高层建筑三维定常风场数值模拟

:;8+%(’+：R2 ;:/M S.S5J， ;:5 M;5.N1 4/2N K074K/50N 7K . DL :/3:,J/M5 6>/0N/23 /--5JM5N /2;7 .;-7MS:5J5 67>2N.J1 /M 2>, -5J/<.001 M/->0.;5N 6.M5N 72 =0>52; ? * " * B47 ;>J6>052<5 -7N50M， M;.2N.JN !" .J5 >M5N * ! -7N50 .2N @5.0/A.605 !" ! -7N50， E2N ;:5 :16J/N -5M: M<:5-5 /M .N7S;5N * B:5 N5;./05N <7-S.J/M72 65;4552 2>-5J/<.0 M/->0.;/72 .2N 4/2N ;>2250 ;5M; /M 3/P52 * B:5 J5M>0;M M:74 ;:.; 67;: M;.2N.JN !" ! -7N50 .2N @5.0/A.605 !" ! -7N50 /2 =0>52; ? * " <7>0N 3/P5 J5M>0;M KJ7- ;:5 P/54 7K 523/255J/23 .SS0/<.;/72 * T745P5J， ;:5 @5.0/A.605 !" ! -7N50 /M J50.;/P501 -7J5 J5.M72.605 * <$0 2,%/8：<7-S>;.;/72.0 4/2N 523/255J/23；:/3:,J/M5 6>/0N/23；2>-5J/<.0 M/->0.;/72 工程结构的抗风研究主要采用试验的方法在风洞中完成， 随着计算机硬件水平的飞速发展和 O=L （ <7-, 技术的不断完善， 出现了与试验相对应的数值模拟方法 * 数值模拟较之传统的风洞试 S>;.;/72.0 K0>/N N12.-/<M） 验主要有以下优点： 所需周期短、 效率高； 可以进行全尺度的模拟， 克服风 ! 成本低， " 不受模型尺度影响， 洞试验中难以满足雷诺数相似的困难； 及早发现问题； # 可以方便地变化各种参数， $ 易于实现结构设计 的数字化， 一体化 * 总之， 数值模拟较之传统的风洞试验有诸多优点， 数值风洞技术正逐渐成为辅助传统试验 风洞的强有力的工具 * 土木工程结构抗风的数值模拟有其自身的特点， 研究的对象多是钝体绕流问题 * 钝体流场的数值模拟在
万方数据
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同Hale Waihona Puke 济大学学
报
第 !# 卷
图! )&*+ !
标准 !" "#$%&’$(%# !" ! 模型、 ! 模型与风洞试验压力系数 #$ 比较
"#$%&’$(%# !" ,-./$0&1-2 -3 /0#1140# 5-#33&5&#26 #$ (#67##2 16$28$08 !" ! .-8#%， ! .-8#% $28 7&28 6422#% 6#16
万方数据
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第 #" 卷
要考虑模型对所求解问题的适用性 ! 文献 ［"， 探讨了各种湍流模型对钝体流场计算的适用性 ! 本文计算的 #］ 的标准 !" 几何模型为一长方柱 （模拟高层建筑） ， 选用实际工程中应用广泛的基于雷诺均值 （ $%&’） ! 模型和 近壁面配合非平衡壁面函数进行处理 ! 比较了两种模型数值模拟结果的差异， 并与风洞 $()*+,)-*( !" ! 模型， 但在钝体流场的数值模拟中具有代表性， 便于与试验结果对照， 试验数据进行对比分析 ! 模型外形虽然简单， 可以探讨它们在数值模拟钝体绕流的适用性 ! 对方柱的成功模拟将给更复杂钝体流动现象的数值模拟提供 有价值的参考 !
［7］ 所模拟的流动 01 数为 "5@ 量级， 定常流动， 选用标准 !" ! 模型和 $()*+,)-*( !" ! 模型 ! 由风洞试验数据 ， ［=］ 此类地貌的湍流强度 2 参考日本规范取值如下 ： ， 5 / #" . ! .3 （#） 2 & 5 / 67 * 5/（ " . - .4 ） ， .3 5 . ! .4
!
