低矮异型建筑立面洞口对下击暴流风压作用的影响研究

王 辉, 吴亚雄, 吴学健, 吴安超

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室,广东 广州 510640)

下击暴流是极具破坏性的强对流天气,该天气一旦发生,剧烈的下沉气流短时间内猛击地表,并以飞快的速度沿地表扩展,对地表构筑物破坏极大[1]。

目前,关于下击暴流对于建筑的作用多是针对立方体型封闭建筑开展研究,内容主要涉及暴流场的构成特点、建筑所处位置、地形等主要因素对建筑风压的影响,多采用风洞试验方法和计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)模拟方法。文献[2]通过下击暴流风洞试验,研究立方体型封闭建筑表面风压与径向距离的关系,发现建筑迎风立面的风压与距离风暴中心的径向距离呈负相关,当rd=D0(rd为径向距离,D0为喷射初始直径)时,其达到最大值;文献[3]以数值方法模拟下击暴流对立方体型建筑的作用,结果表明,来流风在迎风面和屋面转角处易形成绕流,到达背风面产生涡旋,但背风面气流流速略低,导致背风面风压值较小;文献[4]采用数值模拟方法,探究下击暴流对平屋面建筑的风压作用,发现当建筑远离地面喷射中心时,屋面平均风压由正压转为负压;文献[5]采用数值方法,模拟分析地形对高层建筑立面风压的影响,结果表明,背风面的吸力随地面粗糙度的增加而显著减小,迎风面和侧风面风压则基本不受影响。

相对于封闭建筑,当建筑出现洞口时,洞口位置的灌入风或穿堂风会引起建筑绕流发生改变,当外部与内部的气流共同作用时,开洞建筑与封闭建筑的风压存在显著差异。相关研究多是针对常态风作用下的立方体型开洞建筑。文献[6]研究常态风下开洞低矮建筑的风压特性,结果表明,同种风况条件下,其背风面开洞数目越少、迎风面开洞数目越多,无论背风面还是迎风面,其风压呈增大趋势;文献[7]通过风洞试验,对开洞高层建筑的风致内外压差值(净压)开展研究,发现受扰建筑迎风面开洞时,净压对迎风面的作用小于侧面和背风面;文献[8]以数值方法研究开洞高层建筑的风压干扰效应,结果表明,串联布局时,迎风面开洞受扰建筑的平均静风压系数与建筑间距呈正相关,而并列布局时,侧面开洞受扰建筑的平均静风压系数与建筑间距无关。实际工程中异型低矮建筑普遍存在,当其遭受下击暴流作用时,由于外形复杂、凹凸转角更多,尤其存在洞口时,其风压分布更复杂,而目前关于下击暴流作用下的异型建筑风压,以及立面洞口设置方式对风压的影响,相关研究很少。

本文以低矮异型建筑为对象,考虑立面洞口设置的变化,基于雷诺时均NS方程(Reynolds averaged Navier-Stokes equations,RANS),模拟分析下击暴流作用下立面设置洞口建筑的内外表面风压,揭示洞口设置方式对内外风压分布影响的规律,为抗风设计提供依据。

1 数值模拟方法及其验证

本文采用射流模型模拟下击暴流风场的形成发展以及对建筑的风压作用,该模型相对于环涡模型,能更好地再现下击暴流风场的基本特征[9-10]。

1.1 控制方程

基于RANS 建立下击暴流风场控制方程,采用重整化群(renormalization group,RNG)k-ε湍流模型封闭控制方程进行迭代求解[11]。

(1)

(2)

(3)

(4)

其中:ui、uj为张量形式表示的气流平均速度分量(i,j=1,2,3);k、ε分别为湍动能、湍能耗散率;P为平均压力;μ为气流运动黏性系数;η=Sk/ε,S2=2SijSij,Sij为平均应变张量;η0=4.38;β=0.012;Cμ=0.085;C1=1.42;C2=1.68;σk=0.72;σε=0.72;μt为湍流涡黏性系数,且μt=Cμk2/ε。

1.2 风压系数

风压系数定义为:

(5)

其中:CP为风压系数;ΔP为测点风压值与下击暴流速度入口位置中心处静压之差;ρ为空气质量密度;vjet为下击暴流入口初始速度。

1.3 数值方法验证

以文献[12]的立方体型建筑作为验证对象,其尺寸长×宽×高为45 mm×45 mm×45 mm,针对建筑模型位于1倍D0位置(最大风速处)进行模拟比较。建立下击暴流风场计算区域,即Lx×Ly×Lz=14D0×14D0×3.5D0,射流入口处于中心区域,其直径D0=0.61 m;风场入口边界条件选用速度入口(velocity-inlet),入口风速vjet=13 m/s,与试验值相同;湍流强度为1%,出口边界条件选用压力出口(pressure-outlet),地面选用无滑移壁面边界条件,如图1所示。

