龔敏鋒 楊律磊 朱尋焱

(蘇州工業(yè)園區(qū)設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，蘇州 215021)

綿竹市體育場(chǎng)風(fēng)荷載和風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬分析

龔敏鋒*楊律磊 朱尋焱

(蘇州工業(yè)園區(qū)設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，蘇州 215021)

綿竹市體育場(chǎng)的屋蓋結(jié)構(gòu)由懸挑鋼屋面和落地飄帶組成，結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，使得屋蓋表面風(fēng)荷載分布和體育場(chǎng)風(fēng)環(huán)境明顯不同于常規(guī)的體育場(chǎng)。文章通過計(jì)算流體力學(xué)(CFD)對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬，分析了該結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)向角下的風(fēng)壓系數(shù)分布，討論了屋蓋開縫與否對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響，并對(duì)體育場(chǎng)行人高度處的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了模擬評(píng)估。

計(jì)算流體力學(xué), 風(fēng)荷載, 開縫體型, 風(fēng)環(huán)境

1 引 言

綿竹市體育中心體育場(chǎng)工程為江蘇省對(duì)口援建重點(diǎn)工程，整體結(jié)構(gòu)是由下部?jī)蓪踊炷量磁_(tái)及上部懸挑鋼屋面組成。屋蓋結(jié)構(gòu)采用54榀正三角空間管桁架結(jié)構(gòu)體系，環(huán)向采用通長(zhǎng)三道平面桁架支撐和一道空間桁架支撐，每榀桁架落于前后兩根混凝土柱上；落地飄帶及延伸部分由兩部分組成，飄帶部分以兩榀空間扭曲的倒三角桁架為主受力體系，中間采用支撐桁架互相連接成整體，延伸部分采用10榀正三角空間管桁架結(jié)構(gòu)體系，支撐于20根鋼管混凝土柱上(圖1)。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

由于結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，使得體育場(chǎng)屋蓋的風(fēng)壓分布及場(chǎng)內(nèi)風(fēng)環(huán)境明顯不同于常規(guī)的體育場(chǎng)，本文通過采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了風(fēng)荷載和風(fēng)環(huán)境的數(shù)值模擬，分析比較了不同風(fēng)向角下結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓分布和屋蓋連接是否開縫的影響，并對(duì)體育場(chǎng)行人高度處的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了模擬評(píng)估。

2 CFD數(shù)值模擬方法

2.1 數(shù)值模擬原理

CFD的原理是通過電子計(jì)算機(jī)將控制體流動(dòng)的積分型或者偏微分型方程轉(zhuǎn)換為離散代數(shù)形式，然后求解這些代數(shù)方程來得到離散的空間和(或)時(shí)間點(diǎn)上的流場(chǎng)數(shù)值[1]。對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬，一般將周圍流場(chǎng)假設(shè)為不可壓縮、黏性和等溫的流場(chǎng)，其基本控制方程如下[2]：

(1)質(zhì)量守恒方程：

▽(ρu)=0

(1)

(2)動(dòng)量方程：

(2)

式(2)即為著名的Navier-Stokes方程，理論上直接對(duì)其求解即可獲得湍流計(jì)算的精確解，但當(dāng)前的計(jì)算能力還無法運(yùn)用到工程計(jì)算中。目前工程中常采用對(duì)Navier-Stokes方程進(jìn)行時(shí)均化來計(jì)算，但必須引入新的湍流模型來對(duì)方程進(jìn)行封閉。本文借助FLUENT軟件，采用雷諾應(yīng)力模型(RSM)，其考慮了湍流應(yīng)力的各向異性，因而對(duì)復(fù)雜流動(dòng)具有相對(duì)較高的預(yù)測(cè)精度。

2.2 數(shù)值模擬建模

在進(jìn)行計(jì)算風(fēng)工程的數(shù)值模擬時(shí)，計(jì)算域的設(shè)置應(yīng)當(dāng)使其對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響減小到最低，研究表明[3]，當(dāng)阻塞率(建筑物迎風(fēng)面積與流域橫截面積之比)不大于3%的時(shí)候，邊界對(duì)研究區(qū)域產(chǎn)生的影響可以忽略不計(jì)。