!"# 写为
物理模型的建立
控制方程 计算风工程中， 钝体绕流问题的控制方程是粘性不可压 &).+(/0’123(4 方程 ! 基于雷诺平均的控制方程可 ! （ "%$ ）& 5 !#$
（"）
! ! !+ ! !%$ !( （ （6） * " %, $%, ) ) %$ ）( （ %$%) ）& * (# ( " " !’ !#) !#) !#) !#) !#$ 与耗散率! 输运方程不同 ! 其! 方程中生 $()*+,)-*( !" ! 模型的湍动能 ! 输运方程与标准 !" ! 模型相同， 成项与 ! 无关， 被认为更适于表达能谱传输 ! $()*+,)-*( !" ! 模型在范围广泛的流动现象包括分离流动中得到 验证 ! !"! 前处理 ! ! ! ! # 几何建模及网格划分 高层建筑的几何尺寸为 67 8 9 67 8 9 655 8， 计算流域取为 :67 8 9 :67 8 9 " 667 8， 建筑物置于流域沿 方柱的形状几何对称， 为了在有限的计算资源下提高计算精度和效率， 故 流向前 " ; # 处 ! 由于模拟定常绕流， 利用对称性沿纵向取一半流域进行计算 ! 对流域边界面及方柱表面首先用三角形单元进行离散， 柱面较密， 远离柱面的界面区域较稀疏 ! 在边界 面上共生成 77 <": 个节点和 """ =6: 个面单元 ! 体网格生成过程中， 首先在方柱表面生成 : 层包围柱体的棱 柱单元， 然后由边界面和棱柱单元的最外层表面向中间流域生长四面体非结构边界层网格 ! 计算表明， 这种 混合网格比完全非结构网格的精度提高 "5> ? 65> ! 经初始化和细化， 完成整个流域混合网格的划分， 最后 得到 ="< 7@@ 个体单元的混合网格 ! 网格划分如图 " 所示 ! !!!!! 边界条件的设定
—
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第8期
杨
伟， 等： 高层建筑三维定常风场数值模拟
8$7
图! "#$% !
网格划分 &’() (*)’+’
钝体流动出现分离、 再附、 冲撞、 环绕及涡等一系列复杂的流动， 选用非平衡壁面函数以模拟壁面附近复 杂的流动现象 !
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计算结果及分析
压力等值线 量纲一的压力系数 !" 定义为
（$） !" # " " $!% " # *+ 式中： （操作压力取为 #， 即为动压） ； 取为 % ! ""& ’( " 为相对压力 % # 为建筑物顶部的风 ・) ； ! 为空气密度， ［$］ 速 & 两种模型迎风面和侧面的 !" 等值线与风洞试验 的比较如图 ",， "- 所示 & 两种模型背风面的 !" 等值线 与风洞试验的比较见图 ". & 图 ",， 两种湍流模型针对高层建筑抗风研究所关心的迎风面和处在分离区的侧面的风压计算， "- 表明， 与风洞试验结果基本吻合； 而两种模型计算结果之间很接近， 差别很小 ! 在迎风面， 两种湍流模型的计算结果
— —
( )
$ / 式中 进流面： 速度进流边界条件 （ .(*2A+1B0+C*(1） ， 模拟大气边界层风速剖面指数分布， （ % - %5 ） （ . - .5 ） D
取建筑物顶部高度 （655 8） 和风速 （:5 8 ； .5， % 5 为参考高度和参考高度处的风速， .， % 是流域中某高度 ・4 E " ） 本文取 5 ! 67， 取法与文献 ［ :］ 相同 ! 平均风速剖面采用 F*G(C1 提供 和对应的平均风速； $ 为地面粗糙度指数， 的 HIF （ G4(/0J(K+C(J KGCA1+2C4） 编程与 F*G(C1 作接口实现 ! 出流面： 由于出流接近完全发展， 采用完全发展出流边界条件 （ 2G1K*2L） ! 流域顶部和两侧： 采用对称边界条件 （ 4B88(1/B） ， 等价于自由滑移的壁面 ! 建筑物表面和地面： 采用无滑移的壁面条件 （ L)**） ! !"$ 湍流模型及壁面处理
{
式中： .3 取 7 8； .4 取 :75 8! 计算中在进流处以直接给定湍动能 ! 和湍流耗散率 ! 值的方式给定入流处湍流
