数值风洞技术与风荷载规范研究

王沾祎，钟涛，陈祺，何继明

（中机中联工程有限公司，重庆 400039）

1 引言

数值风洞技术是利用计算流体动力学（CFD）在计算机上模拟结构周围风场的变化，并求解结构表面风荷载的方法。本文采用Fluent 17.0 进行风场模拟，分别验证数值风洞的可靠性，研究不同风向角下低矮建筑双坡屋面表面风压的分布特点和讨论正多边形整体阻力系数在JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）和GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》（以下简称《荷规》）中的差异性。

2 分析有效性验证

在Fluent 中建立如图1 所示的模型，其中，L=732m，B=252m，H=180m，l=12m，b=12m，h=20m。流场为均匀流场，来流风速V=20m/s。

图1 几何模型图

3 双坡屋面风压分析

3.1 方法介绍

现行荷载规范考虑了不同屋面坡角对双坡屋面体型系数的影响，但未考虑不同风向角的影响，而风向角也是影响双破屋面风压分布的主要因素之一。选取典型双坡屋面作为基准建立几何模型，平面尺寸为20m×10m，屋脊高度11.34m，屋檐高度10m，屋面坡度为15°。采用ANSYS 17.0 有限元划分软件ICEM 进行单元划分，风场计算域的几何尺寸（长×宽×高）为150m×150m×60m。阻塞率为2.5%，小于3%，可忽略进出口边界条件的影响。入口边界取至建筑物距离大于4h，出口边界位于建筑物后大于7h，以保证流动达到充分发展状态。采用具有良好适应性的四面体网格进行划分，经过多次计算尝试和通过网格无关性检验，本项目最终采用的网格总数达到2.45×106。

计算流域入流处采用速度边界条件， 根据基本风压0.30kN/m2折算标准地貌下基准风速V10=21.9m/s。出口采用完全发展出流边界条件，顶部和两侧采用对称边界条件，建筑物表面和地面是固定不动，不发生移动的，故采用无滑移的壁面条件。物理模型采用标准k-ε 湍流模型进行风场仿真， 按0°、30°、60°、90°进行 4 个风向角分析【2～4】。

3.2 结果分析

建筑表面风压分布会随着风向角的变化而改变。根据荷载规范和数值风洞计算结果可知对于屋面坡度15°的缓坡人字形屋顶，其迎风坡和背风坡都被流体分离区覆盖，从而使整个屋顶都处于负压状态。当来流与建筑物正面存在30°～60°夹角时，沿屋面边缘会产生气流分离和锥状漩涡，这种涡旋的中心会产生很大的吸力，从而使屋脊背部和山墙屋面交界处处于高负压区，进而破坏屋面维护结构。在风向角为0°的模型背风面形成了2 个对称的旋涡且在两侧墙范围内无流动再附现象，使得侧墙也被分离区完全包围从而产生较大的吸力。而风向角为90°的模型中，顺风向尺寸较大，使得来流在其前缘拐角处产生分离后在侧墙上再附着，分离区并没有覆盖整个侧面，故其产生的吸力相对较小。

4 正多边形建筑阻力系数

阻力系数是指物体所受阻力与来流动压和参看面积之比，是一个无量纲量。在建筑相关规范中，阻力系数为来流风方向体型系数根据面积加权平均之和，通常阻力系数与物体的形状及表面特性有关。本节就《荷规》及《高规》中正六边形和正八边形截面建筑的阻力系数进行分析研究。荷规与高规中体型系数的给定值见图2，从规范上可以看出，若正八边形和正六边形平面建筑横截面宽度相同，《荷规》中的整体阻力系数为0.90 和1.03，而《高规》中给出的数值是1.29 和1.22。

图2 体型系数

对比可知，2 本规范中，相同平面和截面的建筑在相同顺风向风力作用下的阻力系数相差较大。《荷规》中正八边形的阻力系数大于正六边形的，而《高规》则相反。同时，《高规》中给出的正多边形整体阻力系数均大于《荷规》给定值。一般地，房屋高度大于24m 除住宅外的其他民用住宅为高层建筑，即2本规范阻力系数的适用范围取决于房屋高度，也可认为引起相同平面和截面建筑阻力系数差异的主要原因是房屋高度。基于此，假设使用几何建模软件Rhino 分别建立截面宽度相同的4 个建筑模型，2 个正六边形平面和2 个正八边形平面，高度分别为20m、20m、60m、60m。再应用Fluent 建立建筑模型的相应风场进行风压分析，分析结果表明，各建筑整体阻力系数与规范给出值基本相同。棱柱体正面风压主要由来流撞击引起，背面、侧面和顶面的风压主要由气流分离及其产生的旋涡引起。由于建筑高度的不同，风经过60m 高的棱柱体时侧面绕流作用更大，即求得的阻力系数相对于20m 高的棱柱体更大。

5 结语

对于体型较简单的结构，数值风洞采用的数值模型计算结果误差可以满足工程精度要求。《荷规》中给出的体型系数一般是根据相应于建筑最大截面垂直方向的风压分布得出，而实际情况中有一定风向角时，建筑局部会产生较大集中力，如双坡屋面的局部高负压等，设计中需格外注意。对比《荷规》和《高规》可知，相同截面、相同平面的建筑因整体高度不同阻力系数也可能不同，如正六边形和正八边形平面建筑的差异，设计中需根据建筑高度严格执行相应规范。