两个相邻建筑物周围风环境的数值模拟

收稿日期:2001212226;修改稿收到日期:20022062271

基金项目:西安交通大学“行动计划”环境学科重点资助;西

安交通大学博士学位论文基金(D FXJTU 200127)资助项目1

作者简介:张爱社3(19692),男,博士生1

第20卷第5期

2003年10月　计算力学学报　

Ch i nese Journa l of Com puta tiona l M echan ics

V o l .20,N o .5O ctober 2003

文章编号:100724708(2003)0520553206

两个相邻建筑物周围风环境的数值模拟

张爱社3,　张　陵,　周进雄

(西安交通大学建筑工程与力学学院,陕西西安710049)

摘　要:高层建筑物及其群体周围所引起的风环境问题正日益受到人们的重视。本文用数值模拟方法对两幢串列布置高层建筑周围的流场进行了模拟,讨论了建筑物高度、间距比等因素对风环境特性的影响。为了与两个相邻建筑物的流场进行比较,本文同时计算了单个建筑物周围流动的分布情况。数值模拟结果对揭示高层建筑群区域内再生风载荷的形成机理提供了一定的分析方法,为城市规划和高层建筑住宅小区设计提供了一定的理论参考和依据。

关键词:风环境;高层建筑;N 2S 方程;数值模拟中图分类号:TU 18 文献标识码:A

1　引　言

风和城市环境、建筑环境有着密不可分的关系,并对城市规划、建筑设计等领域起着很大影响。随着科技进步和建筑业的发展,高层和超高层建筑的数量日益增多,大城市的建筑密度也越来越大,由此而产生的风环境问题(再生风环境或二次风环境)无法令人忽视。

高层建筑串列布置是规划方案中常用的方式之一,如街道两旁相峙而立的大厦、高层住宅小区多幢相对而立的高层建筑等。相邻建筑周围的风环境与近地风状况、建筑高度、建筑物之间的相对位置等多种因素有关。若在规划和设计中忽略了风环境问题,在一般的气候条件下,它们将直接影响着城市环境的小气候和环境给予人们的舒适感;一旦遇到大风,这种影响往往会变为灾害,影响到建筑物本身的某些使用功能和行人、行车安全等方面的问题。因此,建筑风环境的研究对于高层建筑尤其是高层住宅小区的规划和设计就显得很有必要。本文用数值分析方法对这一问题进行了一些理论探讨。

H irom asa Kaw ai [1]

等人对串列方柱的绕流用

差分方法进行了数值模拟,但是其模拟的雷诺数仅为200.文献[2]用改进的M A C 方法对并列双方柱绕流进行了计算,考虑的是平面绕流问题。本文采

用有限元方法(FE M )和k 2Ε湍流模型对两幢串列布置的高层建筑周围的流场进行了不同高度、间距比情况下的绕流特性计算和分析比较。

2　基本方程和求解方法

2.1　控制方程

本文选用k 2Ε两方程湍流模型对建筑物的绕流进行计算,因此流体运动的控制方程可表示为[3]

5U j

5x j

=0(1)

U j

5U i 5x j =-5

5x i P Θ+23ϑ+5

5x j Μt

5U i 5x j +5U j 5x i

i =1,2　(2)

U j 5ϑ5x j =55x j Μt Ρk 5k

5x j +Μt 5U i 5x j +5U j 5x i 5U i 5x j

-Ε(3)U j

5Ε5x j =55x j Μt ΡΕ5Ε

5x j

+C 1C Λϑ5U i 5x j +5U j 5x i 5U i 5x j -C 2

Ε

2

ϑ

(4)

其中Μt =C Λϑ2

Ε,ϑ=′i u ′i

2,Ε=2Μt

5u ′i x j 5u ′i

x j

,C Λ=0.09,C 1=1.44,C 2=1.92,Ρk =1.0,ΡΕ=1.3;U i ,

U j 分别为沿坐标轴方向的平均速度分量,u ′i ,u ′

j 分

别为脉动速度,P 为平均压力,Θ为空气密度。2.2　计算方法

数值模拟用有限元方法进行。本文采用二维四节点四边形单元对整个计算区域进行非均匀网格剖分。应用Galerk in 变分公式,在每个单元上将方

程(1)式转化为常微分方程或代数方程,进而形成整个区域上的非线性方程组,之后再用N ew ton 2R ap h son 方法进行求解。2.3　计算区域和边界条件

计算区域的几何尺寸如图1所示。边界条件如下:

(1)进口边界条件

进口处水平速度沿建筑物高度方向的分布采用指数律来模拟,即

U

U 0

=y y 0

Α

(5)

式中:U 0是参考高度y 0处的风速,Α是地面粗糙度指数,本文模拟B 类地貌,Α=0.161

(2)上空面及出口边界条件

由于上空面没有实际物理边界,因此把上空面处理成自由滑移边界条件,可表示为

V =0,

5U

y

=0(6)

出口截面选取在无回流处,采用压力型出口边界条件,其数学表达式为

5P

5x

=0(7)

地面及固体壁面采用无滑移边界条件,即在

壁面上有

U =

V =0

(8)

3　计算结果及分析

图2给出了一个方形截面柱体的实测压力分布[3]与本文数值模拟解的比较情况。从图中可以看出,两者具有较好的一致性,因而本文的方法是有效的。

3.1　单个建筑物的流场分布

为了与两个相邻建筑物的流场进行比较,首先计算了单个建筑物周围流动的分布情况

,如图

3所

示。从流场分布中可以看到建筑物迎风面底部有回流,而屋顶处流体离开建筑物边缘时发生脱离。建筑物背风面的尾流在离建筑物一定范围内形成回流,随着离建筑物距离增大,湍流逐渐衰减,流动恢复正常。

3.2　两个相邻建筑物周围风环境分析

两个相邻建筑的绕流比单个建筑更加复杂,除了具有单个建筑绕流过程中产生的分离和回流等特征外,还存在着相邻建筑之间的相互影响。由于建筑物尺寸、建筑之间的距离等因素的不同,上游建筑产生的分离和涡流对下游建筑也会产生不同的影响。为此,本文分成以下几种情况,分别对两个建筑物周围的风环境加以讨论。

3.2.1　前后排建筑等高等宽时,不同间距的影响

利用上述方法分别计算了间距L =0.5H b ,

H b ,2H b ,2.5H b ,3H b ,3.5H b ,4H b ,5H b ,6H

b

时,两

个相邻等高建筑周围的风环境情况。图4(1)～图4(4)分别表示L =0.5H b ,2H b ,4H b ,6H b 时的建筑周围的流场分布。图5(1)～图5(3)分别表示不同位置处的速度分布。从这些图中可以看出,当间距较小时,如L ≤2H b ,整个流场形成涡流区,建筑

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