何鍇，霍林生，李鋼，李宏男

(大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

沿海地區(qū)低矮建筑常遭受臺風(fēng)襲擊，傳統(tǒng)低矮房屋抗風(fēng)能力較弱。風(fēng)災(zāi)調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明，多數(shù)低矮建筑在臺風(fēng)下從屋面開始，從最初的局部屋蓋破壞(屋檐外側(cè)、角部和屋脊等部位)逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致整個(gè)屋蓋損壞甚至房屋整體倒塌[1-3]。破壞是由較大的風(fēng)吸力導(dǎo)致的，減小低矮建筑屋面風(fēng)壓極值對于低矮建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。為降低在低高度建筑物屋頂上出現(xiàn)的高吸力風(fēng)荷，已有多位學(xué)者對建筑表面的風(fēng)壓分布規(guī)律進(jìn)行了研究。Pindado等[4]在屋頂邊緣使用具有適當(dāng)高度的護(hù)欄，所研究的護(hù)欄配置包括普通垂直墻護(hù)欄、實(shí)心或多孔垂直墻護(hù)欄，以及靠近建筑物屋頂?shù)男∷轿蓓斝问降膽冶圩o(hù)欄。其低速風(fēng)洞試驗(yàn)證明：具有中等孔隙度的垂直墻護(hù)欄和懸臂護(hù)欄更有效。Kopp等[5]給出了欄桿可替換的幾何形狀，它可以減輕由于角落渦流形成的局部(部件和包層)載荷。Bitsuamlak等[6]和Aly等[7]針對雙坡屋頂類型，給出了多種建筑幾何改裝方案。包括棚架、肋條、圓形邊緣、傾斜邊緣等。黃鵬等[8]、陶玲等[9]、Huang等[10]設(shè)計(jì)了多種屋檐形式，證實(shí)合理的屋檐形式可使靠近屋檐邊緣和拐角處的負(fù)峰值風(fēng)壓顯著降低。甘石等[11]針對低層雙坡屋頂建筑，提出安裝擾流板可降低屋面風(fēng)荷載，風(fēng)洞試驗(yàn)考慮了擾流板高度、寬度、角度和安裝位置的影響，給出的擾流板推薦高度為0.2～0.6 m，建議寬度為整個(gè)建筑物長度的1/20。楊易等[12]在低矮房屋屋面增加構(gòu)筑件(厝頭和屋脊)，設(shè)計(jì)低矮建筑模型并對其進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，結(jié)果表明：在屋面增加厝頭和屋脊都可降低雙坡屋面結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載。

基于對低矮房屋防護(hù)措施的研究成果，筆者提出一種新型空氣動力裝置，該裝置兼具導(dǎo)流和耗能的雙重特點(diǎn)，可開發(fā)出效果更佳的屋頂表面吸力降低技術(shù)。同時(shí)，配合經(jīng)典的擾流板方法進(jìn)行研究，以尋求更優(yōu)的抗風(fēng)裝置組合。

1 阻尼抗風(fēng)耗能裝置設(shè)計(jì)簡介

阻尼抗風(fēng)耗能裝置如圖1所示，葉輪根部安裝在中心輪轂，支座與液體圓桶的上表面固定連接，輪轂桿下半段置于圓桶內(nèi)部；圓桶內(nèi)部灌入阻尼液體，裝液后密封。葉輪受風(fēng)轉(zhuǎn)動時(shí)，阻尼液體提供阻力，這樣裝置轉(zhuǎn)動時(shí)會對風(fēng)能進(jìn)行耗散。阻尼圓桶下端設(shè)計(jì)一個(gè)固定板，用于將裝置固定于房屋結(jié)構(gòu)上。固定板的外形可依據(jù)所防護(hù)的結(jié)構(gòu)外形適當(dāng)設(shè)計(jì)，便于安裝。

圖1 抗風(fēng)裝置簡圖Fig.1 The wind-resistant devices

耗能裝置的制作材料可選用常用的工程塑料，如葉輪可采用聚酰胺(PA)，圓筒、固定板等可采用聚甲醛(POM)。選用PA是因其具有耐磨、自潤滑性好、沖擊韌性優(yōu)異、比重輕、高抗拉強(qiáng)度、加工簡便的特點(diǎn)。POM硬度、強(qiáng)度接近金屬，具備良好的耐疲勞、耐化學(xué)品性及一定的彈性。