图1 计算域及边界条件图

采用ICEM(Integrated Computer Engineering and Manufacturing code)软件对风暴场计算域进行混合网格剖分,建筑的壁面区域采用非结构化加密网格,远离建筑的外部区采用结构化六面体网格,剖分后其网格总数约为1.5×106,如图2所示。

图2 计算域网格示意图

采用Fluent 软件模拟下击暴流风场,比较下击暴流径向风速竖向风剖面,如图3所示。选取最大风速位置模拟场竖直风剖面,与文献[13]中Wood经验模型和文献[14]的三维粒子成像测速(particle image velocimetry,PIV)测量数据进行对比。图3中:v/vmax为径向风速v与最大径向风速vmax的比值;z/b为离地高度z与参考点高度b的比值。由图3可知,本文CFD模拟场风剖面与PIV测量数据、Wood经验模型风剖面一致,而暴流场风剖面与常态风风剖面存在显著差异。

图3 径向风速的竖向剖面比较

rd=D0处该建筑5个表面上的典型位置测点(用黑色方形小块表示)风压系数CP模拟值与试验值(括号内数值)对比如图4所示,其风压云图如图5所示。

图4 rd=D0处CP模拟值与试验值对比

图5 模拟场立方体建筑CP云图

由图4、图5可知,迎风面和背风面的模拟值与试验值吻合较好,在侧风面位置,虽然两者偏差相对较大,但最大差值仅为0.11,说明数值方法能够精确模拟下击暴流风场,有效预测下击暴流风场对建筑的风压作用。

2 开洞异型建筑风暴作用模拟

以凹型、T型、L型和立方体型4类低矮建筑为对象,4类建筑的外形及尺寸如图6所示。考虑来流风垂直建筑立面情况,研究立面开洞时内外表面风压分布特点,以及洞口设置方式对风压的影响特点。建筑考虑封闭、单面开洞(居中)、两面开洞(居中)、单面双开洞(两侧)和两面三开洞(前面两侧、后面居中)5种模式,如图7所示,见表1所列。图7中,A、B、C、D表示建筑不同立面,方形小框及数字表示开洞位置及洞口编号。在一定范围变化的开洞率对建筑室内外的风压影响较小[15],因此采用相同开洞率7.5%,洞口形式为正方形。参考图1、图2建立计算域,射流管道直径D0=1 000 m。

表1 建筑开洞5种洞口模式

图6 4类建筑外形及尺寸

图7 4类建筑开洞预设位置

2.1 洞口位置对表面风压影响

文人与艺人往还，每每以宴饮赠诗为多，民国嘉兴地方文人即留下不少赠评弹艺人的诗赋。如署名“系系”者应友人华君之约，为即将剪书返沪的女艺人朱雪琴饯行，席间作词道：

图8 3类异型建筑5种洞口模式下外表面面压系数值

为定量分析立面洞口位置对迎风面风压的影响,考虑5种洞口模式,比较迎风面(A2面)竖直中线、迎风面横向中线位置及屋面中线的风压系数CP分布,如图10～图12所示。

图10 迎风面(A2面)竖直中线外表面风压系数在5种洞口模式下的变化

从图10可以看出,3类异型建筑除模式2和模式3外,其余模式下在A2面的CP沿高度方向均呈先减小后增大再减小的变化趋势。模式2相较于模式3在洞口附近CP波动较小,与其余3种模式的CP变化较接近,其总体分布趋势也是先减小后增大再减小,最小风压出现在1.2 m高度处,而最大风压出现在7.0 m高度处。3类异型建筑在模式3下,洞口上、下缘CP均出现不同程度的骤增和骤减现象,凹型、T型和L型建筑在洞口上缘CP值分别为0.961、0.982、0.968,其中凹型建筑模式3下与模式1相比,在洞口上缘骤增现象最明显,最大增幅为12.9%;凹型、T型和L型建筑在洞口下缘CP值分别为0.673、0.783、0.713,与模式1相比,降幅分别为12.7%、11.1%、22.1%。

