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低矮房屋表面平均风压的数值模拟和实测及风洞试验比较研究_王相军戴益民闫旭光刘也

来源:未知 浏览次数: 日期:2019-10-28 04:44

  低矮房屋表面平均风压的数值模拟和实测及风洞试验比较研究_王相军戴益民闫旭光刘也_能源/化工_工程科技_专业资料。第 44 卷 第 10 期 2014 年 5 月下 建筑结构 Building Structure Vol. 44 No. 10 May 2014 低矮房屋表面平均风压的数值模拟和实测 及风洞试

  第 44 卷 第 10 期 2014 年 5 月下 建筑结构 Building Structure Vol. 44 No. 10 May 2014 低矮房屋表面平均风压的数值模拟和实测 及风洞试验比较研究* 王相军, 戴益民, 闫旭光, 刘 也 ( 湖南科技大学土木工程学院,湘潭 411201) [摘要] 基于 ANSYS 软件,采用 Realizable k-ε,RNG k-ε 和 SST k-ω 三种湍流模型对体型比为 1. 5∶ 1∶ 1低矮房屋模 型迎风面、边缘及屋面的表面风压分布及变化规律进行数值模拟研究,数值模拟结果与同体型比的实测房屋及风 洞□◁试验结果对比表明,数值模拟结果与实测及风洞试验结论基本吻合,验证了三种湍流模型研究低矮房屋表面风 压的可靠性,并对三种结果进行分析,研究结果能为国内低矮房屋设计提供有价值的参考。 [关键词] 低矮房屋; 风压系数; 数值模拟; 实测 中图分类号: TU312 + . 1 文献标识码: A 文章编号: 1002-848X( 2014) 10-0084-05 Numerical simulation,field measurements and wind tunnel of mean wind pressures on the low-rise building surface Wang Xiangjun,Dai Yimin,Yan Xuguang,Liu Ye ( College of Civil Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China) Abs•●tract: Based on ANSYS software,the wind pressure on a model building at a geometric scale of 1. 5∶ 1∶ 1 was computed with fluent models of Realizable k-ε,RNG k-ε and SST k-ω. The distribution and change law of mean wind pressures of the windward side,eaves and roof of the building were summarized. Based on the analysis of the differences between wind tunnel test,field measurements and numerical results,it is found that the results of numerical simulation agree well with wind tunnel test and field measurements. The reliability of three turbulent models was proved,and similarities and differences were analyzed. It is expected that the study results should be valuable for wind-resistance design of low-rise buildings. Keywords: low-rise building; wind pressure coefficient; numerical simulation; field measurement 0 引言 全球每年有 100 亿美元以上的损失是由风灾造 成的,其中 低 矮 房 屋 破 坏 造 成 的 损 失 占 总 损 失 的 50% 以上。