風(fēng)載作用在裝置上時(shí)，葉輪會隨風(fēng)轉(zhuǎn)動并帶動輪轂，而下部的阻尼部分會產(chǎn)生阻尼效應(yīng)，阻礙轉(zhuǎn)動，從而消耗能量。將數(shù)個(gè)耗能裝置并排安裝在屋面邊緣，裝置工作時(shí)，各裝置將獨(dú)立轉(zhuǎn)動，裝置周圍風(fēng)場并不會互相影響。通過安裝多個(gè)耗能裝置共同作用，預(yù)期可以加強(qiáng)裝置的抗風(fēng)效果。低矮建筑安裝該裝置后，氣動裝置成為了建筑物抗風(fēng)的第一道防線，有必要通過完善的加工工藝及各構(gòu)件間可靠的螺栓連接，使裝置具備足夠的承載力，保證耗能裝置在較大風(fēng)荷載作用下不會先于房屋構(gòu)件發(fā)生損壞。

2 抗風(fēng)裝置安裝方式對比研究

2.1 試驗(yàn)概況

霍林生等[13]通過數(shù)值模擬和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了阻尼耗能抗風(fēng)裝置在減小低矮雙坡屋面風(fēng)壓的有效性。在此基礎(chǔ)上，筆者提出同時(shí)安裝耗能抗風(fēng)裝置與擾流板的方式，并考慮不同的安裝位置時(shí)，研究抗風(fēng)裝置對屋面風(fēng)壓的影響規(guī)律。設(shè)計(jì)了6種裝置安裝工況，通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究抗風(fēng)裝置系統(tǒng)對屋面峰值風(fēng)壓和平均風(fēng)壓的影響。試驗(yàn)在中國建筑科學(xué)研究院的風(fēng)洞試驗(yàn)室完成(如圖2所示)，結(jié)合實(shí)際房屋受風(fēng)環(huán)境，通過劈尖和粗糙元布置模擬了B類地形粗糙度，使風(fēng)剖面、湍流強(qiáng)度剖面接近真實(shí)的大氣邊界層。

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

研究的房屋實(shí)際尺寸見圖3，根據(jù)低矮房屋中常見的屋面坡角范圍，模型中的屋面坡角定為30°。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?yīng)的房屋實(shí)際尺寸Fig.3 Full-scale geometric dimension of test model

模型采用玻璃鋼板制作而成，模型縮尺比為1∶20。測壓模型底面矩形尺寸為500 mm×350 mm，高度為450 mm，該尺寸滿足了風(fēng)洞試驗(yàn)阻塞比要求。裝置扇葉直徑為40 mm，試驗(yàn)安裝時(shí)一側(cè)安置數(shù)量為5個(gè)。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)將模型固定在轉(zhuǎn)盤中心，通過控制轉(zhuǎn)盤模擬風(fēng)向角變化，風(fēng)向角間隔取為15°，按順時(shí)針方向遞增(0°～360°)，可模擬25個(gè)風(fēng)向角(0°與360°相同，復(fù)核數(shù)據(jù))。試驗(yàn)為探究屋面風(fēng)壓的分布情況，在每側(cè)屋面布置128個(gè)測壓點(diǎn)，共256個(gè)，測點(diǎn)編號依紅色標(biāo)識線遞增布置，見圖4。

圖4 裝置測點(diǎn)編號示意Fig.4 The number of the measuring point of the

6種抗風(fēng)裝置安裝工況見表1，示意圖見圖5。借助風(fēng)洞試驗(yàn)，對各風(fēng)向角下雙坡房屋屋面風(fēng)壓情況進(jìn)行全面分析。

表1 工況類型Table 1 Test cases

圖5 工況示意Fig.5 Test cases

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 各測點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)

中國建筑科學(xué)研究院風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室配置的掃描閥頻率為400 Hz，一次數(shù)據(jù)采樣時(shí)間設(shè)置為30.75 s，故一次采樣可得到每個(gè)測點(diǎn)的12 300個(gè)數(shù)據(jù)。對12 300個(gè)風(fēng)壓數(shù)據(jù)取平均值，作為相應(yīng)測點(diǎn)的風(fēng)壓實(shí)測值。參考點(diǎn)(取10 m高度處)的靜壓和總壓可同步測出。由式(1)可計(jì)算出各測點(diǎn)的無量綱平均風(fēng)壓系數(shù)。

