢(shì)，在兩類風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下所得平均風(fēng)壓系數(shù)的變化區(qū)域較為相似，但在立面中部區(qū)域，B類風(fēng)場(chǎng)所得平均風(fēng)壓系數(shù)的變化強(qiáng)度要略大于D類風(fēng)場(chǎng)。

綜上所述，在兩類風(fēng)場(chǎng)下，3種模型在建筑物迎風(fēng)面處均能保持較強(qiáng)的一致性，但在建筑物背風(fēng)面及側(cè)風(fēng)面上，RNGk-ε模型的規(guī)律性要更強(qiáng)。因此，RNGk-ε模型在兩類風(fēng)場(chǎng)下進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)的穩(wěn)定性與規(guī)律性要優(yōu)于其余兩種模型。

2.4 速度分布與流場(chǎng)分析

圖5和圖6分別給出了在B類風(fēng)場(chǎng)條件下，0°和90°風(fēng)向下的各湍流模型所得X-Z(Y=0)平面流線分布圖及平面X-Y[Z=(2/3)H]的速度等值線圖。

如圖5所示，無(wú)論在0°還是90°風(fēng)向下，建筑物背風(fēng)面的上半部分皆出現(xiàn)旋渦，這是建筑物背風(fēng)面處產(chǎn)生吸力的主要原因。相比而言，0°風(fēng)向下的RNGk-ε模型所得旋渦較為緊實(shí)且旋渦中心更貼近于建筑壁面；Standardk-ε模型與Realizablek-ε模型所得旋渦較大，旋渦中心比RNGk-ε模型的旋渦中心位置要矮，且與建筑壁面之間存在一定距離，這導(dǎo)致Standardk-ε模型與Realizablek-ε模型在背風(fēng)面處風(fēng)吸力的模擬值比RNGk-ε模型的模擬值要低。

90°風(fēng)向下，3種湍流模型所得旋渦的大小皆小于0°風(fēng)向下所得旋渦，且中心位置要比0°風(fēng)向下更靠近背風(fēng)面頂部區(qū)域，因此90°風(fēng)向下的建筑物背風(fēng)面處風(fēng)吸力模擬值比0°風(fēng)向下要低。與0°風(fēng)向下模擬情況不同，90°風(fēng)向下的3種湍流模型所得旋渦大小以及旋渦中心位置都較為接近，因此3種湍流模型在建筑物背風(fēng)面處所得平均風(fēng)壓系數(shù)及風(fēng)壓分布趨勢(shì)也較為接近。

如圖6所示，0°風(fēng)向下的RNGk-ε模型在側(cè)風(fēng)面上的湍流復(fù)雜度要比其余兩種湍流模型高，這是導(dǎo)致其在建筑側(cè)風(fēng)面處平均風(fēng)壓系數(shù)比其余模型低(絕對(duì)值高)的原因。其次，RNGk-ε模型形成的尾流區(qū)比其余湍流模型小，速度變化較大，大約在距迎風(fēng)面100 m處消散；其余兩個(gè)湍流模型形成的尾流區(qū)較大，速度變化也較為平緩，最終在距迎風(fēng)面大約150 m處消散。90°風(fēng)向下，3種湍流模型得到的平面X-Y[Z=(2/3)H]速度等值線圖較為接近。在側(cè)風(fēng)面上，RNGk-ε型的湍流復(fù)雜度要高于其余兩種模型，這與0°風(fēng)向下的結(jié)論相似。有所不同的是：90°風(fēng)向下的3種湍流模型所得尾流區(qū)大小相近，且區(qū)域內(nèi)的速度變化趨勢(shì)相同，最終都在距迎風(fēng)面大約130 m處消散。

3 結(jié)論

通過(guò)選用3種高雷諾數(shù)湍流模型，對(duì)CAARC高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型在不同網(wǎng)格劃分方案、不同風(fēng)場(chǎng)環(huán)境及不同風(fēng)向條件下進(jìn)行繞流數(shù)值模擬，并將所得結(jié)果與國(guó)內(nèi)外權(quán)威風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，所得如下結(jié)論。

圖5 0°和90°風(fēng)向角下的流線分布圖Fig.5 Streamline distribution at 0 ° and 90 ° wind directions

圖6 0°和90°風(fēng)向角下的速度等值線圖Fig.6 Velocity contour map at 0 ° and 90 ° wind direction angle

(1)不同細(xì)密程度的邊界層網(wǎng)格模型會(huì)對(duì)模擬結(jié)果造成明顯影響，選用更精細(xì)的網(wǎng)格模型可模擬得到更接近風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果。在4種模擬方案下，選用最精細(xì)的網(wǎng)格模型(方案4)時(shí)，Standardk-ε與Realizablek-ε模型所得結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的均方根誤差要比選用最稀疏的網(wǎng)格模型(方案1)時(shí)小40%～50%，RNGk-ε模型則受邊界層網(wǎng)格模型的影響更大，相差達(dá)50%～70%。

(2)在B類和D類風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下，3種湍流模型在建筑物迎風(fēng)面上的平均風(fēng)壓系數(shù)均呈現(xiàn)上大下小的分布規(guī)律，最大值分別出現(xiàn)在立面的1/2和2/3高度處，所得結(jié)果較為相似。在背風(fēng)面與側(cè)風(fēng)面，RNGk-ε模型在兩類風(fēng)場(chǎng)下所得平均風(fēng)壓系數(shù)的變化區(qū)域及變化趨勢(shì)基本一致，無(wú)明顯差別，而其余兩種模型在不同風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下的變化趨勢(shì)及變化范圍均有較大不同。因此，RNGk-ε模型在不同風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)的穩(wěn)定性與規(guī)律性均高于其余兩種模型。

(3)0°風(fēng)向下，3種湍流模型在建筑迎風(fēng)面上所得模擬結(jié)果較為接近且與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，平均誤差可控制在10%以內(nèi)；在背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面，RNGk-ε模型優(yōu)于其余兩種模型，其中RNGk-ε模型的平均誤差在10%左右，其余兩種模型均超過(guò)20%。90°風(fēng)向下，3種湍流模型在建筑物迎風(fēng)面和背風(fēng)面上所得模擬結(jié)果較為接近，平均誤差可分別控制在10%和20%以內(nèi)；在側(cè)風(fēng)面，RNGk-ε模型的模擬結(jié)果要略好其余兩種模型。

(4)0°風(fēng)向下，3種湍流模型在建筑物背風(fēng)區(qū)產(chǎn)生較大風(fēng)吸力，使得側(cè)面風(fēng)壓分布趨于均勻，因此0°風(fēng)向下的建筑物側(cè)風(fēng)面誤差普遍較小。90°風(fēng)向下，建筑尾流區(qū)頂部的旋渦較小，因此對(duì)背風(fēng)面產(chǎn)生的負(fù)壓力要小于0°風(fēng)向；同時(shí)較寬的側(cè)風(fēng)面尺寸使得來(lái)流運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)多樣性，使得模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大差異。