我国是台风频发的国家,低矮房屋由台 风引起的损失逐年增加。因此,深入研究低矮房屋 的风载特征具有十分重要的社会及现实意义。 风洞试验是研究低矮房屋抗风的重要手段,但 在分离和尾流区试验数据与实测结果存在着较大差 异,Hoxcy 等[1]认为风洞试验缩尺效应是造成这种 差异的主要原因。对比风洞试验,数值模拟具有周 期短、成本低、模型变化灵活的优点,可以研究不同 参数对房屋表面风压的影响规律。目前,国内外利 用数值模拟方 法 取 得 很 多 成 果,Hargreaves[2] 编 写 UDF 程序替换 FLUENT k-ε 标准湍流模型,得到相 对比较精确的 ABL 出口剖面。不少学者[3,4]使用不 同湍流模型对单个低矮房屋在非台风风场环境▪•★下的 风载特征进行了数值模拟,认为 RNG k-ε 湍流模型 能更好地 模 拟 钝 体 结 构 的 绕 流。 顾 明 等[5] 研 究 表 明 RSM 模型和 SST 模型得到的结果与实测及风洞 试验结果 能 较 好 地 吻 合。 周 绪 红 等[6] 研 究 表 明 标 准 k-ε,Realizable k-ε,RNG k-ε 、标 准 k-ω 和 SST k-ω 湍流模型均能满足工程应用精度的要求。 不同的风场对单个低矮房屋的风载特征影响很 大,由于强台风作用下低矮房屋表面风压实测数据 比较难以获得,所以目前基于台风实测结果进行数 值模 拟 研 究▼▲ 较 少。本 文 采 用 Realizable k-ε,RNG k-ε 和 SST k-ω 湍流模型对体型比 1. 5∶ 1∶ 1的低矮房 屋模型进行数值模拟研究,针对△▪▲□△不同风向角,深入研 究低矮房屋迎风面角部、边缘及屋脊等局部区域的 表面风压分布及变化规律,对比分析结果与强台风 作用下低矮房屋实测结果,研究不★▽…◇同湍流模型在迎 风屋面、屋脊等气流分流及漩涡脱落区域的表面风 压,探索低矮◆▼房屋表面风压研究的方法。 1 试验方法 1. 1 低矮房屋模型的介绍 本文研究模型的测点布置见图 1,模型尺寸等 参数见表 1。 * 交通运输部科技项目 ( 40 ) ,国家自然科学基金项目 ( 51248001) ,湖南科技大学项目( J11216) 。 作者简介: 王相军,硕士,Email: wangxiangjun_nan@ 126. com。 第 44 卷 第 10 期 王相军,等. 低矮房屋表面平均风压的数值模拟和实测及风洞试验比较研究 85 图 2 计算域及网格划分 图 1 测点布置及风向示意图 / cm 数值试验工况对应的试验参数 表1 工 模型尺寸 计算域尺寸 风向角 地表 风速 湍流 况 /m /m /° α 状况 /( m /s) 强度 1 90 8. 02 0. 14 2 6 × 4 × 4 96 × 36 × 40 60 B 类 0. 16 16. 88 0. 12 3 45 11. 68 0. 12 注: 风速及风向为参考高度( 10m) 处的平均风速及风向。 - ( ) v( z) = z α v0 z0 - 式中: v( z) 为高度 z 处的平均风速; z0 = 10m; v0 为 高度为 10m 处的平均风速; α 为地面粗糙度指数。 湍流强度 I 根据台风实测数据分析得出的结论 取值见下式[8]: { ( ) I0 ( z ≤ 5) I= 0. 067 z -α-0. 05 ( 5 < z ≤ 350) 350 式中 I0 由表 1 换算所得。 入口处的风速、湍流强度剖面见图 3。 1. 2 数值模拟方法 数值模拟模型尺寸为 6m × 4m × 4m( 长 × 宽 × 高) ,屋面坡角为 1. 1°,低矮房屋模型位于流域入口 方向的 1 /3 处,计算模型的阻塞率符合外部绕流场 小于 5% 的原则。 模型网格的划分采用以下控制措施: 1) 网格划 分采用 Gambit 软件完成。当斜风作用时,将整个域 分为内外域分别进行网格划分,在建筑模型附近的 内域,采用非结构化网格; 在远离模型的外域空间, 采用具有规则拓扑结构的六面体结构化网格。当垂 直风作用时,流域▼▼▽●▽●整体采用结构化网格,并在房屋的 近壁面使用边界层,最小网格尺寸在 0. 