低层房屋屋面平均风压的风洞试验和数值模拟

顾 明,赵雅丽,黄 强,黄 鹏,全 涌,谢壮宁

(1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海200092；2.汕头大学土木学院,广东515063)

0 引 言

我国东南沿海地区台风活动频繁,台风经常造成大量建筑物,尤其是量大面广的低层民房的损坏甚至倒塌,其损失占了风灾损失中相当大的比重。虽然有关低层房屋风荷载特性的研究国外已经开展了较长的时间,且其中有不少研究成果已被有关国家的风荷载设计标准所采用。但在国内,关于低层房屋抗风问题的研究仍未成为结构风工程研究领域的一个重要课题,相关方面的投入和学术关注均很低[1]。

目前对低层房屋的风荷载研究主要采用风洞试验和现场实测的方法,然而无论是风洞试验,还是全尺寸实测都存在着试验经费大、周期长等问题[2],更重要的是不易进行大规模的参数分析,从而全面地掌握表面风压随各类房屋参数、场地参数等的变化规律。随着计算机技术的应用,计算流体动力学(CFD)理论的发展,数值模拟技术已成为研究建筑物风效应的一种有效的方法。在多参数分析问题上,CFD也体现了较之其他两种手段的优越性。

带挑檐的低层双坡屋面房屋是我国东南沿海地区所广泛采用的建筑形式。本文以此类建筑为研究对象,利用fluent6.0平台,根据标准TTU模型计算分析结果,采用雷诺应力模型(RSM),选用较为合理的参数设定,对其进行了CFD数值模拟,并将数值模拟的表面平均风压结果与风洞试验的结果进行了对比分析,验证了数值方法模拟低层建筑平均风压分布的适用性。

1 低层双坡房屋的风洞试验及数值模拟方法

1.1 试验设备及试验模型

试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室风洞试验室的TJ-2大气边界层风洞中进行[3]。该风洞试验段尺寸为3m宽、2.5m高、15m长,试验风速范围从0.5m/s～68m/s,流场性能良好。

本试验对双坡带挑檐低层房屋模型(图1)进行试验,测量房屋屋面的风压系数。考虑到一般低层建筑的尺寸和风洞试验段尺寸,选择模型的几何缩尺比为1/30。模型平面尺寸350mm(长)×233mm(宽),檐口高度 H=233mm,坡角 α=30°,挑檐长度 l=33.3mm。模型表面共布置236个测点,其中屋顶表面布置180个测点,测点布置如图1所示。模型用有机玻璃制成,具有足够的刚度和强度。模型在风洞中的阻塞比小于3%,满足风洞试验要求。试验时将模型放置在直径为3.0m的转盘中心,通过旋转转盘模拟不同风向角,风向角的定义见图1。此外,根据一般村镇低层房屋所处地形,本试验模拟了1/30的B类地貌风场,屋面处紊流度大于20%。1米参考高度处的试验风速为15m/s。主要试验结果将在本文有关图中给出,用以和数值模拟结果的比较。

图1 低层房屋、测点布置及风向示意图Fig.1 Schematic diagram of low-rise building,measuring point positions and wind direction

1.2 数值模拟方法

1.2.1 计算域及网格划分

实际建筑的尺寸为10.5m(长)×7m(宽)×7m(檐口高),计算域取为160m×84m×60m,建筑物位于流域沿流动方向1/3处,计算模型的阻塞率满足数值模拟外部绕流场中认为的小于3%的原则。有关研究表明[4],类似于本文计算模型,几何缩尺对计算结果的影响很小,计算结果和相应的物理模型(1∶30)试验结果具有较好的可比性。

为提高计算效率,同时兼顾现有计算资源,在计算域网格离散中对网格总数进行了有效控制,主要采用了以下控制措施:(1)采用混合网格离散方式,将计算域分为内外两部分,在模型附近的内域采用四面体单元,在远离模型的外围空间,采用具有规则拓扑的六面体网格单元进行离散；(2)合理布局近壁面网格间距及布置形式,使近壁面网格落在壁面函数适用范围之内。最终计算模型的网格数控制在70万左右。计算域与网格划分如图2所示。

图2 计算域与网格划分Fig.2 Computation field and grid

1.2.2 边界条件设置

(1)入口来流条件:采用速度进口,给定来流的平均速度剖面与湍流参数。

参考我国建筑结构规范(GB50009-2001)[5]规定,采用B类地貌指数率模拟大气边界层速度剖面分布,10米高度风速取10m/s。来流湍流特性通过直接给定湍流动能k和湍流耗散率ε值的方式给出:

其中,l为湍流特征尺度,湍流强度I采用日本规范中的定义,其表达式为:I=0.1×

(2)出口条件:采用完全发展出流边界条件,即流场任意物理量沿出口法向梯度为零；

(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。

1.2.3 参数设置

如前所述,在低层房屋数值模拟中,雷诺应力模型(RSM)较其他模型有较高的精度,因此本文选用RSM湍流模型,采用非平衡壁面函数来考虑壁面存在对流场的影响。为保证计算的稳定性,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-速度耦合方程。迭代计算的收敛标准设定无量纲均方根残差降至10-4以下,且屋顶表面风压基本保持不变时,即认为流场进入稳态。

2 结果分析与比较

结构表面的压力通常用压力系数Cpi=表示,Pi为作用在结构表面某点i的压力；ρ为空气密度,取 1.225kg/m3；Uref为参考高度处的风速,本文以屋面平均高度为参考高度；P∞是参考点处的静压。风压系数符号约定为:压力向下为正,向上为负。