从图11可以看出,3类异型建筑在5种洞口模式下,迎风面横向中线处的外表面CP呈大致相同的分布趋势。凹型、L型建筑4种开洞模式下横向中线处的外表面CP与模式1(封闭)差别较小,仅在局部略有差异,而洞口附近差异最显著。从凹型建筑看,与模式1相比,模式4下的洞口附近CP出现骤减现象,最大降幅为54.4%;模式5下的洞口附近CP出现骤增现象,最大增幅达23.6%;模式4与模式5下的洞口附近CP最大差值达0.431。从L型建筑看,模式3与模式1相比,洞口附近出现CP骤减现象,最大降幅达20.4%。

T型建筑5种洞口模式下迎风面横向中线外表面CP差别较大。对比模式1与模式2,单面开洞时,迎风面横向中线处CP总体略低于封闭模式。对比模式1与模式3,模式3横向中线处CP高于模式1,两者最大差值为0.198。对于模式4和模式5,两洞口之间的CP低于模式1,洞口两侧则高于模式1,两者与模式1的外表面CP最大差值分别为0.266、0.364。

建筑立面洞口形成的穿堂风会直接影响爬升屋面的气流,因此洞口位置对建筑屋面风压也会产生影响。下面分析屋面中线处沿顺风向内外风压合力下合风压系数CP的分布特点。

图12 屋面中线内外风压合力下合风压系数在5种洞口模式下的变化

2.2 异型建筑与立方体型建筑风压对比分析

3类异型建筑模式3与模式1的CP差异最大,在两面开洞时(模式3),洞口上、下缘存在骤增和骤减现象。模式3下,3类异型建筑与立方体型建筑在z=5 m处的水平剖面风速流线图如图13所示。

立方体型建筑两面开洞时,进入迎风面洞口的一部分气流,直接穿过建筑汇入尾流,造成此区域气流复杂流动[16]。两面开洞时,3类异型建筑水平剖面风速流线与立方体型建筑类似,但由于存在凸出或凹进区域,易产生气旋,气流对3类异型建筑的撞击作用较立方体型建筑的相同区域严重。

模式3下,4类建筑迎风面竖直中线、横向中线处外表面CP对比如图14所示。

由图14a可知:两面开洞时,凹型建筑与L型建筑洞口上、下缘的CP均低于立方体型建筑,在洞口下缘CP出现最小值,分别为0.673、0.713;T型建筑洞口下部CP呈先降低后增高再降低的趋势,与立方体型建筑洞口下部CP分布相似,在洞口上部CP高于立方体型建筑;4类建筑最大CP均出现在7.4 m高度处;凹型建筑与L型建筑洞口上、下缘CP差值较大,分别为0.288、0.255,高于立方体型建筑洞口上、下缘CP差;T型建筑洞口上、下缘CP差值为0.137,低于立方体型建筑洞口上下缘CP差。

由图14b可知:两面开洞时,凹型、L型和立方体型建筑均在洞口附近出现CP骤减现象,结合图13分析可知,来流风在转角处产生吸力,导致异型建筑洞口CP相较于立方体型建筑降低,其中L型建筑相比于立方体型建筑降幅最大,最大降幅达20.0%;经过T型建筑的来流风在转角处形成涡旋,导致转角处CP骤减,其相对于立方体型建筑降幅达24.9%。

3 结 论

本文以3类异型低矮建筑为对象,研究洞口设置方式对建筑内外表面风压系数分布的影响,并与立方体型建筑进行对比,得到以下结论:

2) 在迎风面竖直中线位置,3类异型建筑迎风面(A2面)无洞口时,外表面CP分布趋势大致相同,沿高度均呈先减小后增大再减小的趋势;单面开洞时,CP与无洞口时接近;两面开洞时,洞口上、下缘存在CP骤增、骤减现象。在迎风面横向中线位置,3类异型建筑5种洞口模式下外表面CP呈大致相同的分布趋势;凹型、L型建筑迎风面横向中线处开洞模式外表面CP与封闭模式差别不大,仅在洞口附近略有差异;T型建筑单面双开洞时,洞口之间的CP低于封闭模式,洞口两侧的CP则高于封闭模式。

3) 在屋面中线位置,3类异型建筑除两面开洞外,其他开洞模式较封闭模式,建筑屋面内外风压合力下合风压系数CP增大,其中单面开洞增幅最大,凹型、T型和L型建筑CP平均增幅分别为348.6%、493.6%、250.7%;两面开洞时,从总体看,CP降低。

4) 在模式3下,凹型和L型建筑在洞口附近,迎风面竖直中线和横向中线处外表面CP低于立方体型建筑;T型建筑在洞口上部CP高于立方体型建筑,经过T型建筑的来流风在转角处形成涡旋,导致转角处CP骤减。