PDF《王辉第32 卷第0期应用》

4 应用力学学报第32 卷 有无挑檐对双坡屋面建筑风压分布的影响,为结构 抗风暴设计与研究提供参考.

2 数值模拟方法 2.1 控制方程 基于 Reynolds 时均方法(RANS)建立下击暴 流风场控制方程,采用 RNG k-ε 湍流模型进行封闭 求解,控制方程如下[11,15] : (1) (2) (3) (4) 式中:Ui、Uj 轴方向的平均速度分量;

k、ε 分别为 湍动能和湍能耗散率;

P 为平均压力;

??为空气密 度;

???为气流运动粘性系数;

, , , 为平均应变张量;

为湍流涡粘性系数;

, , , , , , . 2.2 边界条件 结合文献[16],入口采用速度入口边界条件, 湍流强度为 1%;

出口采用压力出口边界条件;

其 余则采用无滑移壁面条件. 2.3 系数定义 风压系数定义为: (5) 式中:Cpi 为第 i 测点风压力系数;

Pi 为第 i 测点风 压力值;

Pjet 为下击暴流速度入口位置中心处的静压;

Vjet 为参考高度平均风速, 取为下击暴流入口位置处 初始风速;

为空气质量密度. 风荷载体型系数为: (6) 式中: 为所计算表面的总面积;

为测点 i 所属 表面面积.

3 数值模拟验证与计算分析 3.1 数值模拟验证 以文献[14]的平屋面建筑模型为验证对象,该 模型的长* 宽* 高=45* 45*

45 mm3 ,按喷射流原理建 立下击暴流场分析模型,计算域 Lx* Ly* Lz 取为 14D0* 14D0* 3.5D0(见图 2), 初始喷射直径D0 取0.61 m,入口风速按文献[14]取Vjet=13 m/s.为提高计算 精度,采用结构化网格对风暴场计算域进行剖分, 对建筑周围网格进行加密,整个计算域网格总数约

180 万,如图 3. 图2计算区域及边界条件 Fig.2 Computational domain and boundary conditions 图3计算区域网格剖分 Fig.3 Grid subdivision of computational domain 图4分别给出平屋面建筑模型风压系数的模拟

5 应用力学学报第32 卷 值云图及有关测点模拟值与试验值[14] 的比较.由图 可知,建筑模型的迎风面、屋面的数值模拟结果与 试验结果吻合较好,侧风面吻合度稍差,最大偏差 出现于侧风面,其差值为 0.12,但均在误差可以接 受的范围内.分析表明,CFD 方法可以较好模拟下 击暴流风场,对于预测该类建筑风场效应比较有效. (a)风压系数模拟值分布 (b) 测点数据比较 (a) (distribution of simulated wind (b) (comparison of measuring pressure coefficient) points data) 图4r/D0=1.0 处风压系数模拟值分布及测点处模拟值与试验值(括号 内)比较 Fig.4 Distribution of simulated wind pressure coefficient and comparison between simulated and test values (in brackets) at the position of r/D0 = 1.0 3.2 模拟分析 文献[6]指出:下击暴流径向风速随着径向距 离的增加而迅速增大,并在 r/D0≈1.0 位置处达到 极值后迅速减小.因此,以单栋双坡屋面建筑为对 象,针对其处于下击暴流 径向最大风速位置(r/D0=1.0),考虑屋面坡角、风向角及有无挑檐变 化条件,分析建筑表面风荷载分布变化特性.建筑 尺寸为 L*B*h1=8* 16*

10 m

3 ,坡面坡角 β 按0o 、 15o 、 30o 、45o 、60o 变化;

风向角 α 按0o 、15o 、22.5o 、 45o 、 67.5o 变化;

挑檐尺寸设定为 B*E*T=16* 0.5* 0.1 m3 .考虑到风压分布的局部性,对建筑表面进行分 区(见图

5、6). 图5建筑示意图 Fig.5 Architectural diagram 图6建筑风向与分区示意图 Fig.6 Building wind direction and zoning diagram 初始喷射直径 D0 取1000 m,计算域 Lx* Ly* Lz 取为 12D0* 12D0* 3D0.采用结构化网格对风暴场计 算域进行剖分,并进行网格的无关性验证,排除网 格剖分方式对计算结果的影响.图7给出了风向 α=0° 、坡角 β=45° 时计算区域的网格剖分. 图7计算区域网格剖分(α =0° , β =45° ) Fig.7 Grid subdivision of computational domain (α =0 ° , β =45° ) 3.3 结果分析 3.3.1 风向与坡角对屋面风压影响 风向与坡角变化对建筑屋面风压分布有较大 影响,表现为:迎风屋面风压随屋面坡角增大从负 压逐渐变为正压,且随风向角的增大风压有先增大 后减小的趋势;