柳方園, 劉 衎,2,3, 王澤遠(yuǎn), 崔會敏, 劉慶寬,2,3

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院,河北 石家莊 050043;2.石家莊鐵道大學(xué) 省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國家重點實驗室,河北 石家莊 050043;3.河北省風(fēng)工程和風(fēng)能利用工程技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 石家莊 050043;4.石家莊鐵道大學(xué) 數(shù)理系,河北 石家莊 050043)

0 引言

為解決上述問題,使用空氣幕與擋風(fēng)墻的組合形式來降低冬奧比賽場地的風(fēng)速。李家樂等[3]研究了不同高度擋風(fēng)墻在不同來流風(fēng)速下的防風(fēng)效果,證明擋風(fēng)墻的設(shè)置可有效削減近地表風(fēng)速,明顯改善了近地表風(fēng)場。楊偉超等[4]將不同形態(tài)下高鐵擋風(fēng)墻的氣動性能做了對比,得出了防風(fēng)效果較好的擋風(fēng)墻形態(tài)。空氣幕目前在商場、廠房、冷庫等建筑中應(yīng)用尤其廣泛[5]。劉榮華等[6]對空氣幕不同出口角度下工作面氣流流場及空氣幕兩側(cè)呼吸性粉塵濃度分布進行數(shù)值模擬,分析空氣幕出口角度對其隔塵效果的影響,找到了隔塵空氣幕工作效率較高的角度范圍?？諝饽挥糜诠I(yè)中的除塵降噪[7-9]等應(yīng)用證明了空氣幕廣泛的適用性以及可用性。也有學(xué)者證明了使用空氣幕可以在室外的場地中對一定目標(biāo)區(qū)域的流場起到干預(yù)[10],其區(qū)域內(nèi)風(fēng)速可能會有較大的改變。研究擬建立空氣幕與U型競技場地精細(xì)化物理模型及網(wǎng)格模型,采用CFD數(shù)值仿真方法,通過研究擋風(fēng)墻高度、空氣幕射流角度與U型競技場地流場特性的關(guān)系,最終得出最佳的空氣幕及擋風(fēng)墻設(shè)計方案。

1 物理模型及數(shù)值方法

1.1 物理模型

圖1 二維物理模型(單位:m)

研究對象為U型競技場地與空氣幕、擋風(fēng)墻多體系統(tǒng)?？紤]到賽場來流風(fēng)為單向以及流場特性的復(fù)雜,擋風(fēng)墻采用單側(cè)布置。U型競技場地剖面長為20.00 m,深度6.70 m,U型競技場地底部由2個半徑為6.70 m的1/4圓以及1條長6.60 m的平坦直線構(gòu)成。距離U型競技場地左側(cè)3.50 m處設(shè)置一堵?lián)躏L(fēng)墻,墻高為h,墻上中央位置放置空氣幕,空氣幕射流速率為v,射流角度為α,來流速率為U=10.0 m/s。二維物理模型如圖1 所示。三維模型可看作通過二維模型在Z方向拉伸得到,拉伸長度為6 m,模型平面尺寸與二維一致。

1.2 計算方法

數(shù)值計算采用計算流體力學(xué)(CFD)軟件FLUENT,二維情況下的湍流模型采用SSTk-ω湍流模型。k-ω模型在近壁面采用k-ω方程計算,在湍流充分發(fā)展處采用k-ε方程[11],由于本次數(shù)值模擬要研究U型競技場地周圍一定區(qū)域內(nèi)流場穩(wěn)定下的風(fēng)速,后續(xù)也會對場地近壁面處的流場特性進行研究,綜合考慮,最終選用k-ω的衍生模型SSTk-ω湍流模型。三維情況下采用LES模型。湍動能與比耗散率均采用二階迎風(fēng)格式,動量方程采用有限中心差分,速度與壓力耦合方式采用二階有限隱式方法。計算采用SIMPLEC格式求解壓力速度耦合方程組。