除了阻塞率要求以外，所研究建筑結(jié)構(gòu)在計(jì)算域中所處的位置也需要合理布置：對(duì)于流場(chǎng)出口位置，如果太靠近建筑物，則將在出口邊界產(chǎn)生回流，造成流體在出流面流入域內(nèi)，使出流面處于因建筑物阻擋而形成的尾流回流中，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏差很大；另一方面，如果流場(chǎng)出口位置離所模擬的建筑物太遠(yuǎn)，則計(jì)算域會(huì)過大，從而使網(wǎng)格數(shù)量大大增加，增加無謂的計(jì)算量，影響計(jì)算效率。本文在綜合考慮計(jì)算精度和效率的基礎(chǔ)上，選擇計(jì)算流域?yàn)?300 m×900 m×300 m，建筑物置于流場(chǎng)的前1/3處，最大阻塞率為2.4%。

網(wǎng)格劃分如圖2所示，采用混合網(wǎng)格劃分，在建筑物表面附近區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，外圍區(qū)域則采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在遠(yuǎn)離建筑物方向逐漸變?。痪W(wǎng)格單元總數(shù)為230萬，最小單元尺寸為1 m。

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

計(jì)算區(qū)域[4]出口采用完全發(fā)展出流邊界；建筑物表面和地面采用無滑移壁面邊界，其他邊界采用對(duì)稱邊界條件；入口采用速度入口邊界，通過C語言編寫用戶自定義函數(shù)(UDF)來直接指定風(fēng)速v(z)、湍流動(dòng)能k和湍流耗散率ε，其中風(fēng)速剖面采用我國(guó)荷載規(guī)范[5]建議的指數(shù)形式，湍流特性采用日本荷載規(guī)范[6]建議的經(jīng)驗(yàn)公式：

(1)指數(shù)風(fēng)剖面：

v(z)=v0(z/zb)α

(3)

(2)湍流剖面：

k=1.5(v·I)2

(4)

(5)

(6)

式中，v0為高度zb=10m高度處的風(fēng)速；α為地面粗糙度指數(shù)；Cμ=0.09；L=100(z/30)0.5；標(biāo)準(zhǔn)參考高度zb=5m；梯度風(fēng)高度zg=350m。

計(jì)算采用3D雙精度分離求解器，空氣模型為理想不可壓縮氣體模型，湍流模型選用RSM模型。近壁面采用非平衡壁面函數(shù)修正，對(duì)流項(xiàng)求解采用二階迎風(fēng)格式，流場(chǎng)求解方法選用SIMPLE，當(dāng)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓系數(shù)基本穩(wěn)定的時(shí)候視為收斂。

由于本工程在外形上為幾何對(duì)稱，故只需要考慮0°到180°的風(fēng)向角即可；如圖3所示，本文定義垂直體育場(chǎng)入口風(fēng)向角為0°，按順時(shí)針每增加15°為一工況，總計(jì)13個(gè)工況。在數(shù)值模擬過程中，本文對(duì)每個(gè)計(jì)算工況分別構(gòu)筑了相應(yīng)的計(jì)算域，從而使每個(gè)工況下風(fēng)向與網(wǎng)格排列方向一致，減少數(shù)值擴(kuò)散的誤差。

圖3 風(fēng)向角示意圖Fig.3 Wind directions

3 風(fēng)壓系數(shù)計(jì)算結(jié)果分析

由于本文計(jì)算選用的基本風(fēng)壓與我國(guó)荷載規(guī)范定義的一致，都以B類場(chǎng)地10 m高度處為基準(zhǔn)，則文中按式(7)計(jì)算得到的風(fēng)壓系數(shù)即為規(guī)范中體型系數(shù)與風(fēng)壓高度系數(shù)的乘積。

(7)

式中，P為結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓；ρ為空氣密度。

由于篇幅有限，本文僅對(duì)0°、90°和180°三個(gè)風(fēng)向角下的風(fēng)壓系數(shù)分布進(jìn)行分析。為了便于分析，按圖4所示對(duì)屋蓋表面進(jìn)行分區(qū)。