(1)

式中：p為各測點(diǎn)測得風(fēng)壓；Cpr為各測點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)；pr0為參考點(diǎn)處測得總壓；qr為參考點(diǎn)處動壓；p∞、pr∞為各參考測點(diǎn)處測得靜壓。

為直觀觀察房屋屋面風(fēng)壓的分布特點(diǎn)，首先給出0°風(fēng)向角下的對比Cpr。圖6～圖8為無控工況(工況1)與各防護(hù)工況(工況2～工況6)下測點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)的對比。

圖6 工況1、2、3的測點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)對比Fig.6 Comparison of average wind pressure coefficient of measuring points in case 1, 2 and 3

圖7 工況1、2、4、5的測點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)對比Fig.7 Comparison of average wind pressure coefficient of measuring points in case 1, 2,4 and 5

圖8 工況1、5、6的測點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)對比Fig.8 Comparison of average wind pressure coefficient of measuring points in cases 1, 5 and 6

由圖6可以看出，無控工況下，測點(diǎn)1～測點(diǎn)128為背風(fēng)屋面測點(diǎn)，整體受較強(qiáng)的風(fēng)吸負(fù)壓；測點(diǎn)129～測點(diǎn)256為迎風(fēng)屋面，因測點(diǎn)的布置順序曲線呈起伏狀，其中，出現(xiàn)負(fù)壓絕對值較大的測點(diǎn)在屋脊處(圖4框1內(nèi)的測點(diǎn))，此為迎風(fēng)屋面的危險(xiǎn)區(qū)域。

在安裝阻尼耗能裝置后，觀察工況2、工況3測點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)曲線，房屋負(fù)壓較無控工況整體出現(xiàn)不同程度的降低。值得關(guān)注的是：在房屋迎風(fēng)屋面，除了屋脊處，在屋檐部位(圖4框2內(nèi)測點(diǎn))的測點(diǎn)亦出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因?yàn)檠b置葉輪旋轉(zhuǎn)改變了屋檐邊緣的氣流走向，使屋檐部位負(fù)壓區(qū)域增大。同時(shí)，由圖6還可以看出，安裝耗能裝置也減小了迎風(fēng)屋面的極值正壓。

整體對比工況2、工況3曲線，雙側(cè)安裝減弱了耗能裝置的抗風(fēng)作用。

工況4在迎風(fēng)側(cè)屋檐處安裝擾流板，取擾流板傾斜角度為0°，寬度為建筑物長度的1/20，即0.25 m[11]。由圖7可以看出，工況4單獨(dú)安裝擾流板亦使房屋的極值負(fù)壓絕對值降低。但工況4與工況2曲線相比較，可看出單側(cè)屋檐安裝耗能裝置對迎風(fēng)屋面風(fēng)壓的改善作用優(yōu)于安裝擾流板。

結(jié)合耗能裝置和擾流板的優(yōu)點(diǎn)，將耗能裝置放置于擾流板正下方，同時(shí)，安裝至房屋屋檐處(工況5)。觀察工況5各測點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)曲線，背風(fēng)屋面測點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)絕對值降低非常明顯，也改善了迎風(fēng)屋面的風(fēng)壓分布。

若低矮雙坡房屋的坡頂處存在屋脊，可減小屋面的最不利極值風(fēng)壓系數(shù)[12]。于是，考慮將耗能裝置安裝至屋脊處(工況6)來觀測其工作效果。圖8中的工況6曲線表明，耗能裝置安裝至屋脊處完全改善了迎風(fēng)屋面的風(fēng)壓分布，使得迎風(fēng)屋面幾乎全部受正壓作用。反觀背風(fēng)屋面測點(diǎn)，對負(fù)壓的改善作用很小。

3.2 屋面平均風(fēng)壓等值線云圖

為直觀顯示屋面風(fēng)壓分布情況，圖9為6種工況在0°風(fēng)向角下風(fēng)洞試驗(yàn)得到的屋面平均風(fēng)壓等值線云圖。

圖9 0°風(fēng)向角風(fēng)洞試驗(yàn)屋面平均風(fēng)壓等值線比較Fig.9 Comparison of average wind pressure contours of roof wind tunnel test in 0° wind direction

