山体地形下低矮房屋数值风洞模拟的计算域设定

崔利民,彭兴黔,时凌琳,张春晖,乔常贵

(华侨大学土木工程学院,福建泉州362021)

山体地形下低矮房屋数值风洞模拟的计算域设定

崔利民,彭兴黔,时凌琳,张春晖,乔常贵

(华侨大学土木工程学院,福建泉州362021)

针对山体地形下低矮房屋数值风洞模拟,研究其计算域大小的设定问题,并提出设置的参考方法.通过建立正弦山丘轮廓函数,对4种不同形状因子的山丘进行计算流体动力学数值模拟.采用CFX软件作为计算平台,对影响计算结果精度的各个参数进行分析,在此基础上,提出合理的取值范围.

山体地形;低矮房屋;计算流体动力学;数值模拟;计算域

在我国沿海台风多发地区,低矮房屋的抗台风是一个现实而又亟待解决的问题[1].建造在复杂山体地形上的低矮建筑具有不同的地形地貌特征,因而风场条件各不相同.在台风来时,受到特殊地形对风场的负面作用,加大了结构损坏的可能性,易造成严重的人员伤亡及经济损失.目前,国内外在山体地形对低矮房屋建筑表面风荷载影响的研究还很少[2].利用计算流体动力学(CFD)数值模拟技术对建筑物绕流进行模拟时,要获得理想的计算精度,其中一个重要的方面是计算域的设定.对建筑物表面风压进行数值模拟时,在距离建筑较远的地方要人为设置几个壁面,使求解域封闭.设置求解域的大小与计算精度密切相关,太小会对建筑物表面风压分布产生影响,太大又会增加计算网格数量,影响计算速度[3].由于山体地形下低矮房屋数值风洞模拟,与国内外所做的其他数值风洞模拟有所区别,因此不能简单地根据已有经验设定计算域.本文针对山体地形下低矮房屋数值风洞模拟,研究计算域大小设定的问题.

1 计算模型

针对三维正弦山丘单体,低矮房屋模型选取典型的二层双坡屋面房屋,模型长度方向12 m,宽度方向8 m,檐口高7 m,屋面坡度30°,如图1所示.由于三维正弦山丘在竖直方向上各向对称,且房屋的几何尺寸远小于山丘,来流方向对计算域大小取值影响不大.因此,主要针对房屋位于山丘正前方的工况进行研究,计算模型如图2所示.图2中,房屋与山脚的间距s取24 m.山丘中轴线剖面轮廓函数选取正弦函数[4],即

图1 低矮房屋尺寸Fig.1 Size of low-rise houses

图2 计算模型Fig.2 Computationalmodel

当L值一定时,山丘的轮廓形状则取决于山高Hm.定义山丘形状因子为

选取L=50 m,形状因子(R)分别取0.5,1.0,1.5,2.0进行分析,坐标原点(0,0,0)设置在低矮房屋中轴线上的山丘山脚处.

2 计算域高度的设置

计算域高度的设定主要与山丘的形状和尺寸有关.测点的平均风压系数Cp(t)及z高度处水平剖面上平均风压系数极差ΔCp(z)[5]为式中:pi(t)为测点的风压值;p∞为参考点静压;ρ为空气密度;vH为参考点的风速;Cp,max(z),Cp,min(z)分别为z高度处水平面上平均风压系数的最大值和最小值.ΔCp(z)的大小可以衡量计算域顶面对模型表面平均风压分布的影响,将其作为选取计算域高度的指标.ΔCp(z)值越大,说明该高度平面对模型周围风场的影响越大;ΔCp(z)值越小,则对风场的影响越小,表明该高度已不在建筑物周围的风场区[6].

当形状因子R为0.5时,不同风向角下的ΔCp(z)随距离地面高度的变化曲线,如图3(a)所示.从图3(a)可得知,当距离地面高度大于4L时,曲线逐步趋于平缓;当距离地面高度为6L时,ΔCp(z)小于0.02,则该高度已不影响模型周围的风场.因此,建议R为0.5时的计算域高度取值范围为4L～6L.各风角下的变化曲线基本重合,说明在设置计算域的高度时,风向角的影响并不明显.因此,以下其他形状因子主要以0°风向角为例进行说明.

当风向角为0°时,不同形状因子下的ΔCp(z)随高度变化曲线,如图3(b)所示.由图3(b)可知,计算域高度大于4L时,曲线逐步趋于平缓;当距离地面高度为5L时,ΔCp(z)仅为0.02,认为该高度已不影响模型周围的风场.因此,建议R为1.0的计算域高度取值范围为6L～8L.

由图3(b)还可以看出,当距离地面高度大于8L时,曲线逐步趋于平缓;当距离地面高度为10L时, ΔCp(z)小于0.02,认为该高度已不影响模型周围的风场.因此,建议R为1.5,2.0时的计算域高度取值范围为8L～10L.

图3 ΔCp(z)随高度变化曲线Fig.3 Curve betweenΔCp(z)and height

3 计算域长度的设置

在已经确定好的计算域高度范围内,选取几个具有代表性的水平剖面,通过分析这些平面内的相对静压分布,确定计算域的大小范围.当R为0.5时,不同风向角下不同高度平面内的相对静压分布图,如图4所示.由图4可知,就大范围而言,风压分布情况主要是由山丘决定的,低矮房屋由于体积比较小,对计算域的整体风压分布影响较小.由于山丘的形状是沿着高度方向双向对称的,因此可以忽略风向角的影响,主要取0°风向角为研究对象.