01m 左右。 2) 在房屋的近壁面,雷诺数较低,湍流发展不充分, 需要采用特殊的处理方式,通过改变近壁面网格间 距及布置形式,让近壁面网格落在壁面函数适用范 围内。计算域与网格划分如图 2 所示。 1. 2. 1 边界条件 ( 1) 入口来流条件: 采用速度进口,平均风度剖 面与湍流参数通过 UDF 编程加载到入口中。参考 《建筑结构荷载规范》( GB 50009—2012) 规定及实 测结果,大气边界层速度剖面采用 B 类地貌指数风 剖面。指数风剖面是 G. Hellman 在 1916 年提出,由 A. G. Davenport[7]根据实测分析得到下列指数函数: 图 3 入口速度、湍流强度剖面 来流湍•☆■▲动能 k 、湍流耗散率 ▪…□▷▷•ε 和湍流频率 ω 的 计算公式为 k = 3 2 ( - vI) 2 ,ε 3 = 3 C 4 μ k2 l ,ω = k1 /2 C1 /4 μ ,其中 l Cμ 通常取为 0. 09; l 为端流尺度。 ( 2) 出口条件: 采用 Outflow,任意物理量在流场 出口法向梯度为零。 ( 3) 流域顶部及两侧: 采用自由滑动壁面。 ( 4) 结构表面和地面: 采用无滑移壁面条件。 1. 2. 2 参数设置和收敛标准 在低矮房屋的数值模拟中,采用非平衡壁面函 数来模拟壁面附近的流场,离散控制方程对流项采 用一阶迎风格式,利用 Simple 算法求解流场压力-速 86 建筑结构 2014 年 度耦合方程,湍流模型中的各相关经验常数使用缺 省值。收敛标准为无量纲均方根残差降至10 - 4 以 下,且房屋表面风压不变时,则流场进入稳态。 2 结果分析与比较 结构表面的压力采用无量纲的平均风压系数 Cpi 表示: Cpi = pi - p∞ 1 2 ρU2ref 式中: pi 为结构表面某点 i 的压力; ρ 为空气密度, 1. 225kg / m3 ; Uref 为参考高度处的风速,以入口处初 始速度为参考速度; p∞ 为参考点处的静压; 平均风 压系数 Cpi 符号定义为压力向下为正、向上为负。 2. 1 低矮房屋表面风压分布 为研究低矮房屋( 屋面、迎风墙面及背风墙面) 中轴线测点的平均风压分布规律,基于表 1 中的三 个工况,分析数值模型的纵、横向中轴线上测点的平 均风压系数变化规律( 图 4,5) ,可见: ( 1) 90°风向角时,气流垂直于房屋短边,迎风 墙面上的测点平均风压系数为正值,即受力为压力, 背风、侧面及屋面测点的平均风压系数全为负值,即 受到吸力作用。在迎风屋面屋檐形成强烈的气流分 离而产生高吸力区,最大平均风压系数为 - 2,离迎 图 4 房屋中轴线测点平均风压系数 图 5 数值模拟的屋面平均风压系数 风屋面短边越远,平均风压系数越小。60° 风向角 时,屋面风压的分布发生明显改变,迎风屋檐及角部 区域的平均风压系数变化较◁☆●•○△大,变化范围在 - 1. 7 ~ - 0. 5之间,而 远 离 这 些 区 域 的 平 均 风 压 系 数 在 - 0. 5 ~ - 0. 4 之间变化,主要是由于漩涡★◇▽▼•脱落导致 风压的再附着引起的。45°风向角时,平均风压系数 等值线沿风向呈对称分布,角部测点 27 和测点 23 区域( 图 1) 平均风压系数最大。表明风向角对低矮 房屋迎风屋面角部及边缘的平均风压系数影响较 大,主要因为气流在此区域分离及涡旋脱落引起气 流再附着,从而形成局部表面平均风压系数较大值, 所以该区域在强风作用下极易损毁,从而导致低矮 房屋整体损坏。 ( 2) 所有纵、横向测点中,屋面测点 30 和测点 12 平均风压系数最大为吸力。 ( 3) 三种湍流模型都较好地反映了房屋平均风 压系数的变化规律。在三个特殊风向角作用下,纵 向测点的平均风压系数随风向角的增大而增大。 2. 2 房屋模型周围风场分析 由图 6 可知,风场在迎风墙面的 2 /3 高度处发 生了分离,该位置以下的气流向下并在水平地面处 形成驻涡区; 该位置以上的气流上升并越过建筑物 顶面。图 7 为 45°风向角迹线°斜风作★△◁◁▽▼用时,来 流在▲●…△迎风面角部发生分离,生成两个角锥形的涡并 向下流动,导致屋面形成局部高负压区。 2. 