由圖9可以看出，各工況平均風(fēng)壓等值線云圖直觀反映出，在0°風(fēng)向角下，無控狀態(tài)的典型雙坡屋面背風(fēng)面負(fù)風(fēng)壓系數(shù)極值接近-0.7。在安裝抗風(fēng)裝置之后，工況2、工況3、工況4使負(fù)風(fēng)壓系數(shù)極值改善到-0.5，工況5負(fù)壓系數(shù)絕對值進(jìn)一步減小至-0.4以下。

綜合上述6種工況各測點(diǎn)實(shí)測平均風(fēng)壓系數(shù)的對比分析，考慮低矮雙坡房屋屋面本身的風(fēng)壓分布特點(diǎn)：背風(fēng)屋面及屋脊角落處較迎風(fēng)屋面在臺風(fēng)下更易破壞。認(rèn)為0°風(fēng)向角下，工況5的裝置布置方式作用效果最好。

3.3 各工況的負(fù)平均風(fēng)壓系數(shù)極值

為客觀、全面地判斷裝置對屋面風(fēng)壓的影響效果，仍需從多個(gè)風(fēng)向角進(jìn)行風(fēng)壓系數(shù)極值分析。Cpr*表示不同工況下的平均風(fēng)壓系數(shù)絕對值最大測點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)值。圖10給出6種安裝工況在0～180°風(fēng)向角下的Cpr*。

圖10 各工況平均風(fēng)壓系數(shù)絕對值最大測點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)值Fig.10 Wind pressure coefficient value of the test point which has the maximum absolute value of the average wind pressure coefficient under the six operating cases

由圖10可以看出，在風(fēng)向角75°、105°左右，屋面出現(xiàn)了極值負(fù)壓，典型雙坡屋面無控時(shí)(工況1)，Cpr*接近-2.0，這是非常不利的。在對屋面采取不同的抗風(fēng)措施后(工況2～工況6)，從圖10曲線可以看出，極值負(fù)壓都得到了不同程度的改善。其中，效果較好的是工況2、工況4、工況5，將負(fù)風(fēng)壓系數(shù)極值控制在-1.4，工況5更是將Cpr*控制在-1.2，Cpr*降低幅度可達(dá)40%。將裝置安裝在屋脊(工況6)雖然在多數(shù)風(fēng)向角下改善負(fù)壓效果良好，但在90°風(fēng)向角附近無法發(fā)揮作用。

4 數(shù)值模擬

4.1 計(jì)算域及網(wǎng)格設(shè)置

利用FLUENT 17.0對雙坡屋面風(fēng)壓特性進(jìn)行模擬分析。幾何模型所對應(yīng)實(shí)體房屋的尺寸為：10 m(長)×7 m(寬)×9 m(高)，考慮數(shù)值風(fēng)洞大小的優(yōu)化和阻塞率要求，計(jì)算域尺寸取為200 m(長)×90 m(寬)×80 m(高)。

用分塊的方法將計(jì)算域分為內(nèi)部流域和外部流域兩部分，內(nèi)部流域即距房屋相對較近的流域，采用四面體網(wǎng)格劃分；其余部分為外部流域，外部流域主要目的是提供足夠大的風(fēng)場來接近真實(shí)狀態(tài)，故采用六面體單元減少網(wǎng)格數(shù)量。混合網(wǎng)格劃分如圖11所示，這種網(wǎng)格劃分方式滿足了風(fēng)場的真實(shí)性，同時(shí)限制了網(wǎng)格數(shù)量，在保證計(jì)算精度的情況下，提高了計(jì)算效率。

圖11 數(shù)值模型計(jì)算域與網(wǎng)格劃分Fig.11 The computation field and grid of numerical model

4.2 耗能裝置網(wǎng)格劃分

裝置葉輪采用三維制圖軟件SolidWorks進(jìn)行幾何建模。建立幾何模型時(shí)，模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，忽略對仿真影響較小的構(gòu)件，如裝置的圓筒、連接桿部分。建模完成后保存為*.step格式，以便導(dǎo)入ICEM中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