1.3 邊界條件及工況設(shè)置

1.3.1 邊界條件

模擬風(fēng)吹過擋風(fēng)墻和空氣幕組合的流體計算流域,為保證湍流風(fēng)的充分發(fā)展,依據(jù)經(jīng)驗選取二維流域尺寸為400 m×1 200 m。邊界條件設(shè)置情況如圖2所示:(1)流域入口以及空氣幕設(shè)置為速度進口,速度分別為U和v,對于湍流邊界條件,采用湍動能k和比耗散率w參數(shù)組合。(2)因為出口接近湍流充分發(fā)展情況,故出口邊界采用壓力出口。(3)流域上側(cè)設(shè)置為對稱邊界條件。(4)地面,擋風(fēng)墻空氣幕組合以及U型競技場地采用無滑移邊界條件。三維情況下除前后面為周期性邊界條件之外,其余設(shè)置與二維情況下一致,如圖3所示。

圖2 二維邊界條件(單位:m)

圖4 目標(biāo)降風(fēng)區(qū)域(單位:m)

1.3.2 工況設(shè)置

(1)v=4U,α=30°,擋風(fēng)墻高h(yuǎn)為0、0.5H、0.75H、H、1.5H(H=2 m)。

(2)h=H,v=4U,射流角度α為20°、30°、40°、50°、60°、70°。

死體可燃物含水率(Y)與降水(X1)、相對濕度(X3)、連旱天數(shù)(X4)、風(fēng)速(X5)、蒸發(fā)量(X6)之間的數(shù)學(xué)模型為：

1.4 模型驗證

1.4.1 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

重點關(guān)注U型競技場地內(nèi)及其上空的風(fēng)速,風(fēng)向等,目標(biāo)降風(fēng)區(qū)域如圖4所示。采用ICEM進行網(wǎng)格劃分,二維及三維網(wǎng)格劃分如圖5所示。為了保證精度以及提高計算速度,對此區(qū)域內(nèi)進行了網(wǎng)格加密處理。

圖5 二維及三維網(wǎng)格

圖6 監(jiān)測點位置

二維模型網(wǎng)格量為1.2×105左右,三維模型網(wǎng)格量為1.54×106左右。選取3×104、1.2×105、4.6×105這3種網(wǎng)格量來進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證,以圖6中1、2、3點第500 s時的瞬時速率作為評判標(biāo)準(zhǔn)。從表1可以看出,發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格量從3×104增加到1.2×105時P1速率變化幅度較大,當(dāng)網(wǎng)格量由1.2×105增加到4.6×105時,3點的速率增幅均在5%以下,考慮計算時長以及計算結(jié)果的準(zhǔn)確性,選擇1.2×105網(wǎng)格量的網(wǎng)格進行計算。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

1.4.2 時間步長無關(guān)性驗證

選取0.01、0.004、0.001 s 3個時間步長來進行時間步長無關(guān)性驗證,同樣以1、2、3點第500 s時的瞬時速率作為評判標(biāo)準(zhǔn)。從表2可以看出,當(dāng)時間步長由0.01 s減小到0.004 s時,P1點速率增幅較大,當(dāng)時間步長由0.004 s減小到0.001 s時,3點速率增幅均在5%以下,選擇0.004 s的時間步長進行計算。

表2 時間步長無關(guān)性驗證

針對二維模型,監(jiān)控了1、2、3點的瞬時速率,當(dāng)計算到500 s時,3點的瞬時速率均已基本穩(wěn)定,證明此時計算已經(jīng)收斂,認(rèn)為500 s為最終的發(fā)展演化狀態(tài)。

2 結(jié)果分析

2.1 二維與三維情況對比

首先進行URANS湍流模型和LES湍流模型的比較, 2種方法下由Q準(zhǔn)則表示的漩渦結(jié)構(gòu)如圖7所示,可以看出,使用URANS湍流模型發(fā)現(xiàn)在軸向上沒有明顯的渦分離現(xiàn)象,而LES湍流模型可以捕捉到更多的渦結(jié)構(gòu),所以三維情況采用LES湍流模型進行。