3 数值模拟与实测及风洞试验结果的比较 模型实测房屋原型尺寸为 6m × 4m × 4m( 长 × 第 44 卷 第 10 期 王相军,等. 低矮房屋表面平均风压的数值模拟和实测及风洞试验比较研究 87 图 6 90°风向时中线数值剖面风速矢量图 值模拟和风洞试验的结果较为接近,均能满足工程 应用精度的要求。 ( 3) 数值模拟所得到的平均风压系数要小于实 测的结果( 吸力) 。主要由于在台风或热带风暴正 面登陆实测地点时,风速与风向变化剧烈,产生相当 高的湍流度,且在台风邻近风眼区域,形成了剧烈的 上升气流和明显的下沉气流,这种交互的上升与下 沉气流直接导致屋面迎风屋檐局部区域承受交替变 化的较大吸力与压力风载,这些台风特征没法在数 值模拟中完成。国内外已有较多学者对实际风场状 况进行了模拟,只要采用合适的湍流模型及参数,数 值模拟可以模拟台风登陆后湍流度比较小的风场 ( 除台风风眼外的其他低湍流度区段) 及季风风场。 图 7 45°风向角迹线图 宽 × 高) ,坡角为 1. 1°,实测房屋位于南海某近◆◁•海 岸,南北迎海,场地平整,地貌为 B 类,风洞试验在 湖南大学风工程研究中心的 HD-2 大气边界层风洞 的高速试验段完成[9]。基于上述强台风实测结果, 本文深入研究不同湍流模型在迎风屋面、屋檐等气 流分流及漩涡脱落区域的表面风压与实测及风洞试 验结果存在的差异,并分析造成这些差异的原因,代 表测点的平均风压系数见图 8。由图 8 可见: ( 1) 90°风向角时,气流在屋檐角部产生分离并 导致漩涡脱落,产生较高的应变率,而且流线的弯曲 程度较大,RNG k-ε 模型得到的平均风压系数与实 测值在迎风屋檐相差 10% 之内,表明 RNG k-ε 模型 能更好地处 理 这 种 流 动[10]。 但 在 侧☆△◆▲■ 面 边 缘 湍 流 发 展不充分,RNG k-ε 模型的精度降低,侧面边缘的平 均风压系数要远小于实测值。45°风向角时,即分离 更严重的斜风条件下,Realizable k-ε 模型模拟的结 果在迎风屋檐角部邻近测点( 30,26,20) 与实测值 相差 25% ,其他屋面测点的平均风压系数与实测值 极为接近。测点 30,测点 26 和测点 20 的平均风压 系数最大,在 45°风向角的台风作用下,该部位最容 易发生破坏。60°风向角时,数值模拟与实测及风洞 试验结果表明,测点 26 为平均风压系数绝对值最大 点,远离迎风角部平均风压系数逐渐减少,且三种方 法得到的平均屋檐风压系数具有相同的变化趋势。 ( 2) 与风洞试验结果对比表明,三种不同风向 角作用下,Realizable k-ε,RNG k-ε 及 SST k-ω 的数 图 8 数值模拟与台风实测及风洞试验平均 风压系数的对比 3 结论 ( 1) 数值风洞可以构造与实际建筑物相同的计 算模型模拟定常风环境,避免了风洞试验采用缩尺 88 建筑结构 2014 年 试验方面的不足。 ( 2) 数值模拟表明,体型比为 1. ▪▲□◁5∶ 1∶ 1的房屋的 迎风面受正 压,屋 面、背 风 面 和 侧 面 主 要 受 负 压 作 用,房屋 外 表 面 拐 角 区 域 多 出 现 高 负 压、高 负 压 梯度。 ( 3) 湍流模型采用 Realizable k-ε,RNG k-ε 和 SST k-ω 模型,其都是针对标准 k-ε 模型进行的一些 改进,在高雷诺数湍流中精度很高。本文结合近些 年文献试验结果并不断模拟尝试确定数值模拟中的 相关系数。 ( 4) Realizable k-ε,RNG k-ε 和 SST k-ω 湍流模 型在不同风向作用时模拟精度不同,但除屋檐气流 分离角点差异比较大之外,其他表面均能满足工程 应用精度的要求。 ( 5) 通过对比分析数值模拟得到的表面风压和 实测的结果得出比较一致的结论: 迎风面屋角是最 容易破坏的地方,风洞试验、数值模拟和实测结果在 此处差别最大。得到的结论不仅能为沿海地区低矮 房屋设计提供参考,也能为 ANSYS 软件真实模拟台 风风环境提供参考。 