由于抗風(fēng)裝置模型屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，因此，需要將裝置附近流場空間分成兩個(gè)計(jì)算域，即運(yùn)用ICEM中BODY功能將流場區(qū)域分割成靜止域與旋轉(zhuǎn)域，其中，葉輪外表面與交界面圍成區(qū)域?yàn)樾D(zhuǎn)域，流場邊界與交界面圍成區(qū)域?yàn)殪o止域。交界面設(shè)置為圓柱面，旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用TGRID方法生成四面體網(wǎng)格，如圖11(c)所示。

4.3 仿真模型的選擇

處理旋轉(zhuǎn)機(jī)械問題，可采取混和平面模型(Mixing Plane)、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系模型(Rotating Reference Frame )、多參考坐標(biāo)系模型(MRF)等處理動靜部件CFD方法，滑移網(wǎng)格模型可以用來對流場進(jìn)行非定常計(jì)算，主動旋轉(zhuǎn)的仿真模擬流場與實(shí)際情況最為接近[14]。針對耗能裝置葉輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動建立瞬態(tài)模型，對流場進(jìn)行非定常計(jì)算，考慮以上幾種仿真方法的特點(diǎn)，最終選擇使用滑移網(wǎng)格方法建立瞬態(tài)運(yùn)動模型，它可以真實(shí)地模擬旋轉(zhuǎn)葉輪和流場間的相互影響，從而真實(shí)地描述葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域的流場特征。

4.4 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

對計(jì)算域的入口、出口、地面、頂面、側(cè)面和房屋模型表面進(jìn)行了設(shè)置，不同部位的邊界條件不同。具體設(shè)置情況見表2。

表2 邊界條件設(shè)置Table 2 Boundary conditions

由Body定義的旋轉(zhuǎn)域和靜止域的交界面則通過ANSYS中設(shè)置的Interface進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。旋轉(zhuǎn)域的運(yùn)動方式設(shè)置為旋轉(zhuǎn)(Rotational)。旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)中心由建模時(shí)旋轉(zhuǎn)域圓柱體的位置確定。旋轉(zhuǎn)軸為每個(gè)圓柱體上下底面圓心的連接軸，旋轉(zhuǎn)中心為每個(gè)圓柱體的形心。通過加載編譯udf宏約束裝置的運(yùn)動狀態(tài)，只對葉輪主體釋放繞旋轉(zhuǎn)軸環(huán)向的旋轉(zhuǎn)自由度，以此來模擬裝置工作時(shí)葉輪的旋轉(zhuǎn)。

對于低矮房屋的流體仿真，湍流模型選用雷諾應(yīng)力模型進(jìn)行仿真會得到最精確的結(jié)果[15]。在FLUENT中，RSM是最精細(xì)制作的模型，其避免了同性的渦粘性假設(shè)，比單方程和雙方程模型更加嚴(yán)格地考慮了流線型彎曲、漩渦、旋轉(zhuǎn)和張力的快速變化，對于復(fù)雜流動有更高的精度預(yù)測潛力。缺點(diǎn)是計(jì)算時(shí)占用較多的CPU計(jì)算時(shí)間和內(nèi)存、收斂較難，但對于復(fù)雜的3D流動適用(如彎曲管道、旋轉(zhuǎn)、旋流燃燒等)[16]。研究的低矮房屋模型包含多個(gè)旋轉(zhuǎn)域，故選用RSM進(jìn)行數(shù)值模擬。子模型中，選擇以耗散率為基礎(chǔ)的線性壓力-應(yīng)變模型。

FLUENT求解器提供了多種求解算法，其中的SIMPLEC算法可同時(shí)對速度場與壓力場進(jìn)行修正，穩(wěn)定性優(yōu)于SIMPLE[17]。故模擬時(shí)選用壓力速度耦合中的SIMPLEC算法進(jìn)行求解；數(shù)值模擬計(jì)算的收斂依據(jù)為所設(shè)定變量的殘差值均降到10-4以下，監(jiān)測變量設(shè)定為各阻尼葉輪的表面壓力及屋面的平均風(fēng)壓。當(dāng)壓力數(shù)值基本穩(wěn)定時(shí)，即認(rèn)為此流場內(nèi)氣流流動進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。文中約計(jì)算到6 000多步時(shí)，所監(jiān)測數(shù)值達(dá)到穩(wěn)定。