圖7 URANS模型以及LES模型由Q準(zhǔn)則表示的漩渦結(jié)構(gòu)

圖8 二維和三維情況下y/H=1處風(fēng)速比

采用LES湍流模型進行了三維情況下的計算,v=4U,h=H,α=30°。比較s=0.5H、s=1.5H、s=2.5H這3個截面與二維情況下在y/H=1高度上的風(fēng)速比,并將這3組風(fēng)速比取平均值,與二維情況下在y/H=1高度上的風(fēng)速比進行對比,如圖8所示,發(fā)現(xiàn)2組數(shù)據(jù)相差很小,所以本模型的3D效應(yīng)并不是很明顯,接下來主要針對二維模型進行研究。

2.2 空氣幕及墻的組合對流場特性的影響

圖9 不同情況下的風(fēng)速比云圖及流線圖

如圖9(a)可以看出,在來流風(fēng)的作用下,流域上側(cè)的速度梯度很小,其風(fēng)速大致與未受到擋風(fēng)墻干擾的來流風(fēng)速相同,此區(qū)域為外部流動層。U型競技場地內(nèi)形成了一個天然的庇護區(qū),庇護區(qū)內(nèi)的風(fēng)速較小,大部分在0.35U之下,同時由于負(fù)壓還引起了一個順時針方向的回流漩渦。但由于U型場地兩側(cè)上方的風(fēng)速較大,所以必須采取一定的措施來降低此區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速。如圖9(b)所示,在U型場地前方設(shè)置一堵2 m高的擋風(fēng)墻,在流域上側(cè)仍然存在外部流動層,來流風(fēng)在墻頂向上抬升形成上部繞流,與上方速度梯度較小的來流風(fēng)相互作用,導(dǎo)致風(fēng)速增大。在墻背處形成了負(fù)壓回流區(qū),從圖9可看到明顯漩渦。隨著距離的增加,剪切層逐漸降低,由于上部高風(fēng)速和下部低風(fēng)速的逐漸匯合,尾流層不斷擴張,最終墻后風(fēng)速脫離墻的影響,恢復(fù)至墻前未受擾動的初始狀態(tài)。目標(biāo)降風(fēng)處內(nèi)仍然存在風(fēng)速較大的區(qū)域,并未達到防風(fēng)目標(biāo)。如圖9(c)所示,放置空氣幕于墻體之上,給予其一定的射流角度以及射流速度,來流風(fēng)受墻體的阻擋以及空氣幕射流的影響向上抬升,形成繞流并且風(fēng)速增加,由于空氣幕的存在,剪切層的高度得到提升,低風(fēng)速區(qū)域變大,并且U型場地上方形成了一個較大的回流漩渦。隨著墻后距離的增加,尾流層同樣不斷擴張,最終墻后風(fēng)速脫離墻的影響,恢復(fù)至墻前未受擾動的初始狀態(tài)。但是,相比較墻上未安裝空氣幕的情況,需要更遠(yuǎn)的距離才能恢復(fù)至初始狀態(tài),也就是放置了空氣幕之后,對流場的影響范圍變得更大。

2.3 不同墻高對場地的影響

圖10 風(fēng)環(huán)境系數(shù)物理量示意圖(單位:m)

為了更好地評價場地的防風(fēng)效果,定義圖10所示的風(fēng)環(huán)境影響系數(shù)來量化空氣幕擋風(fēng)性能,在比賽中,當(dāng)運動員滯空時,很容易受到風(fēng)的影響失去平衡,所以重點關(guān)注運動員滯空時,也就是A、B處的風(fēng)壞境系數(shù)。公式如下

(1)

式中,U為來流風(fēng)速;Ues為等效風(fēng)速;具體定義如下

(2)

擋風(fēng)效率定義為

η=1-λ

(3)

