某矩形截面超高层建筑三维风场数值模拟

(1.兰州大学土木工程与力学学院 甘肃 兰州 730000；2.中建三局一公司华东公司 上海 201100)

某矩形截面超高层建筑三维风场数值模拟

马启亮1谭永禄2

(1.兰州大学土木工程与力学学院甘肃兰州730000；2.中建三局一公司华东公司上海201100)

为了研究超高层建筑在平均风荷载作用下的空气动力学特征及安全性问题，本文采用基于CFD软件平台，进行了三维稳态常物性不可压缩流体的流动模拟，对某矩形截面超高层建筑外流场进行数值模拟研究，分析了超高层建筑表面的风压分布规律，为超高层建筑钝体绕流的研究提供了依据。

CFD数值模拟；超高层建筑；平均风荷载

一、概述

研究超高层建筑在风荷载作用下周围的空气扰流运动，其主要目的是研究超高层建筑外表面上的风压分布规律。超高层建筑风荷载的计算很大程度上依赖于建筑外表面上的风压。随着计算机软硬件的飞速发展和计算流体力学技术的不断完善，数值模拟方法已经逐步成为继风洞试验后预测建筑物表面风压和周围风速等的一种新的、有效的方法。目前，土木工程结构抗风的数值模拟大多研究的是钝体扰流问题。

本文基于CFD软件平台Fluent计算了某超高层建筑静态扰流的风流场，得到了建筑物表面的风压分布规律。

二、研究方法

本文对处于B类风场中的某超高层建筑进行数值模拟研究。运用ICEM CFD进行网格划分，再利用FLUENT软件进行风场绕流数值模拟计算。

三、计算模型

本文采用超高层建筑几何尺寸为30m×46m×182m，采用1：100的缩尺比建立模型，计算流域取为18m×6m×10m，建筑物处于流域沿流向前1/3处，如图一所示。流域设置满足阻塞率小于3%的要求，以尽量消除计算域对模型附近流态的影响。网格划分使用ECEM CFD软件，采用非结构化网格，共生成200万左右个体单元的网格，网格划分如图二。采用Realizable κ-ε湍流模型进行数值模拟。

图一 模型尺寸

图二 网格划分

四、计算结果

取建筑物高度2/3截面，布置20个测点，分析各测点的平均风压系数，如图三。图四为建筑物各面的风压分布。

图三 平均风压系数

图四 建筑物表面风压分布

五、结论

采用基于雷诺平均(RANS)的Realizable κ-ε湍流模型对某超高层建筑进行了三维定常风场的数值模拟，对计算结果进行分析，可以得到以下结论：

1.从平均风压系数分布可以看出，除了迎风面受有正压力外，侧风面和背风面风压分布呈现对称分布。

2.建筑物迎风面均受有正压力，在迎风面的中间偏上为最大值，两边及底部为最小值。背风面均为负压，中间区域负压最小，负压分布均匀。在建筑物侧风面，由于在转角处出现流动分离，使得转角处的负压最大，承受吸力。

[1]王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[2]周月庭，吕令毅.高层建筑三维非定常风场并行计算的数值模拟[J].建筑科学与工程学报，2007，23(1)：42-46

[3]GB 50009-2012建筑结构荷载规范[S]