圖4 區(qū)域分塊示意圖

3.1 0°風(fēng)向屋蓋表面風(fēng)壓分布

1) 上表面風(fēng)壓系數(shù)分布

在0°風(fēng)向角來流作用下，由于風(fēng)向垂直體育場(chǎng)入口處，與體育場(chǎng)對(duì)稱軸平行，故結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓呈軸對(duì)稱分布：對(duì)于落地飄帶部分(1，2，13和14區(qū)域)，上表面為迎風(fēng)面，基本表現(xiàn)為正壓力，在底部由于受到周邊墻體回旋氣流的影響，壓力系數(shù)較大，而隨著高度的增加，飄帶表面趨于平緩，氣流開始分離，風(fēng)壓逐漸減小；對(duì)于懸挑部分，由于氣流的分離作用，表面主要受吸力影響，而在下游部分，由于迎風(fēng)邊緣氣流分離，形成了較大的負(fù)壓區(qū)。

2) 下表面風(fēng)壓系數(shù)分布

在飄帶部分，下表面主要呈負(fù)壓分布，迎風(fēng)邊緣的吸力較大；懸挑部分下表面由于下方看臺(tái)的影響，抑制了氣流分離，主要表現(xiàn)為壓力影響，與氣流方向保持平行的區(qū)域3～5、10～12風(fēng)壓分布較為均勻，而在區(qū)域6～9，由于與來流方向角度較大，大量氣流經(jīng)過看臺(tái)后形成回旋氣流，使該區(qū)域壓力較大。

3.2 90°風(fēng)向屋蓋表面風(fēng)壓分布

1)上表面風(fēng)壓系數(shù)分布

在90°風(fēng)向角來流作用下，飄帶部分的區(qū)域1，2處于背風(fēng)面，呈負(fù)壓分布，而區(qū)域13，14底部正對(duì)于來流風(fēng)向，形成正壓區(qū)，隨著曲面向上，氣流產(chǎn)生分離，由正壓轉(zhuǎn)為負(fù)壓；對(duì)于懸挑部分，來流在屋面前緣分離形成明顯的漩渦，而漩渦中存在的逆壓梯度導(dǎo)致氣流分離處形成很大的負(fù)壓區(qū)，隨著氣流方向，負(fù)壓力呈梯度遞減；另一方面，區(qū)域9～12相對(duì)區(qū)域3～6來說，負(fù)壓力明顯減小，說明結(jié)構(gòu)的上游部分對(duì)下游部分起到了明顯的遮擋效應(yīng)。

2) 下表面風(fēng)壓系數(shù)分布

對(duì)于飄帶部分的上表面，區(qū)域1，2處于迎風(fēng)面，呈正壓分布，且底部區(qū)域由于周邊墻體形成的繞流壓力較大，區(qū)域13，14處于背風(fēng)面，呈負(fù)壓分布，但隨著表面漸緩負(fù)壓逐漸減小；對(duì)于懸挑部分，在上游由于氣流分離主要呈負(fù)壓分布，而在下游部分，隨著氣流分離逐漸被看臺(tái)抑制[7]，負(fù)壓也逐漸轉(zhuǎn)為正壓分布。

3.3 180°風(fēng)向屋蓋表面風(fēng)壓分布

1) 上表面風(fēng)壓系數(shù)分布

在180°風(fēng)向角來流作用下，屋蓋區(qū)域7，8的迎風(fēng)邊緣由于氣流分離產(chǎn)生了很大的負(fù)壓，在徑向由c到a逐漸降低，而屋蓋在氣流方向較為平緩，對(duì)流動(dòng)路徑干擾較小，故除了迎風(fēng)邊緣變化較大外，整個(gè)屋蓋分布風(fēng)壓分布比較均勻。