山丘中心正上游对计算域上游长度的影响最大,且各风向角下的相对静压分布曲线基本沿Y轴对称.所以,沿着此方向取不同高度处测点的相对静压,通过相对静压为零来确定计算域上游长度L1的取值范围.相对静压随计算域上游到模型迎风面的距离变化曲线,如图5所示.

由图5可知,当R为0.5时,在0L～6L范围内,相对静压变化较大,6L时各个测点的相对静压基本为零.因此,L1取4L～6L;同理,当R分别为1.0,1.5,2.0时,L1可取6L～8L.

图4 顺风向水平剖面相对静压等压线分布图Fig.4 Relative static p ressure contours fo r along-w ind ho rizontal p rofile

图5 相对静压随L1的变化曲线Fig.5 Curve of relative static p ressure to L1

气流遇到山丘时,在山丘迎风面的一部分气流上升越过山丘,一部分气流下沉降至地面,另一部分则绕过山丘的两侧向背后流去,在山丘的背后产生尾流.计算域下游长度L2不能设置太小,否则会导致出口处出现回流,影响计算结果的精度.

在已经确定好的计算域高度范围内,选取几个具有代表性的水平剖面,通过分析这些平面内的相对静压分布,可以估计L2的范围.相对静压随计算域下游到模型迎风面的距离变化曲线,如图6所示.

从图6可以看出,当R为0.5时,相对静压为零的等压线沿水平方向延伸较长.在0L～8L范围内,相对静压变化较大,10L时各个测点的相对静压基本接近于零.因此,L2可取8L～10L.同理,当R分别为1.0,1.5,2.0时,L2的取值范围分别为8L～10L,10L～12L,12L～14L.

图6 相对静压随L2的变化曲线Fig.6 Curve of relative static p ressure to L2

4 计算域宽度的设置

由于来流有一部分气流从山丘侧面绕过,在侧面产生的绕流,使风速变大、流场变化复杂.通过相对静压分布的判断可以取定计算域宽度(B)的范围[7].由图4可知,山丘中心在横风向方向受计算域侧面的影响最大.

因此,在山丘中心沿横风向方向不同高度处,测点的相对静压值随B1的变化曲线,如图7所示.图7中,B1=(B/2)-2L.从图7可知,当R为0.5,B1为10L时,相对静压接近为0 Pa,曲线趋于平缓一致,计算域宽度B为20L.因此,B的取值范围为20L～24L.同理,当R分别为1.0,1.5,2.0时,B的取值范围分别为24L～28L,28L～32L,28L～32L.

图7 相对静压随B1的变化曲线Fig.7 Curve of relative static p ressure to B1

5 结束语

研究山体地形下低矮房屋数值风洞模拟中的计算域设置问题,得到计算域高度、宽度,以及长度的建议取值范围.需要注意的是,数值风洞的计算域设置应满足阻塞度小于5%的相关要求.

[1] 周显鹏,彭兴黔,张松.带悬挑女儿墙双坡屋面风压的数值模拟分析[J].华侨大学学报:自然科学版,2008,29(2): 289-293.

[2] 陈平.地形对山地丘陵风场影响的数值研究[D].杭州:浙江大学,2007.

[3] 侯爱波,汪梦甫.建筑数值风洞的基础研究[J].湖南大学学报:自然科学版,2007,34(2):21-24.

[4] TAMURA T,OKUNO A,SUGIO Y.LESanalysisof turbulent boundary layerover 3D steep hill covered with vegetation[J].JWind Eng Indus Aerodyn,2007,95(9/11):1463-1475.

[5] 乔常贵,彭兴黔,时凌琳,等.港口集装箱群数值模拟中计算域设置的研究[J].郑州轻工业学报:自然科学版,2008, 23(2):104-107.

[6] 孙晓颖,许伟,武岳.钝体绕流中的计算域设置研究[C]∥第十三届全国结构风工程学术会议.大连:[s.n.],2007: 1036-1041.

[7] 孙珩,黄素逸.建筑物周围流场数值模拟的研究进展[J].环境科学进展,1999,7(6):76-83.

Computational Domain Setting about Numerical W ind Tunnel in the Simulation of the Low-Rise Housing in the M oun tain Terrain

CU ILi-ming,PENG Xing-qian,SH ILing-lin, ZHANG Chun-hui,Q IAO Chang-gui
(College of Civil Engineering,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China)

Based on the numerical w ind tunnel simulation of low-rise housing in themountain terrain,the computational domain setting of the w ind tunnel is investigated,and one method is put fo rward.Establishing sinusoidal hill contour function,four hills of different shape factors is simulated numerically by the computational fluid dynamics.Using CFX softw are,the parameters that affect the accuracy of the results isanalyzed,then the reasonable domain of the w ind tunnel is given.

mountain terrain;low-rise house;computational fluid dynamics;numerical simulation;computational domain

TU 312+.1;P 435+.1

A

(责任编辑:钱筠 英文审校:方德平)

1000-5013(2010)04-00463-05

2009-07-29

彭兴黔(1959-),男,教授,主要从事结构抗风的研究.E-mail:pxq@hqu.edu.cn.

福建省自然科学基金资助项目(2009J01255);福建省厦门市科技计划高校创新项目(3502Z20083039);福建省泉州市科技计划重点项目(2007G7);湖南省风工程与桥梁工程重点实验室开放基金资助项目(2009-01)