4.5 數(shù)值結(jié)果分析

為方便討論低矮房屋屋面各區(qū)域的風(fēng)壓改善情況，首先將屋面進(jìn)行分區(qū)，如圖12所示。圖中A1～A9區(qū)域?yàn)橛L(fēng)面，B1～B9區(qū)域?yàn)楸筹L(fēng)面。

圖12 房屋模型屋面分區(qū)示意圖Fig.12 Roof partitioning diagram

在建立房屋的幾何模型時(shí)，已將房屋的區(qū)域進(jìn)行了劃分，故每個(gè)分區(qū)的面積平均風(fēng)壓可直接由Report-force讀出。將5種施加抗風(fēng)措施的工況與普通屋面工況的分區(qū)風(fēng)壓作對比，見圖13。

由圖13可以看出，屋面負(fù)壓絕對值較大的區(qū)域主要出現(xiàn)在屋脊和背風(fēng)屋面，這些部位的風(fēng)壓改變情況應(yīng)著重關(guān)注。將5種施加抗風(fēng)措施房屋的屋面風(fēng)壓分布與無控房屋屋面的風(fēng)壓分布進(jìn)行對比可以看出：采用5種不同的抗風(fēng)措施都在一定程度上改善了屋面的負(fù)壓；雙側(cè)安裝耗能裝置無法提高對房屋的保護(hù)作用效果；工況5(擾流板+耗能裝置)對降低負(fù)壓絕對值效果最明顯。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果繪制6種工況下屋面平均風(fēng)壓系數(shù)等值線云圖，如圖14所示，從云圖中能直觀地看到，雙坡房屋加設(shè)抗風(fēng)措施后，屋面負(fù)壓值得到了改善。圖14中工況5(擾流板+裝置)的背風(fēng)屋面負(fù)風(fēng)壓系數(shù)極值已經(jīng)降低至-0.4左右,圖8和圖9(e)中工況5背風(fēng)屋面負(fù)風(fēng)壓系數(shù)極值也約為-0.4，數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果相一致。

對比圖9(f)、圖14(f)可以看出，工況6(屋脊安裝抗風(fēng)裝置)屋脊附近的風(fēng)壓分布，數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果差異較大。風(fēng)洞試驗(yàn)該處呈正壓，而數(shù)值模擬此處為不利的負(fù)壓。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是：在風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，耗能裝置通過具有一定寬度的金屬條安裝至屋脊處，而數(shù)值模擬時(shí)將安裝結(jié)構(gòu)簡化去除，故此處風(fēng)壓值出現(xiàn)差異。

圖13 不同工況下分區(qū)面積平均風(fēng)壓系數(shù)對比Fig.13 Comparison of regional wind pressure in different cases

4.6 耗能裝置的幾何參數(shù)優(yōu)化

在保證數(shù)值模擬結(jié)果正確的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討耗能裝置的幾何參數(shù)優(yōu)化方法。定義風(fēng)耗能系數(shù)Cp為抗風(fēng)耗能裝置對通過氣流能量的耗散系數(shù)，其物理意義為耗能裝置葉片轉(zhuǎn)動耗散的能量與吹到耗能裝置葉片上的空氣動能，具體計(jì)算公式為

(2)

式中：P為風(fēng)耗能裝置葉片轉(zhuǎn)動的功率；T為葉輪的扭轉(zhuǎn)，數(shù)值模擬中可由FLUENT數(shù)值模擬積分計(jì)算得到；ω為葉片轉(zhuǎn)動角速度；t為風(fēng)荷載的作用時(shí)間；m為一定時(shí)間t內(nèi)通過裝置的空氣質(zhì)量；ρ為空氣的密度；v為空氣的流速；R為耗能裝置葉片的半徑。

圖14 6種工況下的平均風(fēng)壓系數(shù)等值線云圖Fig.14 Equivalent line cloud map of roof mean wind pressure coefficient under 6 cases

由式(2)可知，Cp的數(shù)值越大，耗能裝置對于風(fēng)能的耗散效果越好。因此，對于耗能裝置幾何參數(shù)的優(yōu)化問題，可以轉(zhuǎn)化為通過優(yōu)化耗能裝置葉片的幾何尺寸，使得耗能裝置在給定風(fēng)速條件下公式(2)中的耗能系數(shù)最大。耗能裝置的幾何參數(shù)，主要包括葉尖速比、葉輪根部安裝角和葉尖對葉跟扭角。

