建筑风荷载数值模拟简介

郑小宇

【摘要】本文简单介绍了风荷载数值模拟在实际工程中的应用，然后结合计算风工程的相关理论采用流体计算软件Fluent对一双坡屋面房屋进行实例试算，将计算得出的建筑风压系数同各国设计规范的推荐值对比，计算结果基本上与各国规范的平均值较接近，可为工程设计人员在实际应用中提供参考。

【关键词】风荷载数值模拟；Fluent

在一般民用建筑工程结构设计中，建筑的风荷载体型系数一般由《建筑结构荷载规范》中查表得出。但随着我国经济水平的不断提升和建筑行业的不断发展，各类造型的新式建筑不断涌现，数值模拟逐渐成为分析建筑风荷载一种经济有效的手段。本文将对CFD软件Fluent进行初步介绍，并通过分析简单的房屋实例模型计算结果与规范给出的风压系数进行对比，给广大工程设计人员应用数值模拟提供参考。

1、Fluent简介

Fluent是一款常用于风荷载数值模拟计算的大型商业软件。流体连续性方程和Navier-Stokes方程是风工程数值模拟的基本方程，借助计算机的能力可以对基本方程进行离散化处理，并获得方程的离散解，因此可以对大气中风流动情况进行较准确地模拟，不但解决一般的绕流风场问题，还能解决一些风洞试验和场地实测等传统方法不能解决的问题。Fluent程序提供多种二维面单元和三维体单元，对较大梯度的流场的精确求解提供了强大的适应能力。同时，网格可以根据计算精度需要和观测重点的不同，在局部区域加密网格，达到计算精度和计算时间的协调。

1.1程序的主要模块[1]

①Gambit：前處理模块，来建立计算模型和网格划分；

②Fluent：求解器，对整个模型进行流动数值模拟计算；

③TGrid：根据现有的边界网格来生成体网格；

④Filters：开放接口，用于从其他程序模型来生成Fluent数据格式。

1.2用Fluent软件进行模型计算的步骤

首先根据需要确定流动区域的形状和大小，通过Gambit模块建立此计算区域并对各边界面进行网格划分，之后TGrid会对计算流域内自动进行二维或三维的网格生成，并生成Flunet的计算数据；进入Fluent模块对求解器的参数进行设置，包括选择求解方程、输入流体物理性质、设定边界类型和条件，然后确定初始条件和收敛标准后开始整体模型的收敛求解计算，最后根据需要选取计算结果进行后处理。

2、双坡屋面房屋进行风压数值模拟计算实例

2.1计算模型和网格设置

采用Gambit进行建模之前首先要确定计算流域，计算流域的大小根据求解对象的尺寸有关，对建筑风工程来说，建议大于房屋长、宽、高的20倍、10倍和12倍，计算流域相对于房屋越大，对房屋模型附近流态的影响越小。房屋模型宜设置于整个计算区域的前端三分之一处，使模型达到计算域对阻塞率小于3%的要求。在对计算区域划分网格时，采用具有良好适应性的四面体网格。为了节省计算时间和提高计算精度，网格在房屋周边适当加密，在远离房屋区域稀疏，整个分析模型的单元数量在20万个左右。

2.2选取边界条件

①入口条件：假定风的流动为不可压缩流，边界条件设定为速度进口边界条件。因为此次计算的对象为低层房屋，对风速沿高度的变化基本可以忽略，为简化条件，流域入口的风速取值28m/s，不随高度变化而变化。

②出口条件：出流面的空气流动完全由区域内部外推得到，并且不对上流造成任何影响，所以采用完全发展的出流边界条件。

③顶部和两侧条件：模型假定在此三面边界上和外部没有任何物理量的交换，故采用对称边界条件。。

④地面和房屋表面边界条件：此为固体和流体的区分边界。采用无滑移的壁面条件。

⑤壁面函数：固体周边的流场非常复杂，包括撞击、分离，附和、漩涡和环绕等因素，壁面对湍流的影响很大。对于建筑物周围的流场，一般属于高雷诺数流动，可以选用非平衡壁面函数来模拟房屋周边气流的复杂流动，并有较高的计算精度[2]。

2.3求解器各项参数设置

湍流模型选用Realizble k-ε进行数值模拟。离散后的控制方程采用分离式解法求解，为了提高计算的精度，控制方程中的对流选项中选用二阶迎风格式离散。由于不考虑热量交换，关闭能量方程。采用SIMPLEC 解法并配合较小的欠松弛系数进行速度压力耦合。模拟过程中收敛标准采用残差收敛，设定收敛值为10- 5，并且监测房屋表面风压基本不变化时， 计算流场一般可以认为已进入稳定状态，得到最终收敛解。

2.4规范值与计算结果的对比

根据Flunet计算给出的房屋表面的风压，可以转换成规范的风压系数Cp，转换公式如下：

式中ρ为气体的密度；v0为参考高度处风速； p为计算得出的房屋表面的绝对压力。

本文采用上面介绍的数值模拟方法，对一典型双坡屋面（， ，）计算其各个表面的风压系数，并将各个表面的平均风压系数与各国规范建议的值进行对比，结果如下表。

表1典型双坡屋面Fluent计算结果同各国规范中风压系数对比

根据上表的对比，可以看出，在迎风面上用Fluent数值模拟计算取得的结果比较符合各国规范给出的值，在背风面和侧风面，各国的规范给出的值本身差距较大，而Fluent的计算结果同各国规范的平均值基本较为接近。可以认为，采用Fluent数值模拟计算建筑风压系数的结构有较大的可靠性，在实际工程应用中可提供一定的参考和借鉴价值。

结语：

本文简单介绍了风荷载数值模拟在实际工程中的应用，然后结合计算风工程的相关理论采用流体计算软件Fluent对一双坡屋面房屋进行实例试算，将计算得出的建筑风压系数同各国设计规范的推荐值对比，计算结果基本上与各国规范的平均值较接近，可为工程设计人员在实际应用中提供参考。

参考文献：

[1]FLTTENT 6.1 User's Guide[M]. Fluent Inc， .

[2]杨伟，顾明.高层建筑三维定常风场数值模拟[J].同济大学学报：自然科学版.2003，31，（6）：647-651.