圖5 0°風(fēng)向角結(jié)構(gòu)屋蓋表面風(fēng)壓系數(shù)分布圖

圖6 90°風(fēng)向角結(jié)構(gòu)屋蓋表面風(fēng)壓系數(shù)分布圖

2)下表面風(fēng)壓系數(shù)分布

飄帶的下表面在180°風(fēng)向角下處于迎風(fēng)面，呈正壓分布；懸挑部分在順方向隨著氣流越來越多通過看臺(tái)形成回旋，分離作用得到越來越大的抑制，風(fēng)壓逐漸由負(fù)值過渡為正值。整個(gè)表面風(fēng)壓系數(shù)的分布體現(xiàn)了良好的對(duì)稱性，進(jìn)一步論證了結(jié)果的合理性。

3.4 屋蓋凈風(fēng)壓建議取值

在得到結(jié)構(gòu)屋蓋表面的風(fēng)壓系數(shù)分布之后，通過對(duì)不同分區(qū)內(nèi)風(fēng)壓系數(shù)積分平均即可得到該區(qū)域的風(fēng)壓系數(shù)，從而為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供建議。圖8和圖9分別為不同風(fēng)向角下區(qū)域B5的風(fēng)壓系數(shù)值和0°風(fēng)向角下結(jié)構(gòu)屋蓋的凈風(fēng)壓系數(shù)建議取值。

由上示各風(fēng)向角下屋蓋凈風(fēng)壓系數(shù)分布可以看出，風(fēng)壓分布呈現(xiàn)出很好的對(duì)稱性；在風(fēng)向上游，由于氣流強(qiáng)大的分離作用，使得屋蓋邊緣的負(fù)風(fēng)壓較大，特別是與風(fēng)向垂直部分；b區(qū)屋蓋風(fēng)壓分布較為均勻；落地飄帶由于角度變化較大，風(fēng)壓分布多變；不同風(fēng)向角下屋面風(fēng)壓分布相差較大，在設(shè)計(jì)中采用多工況計(jì)算分析。

圖8 區(qū)域B5在不同方向角下的風(fēng)壓系數(shù)

圖9 屋蓋凈風(fēng)壓系數(shù)建議取值

4 屋蓋開縫影響

本文針對(duì)屋蓋和看臺(tái)連接處不開縫體型和開縫高度2 m的體型(圖10)做了分析對(duì)比，以90°工況為例，圖11為開縫體型屋蓋上下表面風(fēng)壓分布圖，圖12為不同情況下流域剖面風(fēng)速矢量圖。

圖10 結(jié)構(gòu)剖面示意圖

圖11 90°風(fēng)向角開縫體型屋蓋表面風(fēng)壓系數(shù)分布圖

結(jié)合圖6對(duì)比可以看出，對(duì)于上表面，開縫后一部分氣流從屋蓋下部通行，減慢了迎風(fēng)邊緣的氣流上升速度，一定程度上抑制了該部分的分離作用，相對(duì)未開縫體型來說，迎風(fēng)邊緣的風(fēng)壓要??；對(duì)于下表面，由于開縫的影響，區(qū)域C9—C12邊緣部分正對(duì)于下方的上升氣流，出現(xiàn)局部正壓，在設(shè)計(jì)中需要加以注意；而對(duì)于其余部分，兩者的分布規(guī)律基本一致。

圖12 90°風(fēng)向角流域剖面風(fēng)速矢量圖

圖13 行人高度處風(fēng)速比分布圖

圖14 行人高度處風(fēng)速矢量圖

故對(duì)于本結(jié)構(gòu)，屋蓋處開縫可以一定程度上減小表面風(fēng)壓，但對(duì)于開縫邊緣需要加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

5 風(fēng)環(huán)境模擬與評(píng)估

由于體育類建筑外形獨(dú)特，其內(nèi)部和周圍往往會(huì)在自然風(fēng)作用下形成獨(dú)特的風(fēng)場(chǎng)，從而影響到場(chǎng)內(nèi)的體育活動(dòng)和周圍行人的舒適性甚至安全性，所以有必要對(duì)建筑物周圍的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估分析。