擋風(fēng)墻高設(shè)置為0、0.5H、0.75H、H、1.5H,此時v=4U,α=30°。對比不同墻高下的風(fēng)速比云圖,如圖11所示。h=0時在U型場地右側(cè)運動員即將騰空時出現(xiàn)了高風(fēng)速區(qū)域,而當(dāng)擋風(fēng)墻存在時,此區(qū)域內(nèi)的高風(fēng)速區(qū)域消失,并且此時U型場地內(nèi)部風(fēng)速更小,低風(fēng)速區(qū)域面積占比更大。隨著墻高的增加,U型場地內(nèi)部的低風(fēng)速區(qū)域也就越大,同時U型場地右側(cè)的高風(fēng)速區(qū)域也有向右移動的趨勢。同時,由圖12可以看出,墻高從0.5H增加到1.5H的過程中,A、B處的擋風(fēng)效率越來越高。所以墻高為1.5H時對風(fēng)的折減效果最好,但是考慮到賽場的美觀以及比賽轉(zhuǎn)播的問題,擋風(fēng)墻的高度不宜過高,選擇墻高為H。

圖11 不同墻高下的風(fēng)速比云圖

圖12 不同墻高下的擋風(fēng)效率

2.4 不同射流角度對場地的影響

設(shè)置h=H,v=4U,射流角度α設(shè)置為20°、30°、40°、50°、60°、70°來研究當(dāng)射流角度不同時場地的流場特性。由圖13可以看出,當(dāng)α=20°時,U型場地上方剪切層的高度較低,低風(fēng)速區(qū)域的面積較小。隨著空氣幕射流角度的增加,當(dāng)α從30°增加到60°的過程中,可以看出U型場地上方低風(fēng)速區(qū)域面積越來越大,而當(dāng)α繼續(xù)增加到70°時,上方剪切層高度又有降低的趨勢。U型場地右側(cè)運動員即將騰空處存在風(fēng)速在0.3U～0.35U的區(qū)域,隨著α由20°增加到50°的過程中,此區(qū)域向右移動,當(dāng)α繼續(xù)增加到70°的過程中,此區(qū)域出現(xiàn)向左移動的趨勢。同時根據(jù)圖14可以看出,隨著α的增加,擋風(fēng)效率也有逐漸降低的過程,所以空氣幕的射流角度不宜過大,在50°～60°之間最適宜。

圖13 不同射流角度下的風(fēng)速比云圖

圖14 不同射流角度下的擋風(fēng)效率

3 結(jié)論

通過CFD數(shù)值模擬的方法對U型競技場地在不同擋風(fēng)墻高,不同空氣幕射流角度情況下的流場特性進行了研究,研究發(fā)現(xiàn):

(1)用空氣幕加擋風(fēng)墻的組合可以為U型競技場地提供滿足比賽要求的風(fēng)環(huán)境。當(dāng)只有一堵?lián)躏L(fēng)墻時,會在墻頂形成明顯的邊界層分離現(xiàn)象,能夠提供一定的低風(fēng)速區(qū)域,但是墻高較小時,U型場地風(fēng)速并不能達到比賽要求,而當(dāng)使用空氣幕后會對風(fēng)速起到很好的折減作用,風(fēng)速能夠達到比賽要求。

(2)空氣幕射流角度一定的情況下,選擇擋風(fēng)墻高度為2 m。擋風(fēng)墻和空氣幕組合能對來流風(fēng)起到阻擋和能量耗散的作用,在墻后形成剪切層,在空氣幕射流角度一定的情況下,墻高越高,剪切層的高度越大,庇護距離也就越遠(yuǎn)。但考慮到實用性,最終選擇墻高為2 m。

(3)擋風(fēng)墻高度為2 m時,選擇空氣幕射流角度為50°～60°。當(dāng)墻高一定時,剪切層高度隨射流角度的增大呈先上升后降低的趨勢,綜合考慮擋風(fēng)效率,空氣幕射流角度為50°～60°時的效果最佳。