6 ， 式中 6 是湍流尺度 / ! 和! 值同样采用 HIF 编程与 F*G(C1 作接口实现 ! 参数， ! D万方数据 5/（ 7 %・2 ） ! D 5 / 5M : ! 6 - 6 ，
[70 * D) Y7* ? W>2* !""D
高层建筑三维定常风场数值模拟
杨 伟， 顾 明
!"""’!） （同济大学 土木工程防灾国家重点实验室， 上海
摘要：基于软件平台 =0>52; ?， 采用混合网格进行网格划分， 选用标准 !" ! 和 @5.0/A.605 !" ! 两种湍流模型计算了大气 边界层中单栋高层建筑的定常风流场， 并将数值计算结果与风洞试验进行了比较 * 结果表明基于 =0>52; ? 的标准 !" 但相对而言， @5.0/A.605 !" ! 模型和 @5.0/A.605 !" ! 模型均能给出工程应用精度的结果； ! 模型更为合理 * 关键词：计算风工程；高层建筑；数值模拟 中图分类号：BC ’$D * !)D 文献标识码：E 文章编号："!&D # D$%F （!""D） "? # "?%$ # "&
湍流模型的选取等， 并将数值计算的结果和风洞试验作了比较 *
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研究内容
由于钝体绕流的特殊性， 钝体外流场的数值模拟和流线体相比存在诸多困难， 尤其是湍流模型的选取，
收稿日期：!""! # "$ # "% 基金项目：国家自然科学基金重大资助项目 （&’(’&%)"） ； 教育部高等学校骨干教师资助计划项目 作者简介：杨 伟 （)’$& # ） ， 男， 湖北孝感人， 博士生 * +,-./0：1.2345/6789 :7;-./0 * <7-
realizablek2模型在范围广泛的流动现象包括分离流动中几何建模及网格划分高层建筑的几何尺寸为25计算流域取为425建筑物置于流域沿流向前由于模拟定常绕流方柱的形状几何对称为了在有限的计算资源下提高计算精度和效率故利用对称性沿纵向取一半流域进行计算
第 D) 卷第 ? 期 !""D 年 ? 月
同 济 大 学 学 报 WXC@YEI X= BXYZWR CYR[+@GRB\
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#$%& ’() ， &* +),（ G;.;5 H51 I.67J.;7J1 K7J L/M.M;5J @5N><;/72 /2 O/P/0 +23/255J/23， B723Q/ C2/P5JM/;1， G:.23:./ !"""’!， O:/2.）
［$］ ［/］ 均与试验值 趋势一致， 但比较而言， 数值计算的结果稍偏大 ! 这一点在其他的文献中均有提及 ! 定量分
析， 两种模型计算得到的压力系数与试验值比较， 最大偏差约 "#0 左右 ! 同时， 两种模型之间的差别不大， 标 准 ’( " 模型比 12,345,-32 ’( " 模型大 % ! &0 ! 数值模拟的精度基本可以达到工程应用的要求 ! 模型背风面处在完全分离区， 背面是难以准确模拟的部位 ! 图 ". 表明， 两种湍流模型对背风面的数值模 拟与试验结果有差别； 但两种模型的计算结果相近， 差异不大 ! 数值模拟得到的压力系数范围： 标准 ’( * % ! /& 6 # ! 7$； 12,345,-32 ’( * % ! 8$ 6 # ! 7+ ! 标准 ’( " 模型， " 模型， " 模型比 12,345,-32 ’( " 模型计算所得的结果略大 ! 通过以上各个面压力等值线和迎风面中线上压力系数的比较可以得出以下结论： 93:2;< 中标准 ’( " 模型 和 12,345,-32 ’( 而对于分离区的模拟和试验相比， 绝对值偏 " 模型对钝体结构迎风面的模拟结果较为理想； 大； 这两种模型之间， 12,345,-32 ’( " 模型较标准 ’( " 模型计算结果稍小 !
［)］ ［!］ 面临诸多困难 土木工程抗风研究的数值模拟在我国刚刚起步 ， 因此进行 O=L 计算中具有挑战性， * 目前， 这方面的研究很有必要 * 本文基于专业 O=L 软件平台 =0>52; ? 计算了单栋建筑 （长 U 宽 U 高 V !& - U !& - U 静态绕流的风流场 * 重点放在合理建立适应于钝体结构的数值风洞模型的探讨上， 包括网格的划分， !"" -）