本文對(duì)體育場(chǎng)行人高度(2 m)處的風(fēng)速進(jìn)行了模擬。由于在實(shí)際情況下，建筑物周圍的風(fēng)速隨來流風(fēng)速的變化而變化，所以本文使用測(cè)得的風(fēng)速與相同高度處來流風(fēng)速的比值，即風(fēng)速比R來反映建筑物對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響程度。風(fēng)速比R的定義為

R=vw/vn

(8)

式中，vw為行人高度處的平均風(fēng)速；vn為來流處未受干擾的平均風(fēng)速。

本文以0°風(fēng)向角和90°風(fēng)向角為例，給出行人高度處的風(fēng)速比分布示意圖(圖13)和風(fēng)速矢量圖(圖14)。

從圖中可以看出，體育場(chǎng)對(duì)其內(nèi)部起到了一定的遮蔽作用，而在順風(fēng)向的出入口和側(cè)風(fēng)向的體育場(chǎng)外側(cè)表現(xiàn)出了較大的風(fēng)速比，最大處達(dá)到1.9：出入口部分主要是因?yàn)楠M縫效應(yīng)的影響，其同樣對(duì)落地飄帶和樓梯之間部分、落地飄帶和前門之間部分產(chǎn)生了影響；而體育場(chǎng)外側(cè)部分主要是由于受到氣流分離形成的高風(fēng)速影響。這些現(xiàn)象在風(fēng)速矢量圖中可以得到更直觀的體現(xiàn)，另一方面，由于不同出入口的來流風(fēng)向，在局部開臺(tái)的前方會(huì)形成漩渦，從而對(duì)風(fēng)環(huán)境形成一定的影響。

在得到行人高度處的風(fēng)速比之后，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蚝褪孢m度標(biāo)準(zhǔn)即可對(duì)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估。下表為Soligo等研究得出行人高度平均風(fēng)大小與行人對(duì)風(fēng)環(huán)境舒適度之間的關(guān)系[8]。

表1 平均風(fēng)速與行人舒適度關(guān)系

Table 1 Average wind speed and pedestrian comfort level

本文參考《中國(guó)地面氣候標(biāo)準(zhǔn)值月值數(shù)據(jù)集》，得到當(dāng)?shù)爻Ｄ昶骄L(fēng)速大小為1.5m/s，則對(duì)于風(fēng)速比小于1.67的部分都可視為處于舒適度范圍，故體育場(chǎng)除了部分區(qū)域外基本不對(duì)行人舒適度造成影響；而對(duì)于高風(fēng)速比的區(qū)域，僅影響行人坐，其主要集中在落地飄帶周圍，可以通過設(shè)置隔離帶和綠化等來改善。

6 結(jié) 論

(1) 在不同的風(fēng)向角下，體育場(chǎng)屋蓋懸挑部分上表面主要表現(xiàn)為吸力影響，來流在屋蓋邊緣形成的柱狀漩渦和錐形漩渦是影響屋面風(fēng)荷載的主要因素，而下表面的風(fēng)壓分布受看臺(tái)的影響較大；飄帶部分由于旋轉(zhuǎn)角度較大，風(fēng)壓分布變化較大。

(2) 體育場(chǎng)屋蓋開縫體型在設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上可以在一定程度上減小結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓。

(3) 通過對(duì)行人高度處風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬分析，得出體育場(chǎng)內(nèi)部和周圍基本符合舒適度要求。

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Numerical Simulation on Wind Load Characteristics and Wind Environment for Mianzhu Stadium

GONG Minfeng*YANG Lulei ZHU Xunyan

(Suzhou Industrial Park Design and Research Institute Co., Ltd., Suzhou 215021, China)

The roof of the Mianzhu Stadium is composed of the cantilevered steel cover and the ribbon-like structure connecting to the floor. This special shape makes the wind loads and the wind environment complex. The computational fluid dynamics (CFD) method was adopted to simulate wind loads acting on the stadium in different wind directions. The influence of the joint gap between the roof and stand was considered in the simulation. The pedestrian wind environment around the stadium was also assessed in this paper.

CFD, wind load, joint gap, wind environment

2014-01-09

*聯(lián)系作者，Email:gongminfeng@sipdri.com