葉尖速比是描述葉輪旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的一個(gè)參數(shù)，為旋轉(zhuǎn)葉輪葉尖最大切向速度與來流流體速度之比，通常用公式λ=ωR/v來表示。在實(shí)際工程中，可通過改變?nèi)~輪材料、葉輪長度、阻尼液體黏度來調(diào)整尖速比。根據(jù)文獻(xiàn)[18]，對于阻力型葉片的葉尖速比，通常取為0.3～1.2。圖15給出了某額定風(fēng)速下耗能系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線。由圖15可以看出，隨著葉尖速比的增加，風(fēng)能耗散系數(shù)呈現(xiàn)先增加長減小的趨勢。葉尖速比為0.29時(shí)，風(fēng)能耗能系數(shù)可以達(dá)到最大值0.29。

葉輪根部安裝角即葉跟與輪轂連接處的角度。旋轉(zhuǎn)機(jī)械中一般取值范圍為30°～60°。為探究能使裝置風(fēng)能耗散系數(shù)達(dá)到最大值的最優(yōu)安裝角取值，數(shù)值模擬中每5°一個(gè)區(qū)間，分別建模并計(jì)算,結(jié)果如圖16所示。由數(shù)值模擬結(jié)果可見，隨著安裝角度的增加，耗能系數(shù)逐漸增加。當(dāng)裝置葉輪根部安裝為45°時(shí)，耗能系數(shù)已經(jīng)達(dá)到最大值，繼續(xù)改變角度已經(jīng)無法再增加耗能系統(tǒng)的數(shù)值。為簡化葉片制作工藝，建議葉輪根部安裝角取值為45°～50°。

圖15 耗能系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系Fig.15 The relationship between the energy dissipation coefficient and the tip speed ratio

圖16 耗散系數(shù)與葉根安裝角的關(guān)系Fig.16 The relationship between dissipation coefficient and blade root angle

取裝置葉輪根部安裝角度為45°，改變?nèi)~跟對葉尖扭角，進(jìn)而探究該扭角變化對裝置風(fēng)能耗散系數(shù)的影響情況，數(shù)值模擬中每5°一個(gè)區(qū)間，分別建模并計(jì)算。不同扭角模擬耗能效果見圖17，由圖17可以看出，葉跟對葉尖扭角對裝置耗能能力影響不大，實(shí)際工程中建議取值20°左右。

圖17 耗散系數(shù)與葉跟對葉尖扭角的關(guān)系Fig.17 The relationship between dissipation coefficient and blade to tip torsion

5 結(jié)論

對6種工況下的低矮雙坡房屋進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，采集各測點(diǎn)的實(shí)測風(fēng)壓數(shù)據(jù)，并采用FLUENT17.0對相同工況的低矮雙坡房屋屋面風(fēng)壓特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到如下結(jié)論：

1)低矮雙坡屋面房屋受風(fēng)時(shí)，背風(fēng)面負(fù)壓極值普遍大于迎風(fēng)面，故若屋面受風(fēng)吸力破壞，首先是出現(xiàn)在背風(fēng)面的局部破壞(屋脊附近、屋面邊緣)。由最不利負(fù)壓極值的分布位置提出最不利風(fēng)向角的概念：即定垂直于屋脊風(fēng)向?yàn)?°風(fēng)向角，風(fēng)向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，最不利負(fù)壓極值出現(xiàn)在70°～75°范圍內(nèi)。

2)通過多工況的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，提出一種最優(yōu)的抗風(fēng)耗能裝置安裝方法：在屋檐上部，結(jié)合氣動抗風(fēng)措施(擾流板)與抗風(fēng)耗能裝置聯(lián)合的方式，以顯著降低風(fēng)吸力對屋面結(jié)構(gòu)的不利影響。這種安裝方式在任一風(fēng)向角下都顯著降低了測點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)極值及面積平均風(fēng)壓系數(shù)極值(包括迎、背風(fēng)面)，降低幅度可達(dá)40%。

3)對抗風(fēng)耗能裝置進(jìn)行葉輪旋轉(zhuǎn)工作狀態(tài)的數(shù)值模擬，選取與風(fēng)洞試驗(yàn)相同的工況進(jìn)行CFD分析。給出各工況對屋面風(fēng)壓的影響情況，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果仍表明擾流板+裝置的安裝方案為最優(yōu)，與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)論相同。