参考文献 [1 ] HOXCY P, RICHARDS R P, SHORT L J. Wind pressures on a 6m cube [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2001, 89: 1553-1564. [2 ] HARGREAVES D M,WRIGHT N G. On the use of the k-ε model in commercial CFD software to model the neutral atmospheric boundary layer [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2007, 95: 355-369. [3 ] 金新阳,杨伟,金海,等. 数值风工程应用中湍流模型 的比较研究[J]. 建筑科学,2006,22( 5) : 1-5. [4 ] 马剑,程国标,毛亚郎. 基于 CFD 技术的群体建筑风 环境研究[J]. 浙江大学学报: 自然科学版,2007,35 ( 3) : 351-354. [5 ] 顾明,杨伟,黄鹏. TTU 标模风压数值模拟及试验对比 [J]. 同济大学学报: 自然科学版,2006,32 ( 12) : 12631567. [6 ] 周绪红,聂少峰,周天华,等. 低层双坡屋面建筑三维 定常风场的数值模拟[J]. 工程力学,2010,27( 3) : 1929. [7 ] DAVENPORT A G. The relationship of wind structure to wind loading[C]/ / Proceedings of the symposium on wind effect building and structures. Great Britain: National Physics Laboratory,1965: 54-102. [8 ] 戴 益 民,李 正 农,李 秋 胜,等. 低 矮 房◇=△▲ 屋 的 风 载 特 性———近地风剖面变化规律的研究[J]. 土木工程学 报,2009,42( 3) : 42-48. [9 ] 戴益民. 低矮房屋风载特征的实测及风洞试验研究 [D]. 长沙: 湖南大学,2010. [10] 王福军. 计算流体动力学分析———CFD 软件原理与应 用[M]. 北京: 清华大学出版社,2004. [11] 彭兴黔,刘春艳,徐刚. 低矮建筑屋面风荷载体型系 数的数值模拟[J]. 华侨大学学报: 自然科学版,2011, 32( 5) : 579-583. ( 上接第 99 页) 了一个膜材应用的分析,见图 16,17。可以看到十 年间膜 材 用 ▲=○▼量 增 长 了 20 倍 ( 有 的 企 业 仅 提 供 了 2012 年总额,图 16 未计•□▼◁▼入) ,展现出膜结构迅速发 展的良好势头。由图 17 则可以看到,2012 年膜材 用量合计 285 万 m2 ,市场估计至少还要放大 20% , 即 300 万 m2 。其中 PTFE,ETFE 全部进口,PVC 膜 材国产量仅占半数,也就是说在高档膜材方面我们 还尚需努力。 表 2 是对三次 APCS 会议论文的统计,可以看 图 16 2003 ~ 2012 年我国 膜材用量 图 17 2012 年各类 膜材用量 三次 APCS 会议论文统计 表2 会议时间 总论 文数 论文数排名前 7 的国家及论文数 1996 年北京 94 日本 中国 韩国 英国 澳大利亚 美国 新加坡 ( 17 个国家) 29 15 10 6 5 4 4 2006 年北京 256 中国 日本 韩国 英国 美国 荷兰 德国 ( 29 个国家) 116 43 11 11 9 8 7 2012 年首尔 309 中国 日本 韩国 德国 伊朗 丹麦 英美 ( 32 个国家) 66 63 38 27 14 13 各 9 到,不计主办国的优势,2012 年我国论文数刚刚超◆●△▼● 过日本,说明逐步赶上来了。作为 APCS 会议的中 方主办单位深感自豪,空间结构分会有望办成国际 上有影响的协会组织。但是,至今尚无公认的某一 种广为应用的结构体系是出自中国人的创新,这再 次说明要建设空间结构强国,我们还需努力,但距离 不远了。 让我们充满信心、担起责任,为实现“空间结构 强国梦”而共同努力!

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