山地風速地形修正系數沿山坡的詳細插值分布

李正良　徐姝亞　肖正直　周代豪

摘 要：為研究山地風速地形修正系數η沿各向山坡的詳細分布，對兩座縮尺比為1∶300的具有不同坡度的余弦型單體山峰模型進行了風洞試驗，獲得了η沿迎、背、側風坡面的詳細分布.采用CFD軟件Fluent建立數值模型，并將其計算結果與風洞試驗結果進行對比，驗證了數值模型的正確性.對具有不同高度（H=90～500 m），不同坡度（tan α=0.13～0.5）和不同形狀（余弦型、高斯型、拋物線型）的山體進行了數值模擬，擬合了山坡任意位置的η值建議計算公式，并與各國規范進行對比.結果表明，相對于現有水平向線性插值模型，根據山腳和山頂的η值，以計算點距山腳點的垂直距離h為自變量的豎向線性插值模型更能安全、合理、簡便地估計山坡任意點的η值.側風坡面的加速效應對于η取值起控制作用；側風坡腳的η值可相對于迎、背風坡腳分別大61.89%和94.09%，最大可達1.2.

關鍵詞：山地風場；加速效應；地形修正系數；風洞試驗；數值模擬

中圖分類號：TU973.31 文獻標識碼：A

文章編號：1674-2974（2016）03-0023-09

山地地形的存在會使原平坦地面的大氣邊界層風場分布特性受到顯著影響.就平均風速而言，上游平坦地面的來流在山地地形的干擾作用下，山地地面以上絕大多數區域的風速會大于平坦地面的風速，即產生加速效應.

山地風加速效應使得山地建筑物和構筑物所受風壓明顯增加.近年來，國內外學者對山地風場空間分布特性進行了一些研究 [1-14].Miller等[1]對二維雙山峰模型進行了風洞試驗，探討了迎、背風坡面山頂和山腳點的加速效應，發現由于上游山體的遮擋，下游山體的加速效應會減小.Ishihara等[2]對三維山峰進行了風洞試驗，給出了山頂、山腰和山腳點的風速分布，并對比了Mason等[3]的相關研究，發現迎風坡腳附近的風速會有所減小，但在山頂點、山腰點，風速會有明顯增大，山頂點可增速50%～60%.文獻[4-6]對不同高度、不同坡度的單體山峰和雙山峰模型進行了風洞試驗和數值模擬，探討了山頂、山腰和山腳三點的風速分布，研究了山地風場超高層建筑的風致響應，發現不同形狀山體頂點的η值十分相近，山地風場加速效應可致超高層建筑的位移響應增大20%.現有各國規范[15-17]建議，對處于簡單山地地形中的建筑物，可參考單體山峰的加速效應考慮η值.

鑒于已有研究都僅探討了山頂、山腰及山腳三點的加速效應，而實際情況中的建筑物和構筑物是沿山坡隨機分布的，合理地估計山地建筑物和構筑物所在位置的風速十分重要，所以η沿整個山坡的詳細分布規律有待于被探討；現有各國規范僅給出了單體山峰迎、背風坡面的山頂、山腳點η建議值，對于坡面任意點的η值，大多規范建議簡單地根據山腳和山頂的η值，以計算點距山頂的水平距離為自變量進行線性插值，各國規范的η建議值也有較大差異，且未對η值沿側風坡面的分布給出建議.

本文針對以上未被探討的內容，進行了單體山峰風洞試驗和不同高度、不同坡度、不同形狀山體的數值模擬，詳細研究了η值沿迎、背、側風坡面的詳細分布規律，擬合了迎、背、側風坡面任意點η值的建議計算公式.

2 風洞試驗概況

2.1 試驗設備及風場模擬

本次風洞試驗在西南交通大學風洞試驗中心XNJD-1風洞進行（圖2），試驗段截面尺寸為3.6 m（寬）×3.0 m（高）×8.0 m（長），風速范圍為0.5～22.0 m/s，測試儀器采用眼鏡蛇風速儀.采用尖劈和粗糙元模擬中國規范[15]B類粗糙度大氣邊界層風場（圖3），未縮尺風場梯度風高度HG取350 m，10 m高度處基準風速為26.8 m/s （按中國規范[15]所建議的重慶地區50年一遇基本風壓換算得到）.縮尺后風場梯度風高度HG為1.167 m，基準風速為6.2 m/s，風速縮尺比約為1∶4.323，模擬邊界層風場風剖面指數α=0.145.本次試驗采用的模擬邊界層風場風剖面及紊流度剖面如圖4所示.

6 結 論

本文根據風洞試驗和不同坡度、不同高度、不同形狀山體的數值結果，及其與各國規范的對比分析，主要探討了地形修正系數η沿各向山坡的詳細分布規律，擬合了山坡任意點η值的建議計算公式.在本文的風洞試驗及數值模擬參數范圍內，可得到以下結論：

1）相對于現有的水平向線性插值模型，根據山腳和山頂的地形修正系數η，以計算點距山腳的垂直距離h為自變量的豎向線性插值模型不依賴于山體形狀，符合風洞試驗和數值模擬結果，能更準確地估計山坡任意點的地形修正系數η.

2）迎、背風坡腳的η值均小于1，現有規范及本文建議公式對迎、背風坡腳取η=1是安全的.

3）側風坡腳的η≥1，且隨山體坡度和高度的增加而增大，可相對于迎、背風坡腳分別大61.89%和94.09%，最大可達1.2.

4）整個側風坡面的加速效應均不可忽略，側風坡面任意位置的地形修正系數η≥1，并大于迎、背風坡面相應位置處的η值，在η取值中起控制作用；現有各國規范未針對側風坡面的η值給出建議，而按照迎、背風坡面的η建議值去考慮側風坡面的加速效應會使風荷載取值明顯偏小，使得結構設計偏于不安全.

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