2.1 不同风向角下风压等值线的比较

图3～图5给出了三种典型风向下(0°,60°,90°)数值模拟和风洞试验屋面风压等值线的比较。

由图可见,60°和90°风向角下数值模拟和风洞试验的屋面平均风压分布吻合的较好,整体的风压分布趋于一致。而0°风向角下,迎风屋面的风压分布两者吻合较好,但数值模拟的背风屋面负压绝对值比试验结果稍偏大。数值模拟和风洞试验都显示,60°风向角下背风屋脊中部是三种风向角下负压最大的区域,数值模拟的值在-1.6左右,而风洞试验值为-1.5,两者接近。相对而言,三种风向角下,在拐角来流分离处,数值模拟的结果都要大于风洞试验结果。主要原因可能是拐角区域脱落的旋涡使得该区域产生非常大的吸力,而计算模型的拐角是理想化的尖角,加速了旋涡的脱落,提高了该处分离的强度,导致负压绝对值有所偏大。

图6和图7给出了计算得到的0°风向角下数值模拟的低层房屋竖直和水平剖面的风速矢量图,矢量图中各箭头的长度和指向表示了该处平均风速的大小和方向。

图3 0°风向时数值模拟结果(左)和风洞试验结果(右)比较Fig.3 Comparison between testing results(right)and numerical simulations(left)(0°wind direction)

图4 60°风向时数值模拟结果(左)和风洞试验结果(右)比较Fig.4 Comparison between testing results(right)and numerical simulations(left)(60°wind direction)

从图6可见,来流在迎风屋面处并未发生流动分离,风速没有明显改变,也没有强的旋涡产生,这是30°坡角下迎风屋面风压较小且没有很大压力梯度的主要原因。同时,数值模拟较好地反映了模型背风面处的回流和背风屋面涡的产生等复杂的流态和相对风速的大小。图7中反映了来流绕过模型后在模型背面形成了两个对称的尾涡,同时在模型侧面伴随着分离和涡的产生。这些是模型侧面受阶梯分布的负压和背风(屋)面受负压的主要原因。

图5 90°风向时数值模拟结果(左)和风洞试验结果(右)比较Fig.5 Comparison between testing results(right)and numerical simulations(left)(90°wind direction)

图6 0°风向时中线竖直剖面风速矢量图Fig.6 Wind speed vector-graph of vertical cut plane

图7 0°风向时4m高度水平风速矢量图Fig.7 Wind speed vector-graph of horizontal plane at 4-meter height

2.2 不同风向角下分块风压系数的比较

为了更进一步定量分析数值模拟与风洞试验模拟结果,图8～图10给出了两者在三种不同风向角下(0°,60°,90°),屋面分块风压系数的比较。

从图中可见,0°风向角下迎风屋面(A1-F1)平均风压数值模拟的结果与风洞试验结果比较相近,风压等值线图也说明了这一点,但由于迎风面平均风压本身比较小,所以相对误差稍大。背风屋面(A2-F2)两者的绝对误差较大,整体上,数值模拟的负压绝对值较风洞试验偏大。60°风向角下除个别区域外(B1,F2)整体屋面风压吻合的较好,误差基本控制在15%左右,在迎风屋面边缘B1和背风屋面角部F2误差稍大。90°风向角下除迎风屋面边缘(B1,D1,F1)负压相对风洞试验稍大外,其他区域的平均风压吻合的很好。

图8 0°风向角屋面分块风压系数数值模拟和风洞试验比较Fig.8 Comparison of block pressure coefficients from test and numerical simulations(0°wind direction)

图9 60°风向角屋面分块风压系数数值模拟和风洞试验比较Fig.9 Comparison of block pressurecoefficients from test and numerical simulations(60°wind direction)

图10 90°风向角屋面分块风压系数数值模拟和风洞试验比较Fig.10 Comparison of block pressure coefficients from test and numerical simulations(90°wind direction)

3 结束语

本文通过对模拟结果的分析以及与风洞试验结果的比较,获得了带挑檐的低层双坡房屋在不同风向角下各表面(主要是屋面)平均风压分布的主要规律和特点。主要结论如下:

(1)在三种典型风向下,数值模拟(足尺模型)和风洞试验(缩尺模型)的结果从整体趋势上看均有较好的吻合。这表明数值模拟方法可以和风洞试验相结合,为低层房屋的抗风设计提供参考依据。

(2)数值模拟和风洞试验均显示,该类房屋的迎风面主要受正压作用,屋面、背风面和侧面主要受负压作用。屋檐、屋脊、山墙顶边和外墙的转角等房屋外表面拐角区域有高负压、高负压梯度出现(如60°风向的最大负压绝对值区出现在屋脊中部,试验值为-1.5,模拟值为-1.6左右)。

(3)值得注意的是,对于此类带挑檐的低层房屋,迎风向挑檐部分的上下表面的净风压会较大(如0°风向时迎风屋檐的上下表面的最大风压系数分别为-0.3和+1.0左右),因此会对挑檐产生很大的向上的力,这在沿海多台风地区的低层房屋设计时应特别注意。

(4)风向改变屋面风压的分布,还将影响各参数对屋面风压的影响程度。

[1]土木结构抗风研究进展及基础科学问题[R].国家自然科学基金建筑环境与土木工程II(土木工程卷)/学科发展战略研究报告,科学出版社,2006.7.

[2]YASUSHI UEMATSU,NICHOLAS ISYUMOV.Wind pressures acting on low-rise buildings[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerod ynamics,1999,82:1-25.

[3]顾明,黄鹏,全涌,赵雅丽.低层建筑风压分布试验研究报告[R].同济大学土木工程防灾国家重点实验室研究报告,2007.

[4]杨伟.基于RANS的结构风荷载和响应的数值模拟研究[D].[博士学位论文].上海:同济大学,2004

[5]中国标准建筑荷载规范(GB50009-2001)[S].2002.