建筑風(fēng)荷載數(shù)值模擬簡介

鄭小宇

【摘要】本文簡單介紹了風(fēng)荷載數(shù)值模擬在實際工程中的應(yīng)用，然后結(jié)合計算風(fēng)工程的相關(guān)理論采用流體計算軟件Fluent對一雙坡屋面房屋進(jìn)行實例試算，將計算得出的建筑風(fēng)壓系數(shù)同各國設(shè)計規(guī)范的推薦值對比，計算結(jié)果基本上與各國規(guī)范的平均值較接近，可為工程設(shè)計人員在實際應(yīng)用中提供參考。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)荷載數(shù)值模擬；Fluent

在一般民用建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中，建筑的風(fēng)荷載體型系數(shù)一般由《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中查表得出。但隨著我國經(jīng)濟水平的不斷提升和建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，各類造型的新式建筑不斷涌現(xiàn)，數(shù)值模擬逐漸成為分析建筑風(fēng)荷載一種經(jīng)濟有效的手段。本文將對CFD軟件Fluent進(jìn)行初步介紹，并通過分析簡單的房屋實例模型計算結(jié)果與規(guī)范給出的風(fēng)壓系數(shù)進(jìn)行對比，給廣大工程設(shè)計人員應(yīng)用數(shù)值模擬提供參考。

1、Fluent簡介

Fluent是一款常用于風(fēng)荷載數(shù)值模擬計算的大型商業(yè)軟件。流體連續(xù)性方程和Navier-Stokes方程是風(fēng)工程數(shù)值模擬的基本方程，借助計算機的能力可以對基本方程進(jìn)行離散化處理，并獲得方程的離散解，因此可以對大氣中風(fēng)流動情況進(jìn)行較準(zhǔn)確地模擬，不但解決一般的繞流風(fēng)場問題，還能解決一些風(fēng)洞試驗和場地實測等傳統(tǒng)方法不能解決的問題。Fluent程序提供多種二維面單元和三維體單元，對較大梯度的流場的精確求解提供了強大的適應(yīng)能力。同時，網(wǎng)格可以根據(jù)計算精度需要和觀測重點的不同，在局部區(qū)域加密網(wǎng)格，達(dá)到計算精度和計算時間的協(xié)調(diào)。

1.1程序的主要模塊[1]

①Gambit：前處理模塊，來建立計算模型和網(wǎng)格劃分；

②Fluent：求解器，對整個模型進(jìn)行流動數(shù)值模擬計算；

③TGrid：根據(jù)現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格來生成體網(wǎng)格；

④Filters：開放接口，用于從其他程序模型來生成Fluent數(shù)據(jù)格式。

1.2用Fluent軟件進(jìn)行模型計算的步驟

首先根據(jù)需要確定流動區(qū)域的形狀和大小，通過Gambit模塊建立此計算區(qū)域并對各邊界面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，之后TGrid會對計算流域內(nèi)自動進(jìn)行二維或三維的網(wǎng)格生成，并生成Flunet的計算數(shù)據(jù)；進(jìn)入Fluent模塊對求解器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括選擇求解方程、輸入流體物理性質(zhì)、設(shè)定邊界類型和條件，然后確定初始條件和收斂標(biāo)準(zhǔn)后開始整體模型的收斂求解計算，最后根據(jù)需要選取計算結(jié)果進(jìn)行后處理。

2、雙坡屋面房屋進(jìn)行風(fēng)壓數(shù)值模擬計算實例

2.1計算模型和網(wǎng)格設(shè)置

采用Gambit進(jìn)行建模之前首先要確定計算流域，計算流域的大小根據(jù)求解對象的尺寸有關(guān)，對建筑風(fēng)工程來說，建議大于房屋長、寬、高的20倍、10倍和12倍，計算流域相對于房屋越大，對房屋模型附近流態(tài)的影響越小。房屋模型宜設(shè)置于整個計算區(qū)域的前端三分之一處，使模型達(dá)到計算域?qū)ψ枞市∮?%的要求。在對計算區(qū)域劃分網(wǎng)格時，采用具有良好適應(yīng)性的四面體網(wǎng)格。為了節(jié)省計算時間和提高計算精度，網(wǎng)格在房屋周邊適當(dāng)加密，在遠(yuǎn)離房屋區(qū)域稀疏，整個分析模型的單元數(shù)量在20萬個左右。

2.2選取邊界條件

①入口條件：假定風(fēng)的流動為不可壓縮流，邊界條件設(shè)定為速度進(jìn)口邊界條件。因為此次計算的對象為低層房屋，對風(fēng)速沿高度的變化基本可以忽略，為簡化條件，流域入口的風(fēng)速取值28m/s，不隨高度變化而變化。

②出口條件：出流面的空氣流動完全由區(qū)域內(nèi)部外推得到，并且不對上流造成任何影響，所以采用完全發(fā)展的出流邊界條件。

③頂部和兩側(cè)條件：模型假定在此三面邊界上和外部沒有任何物理量的交換，故采用對稱邊界條件。。

④地面和房屋表面邊界條件：此為固體和流體的區(qū)分邊界。采用無滑移的壁面條件。

⑤壁面函數(shù)：固體周邊的流場非常復(fù)雜，包括撞擊、分離，附和、漩渦和環(huán)繞等因素，壁面對湍流的影響很大。對于建筑物周圍的流場，一般屬于高雷諾數(shù)流動，可以選用非平衡壁面函數(shù)來模擬房屋周邊氣流的復(fù)雜流動，并有較高的計算精度[2]。

2.3求解器各項參數(shù)設(shè)置

湍流模型選用Realizble k-ε進(jìn)行數(shù)值模擬。離散后的控制方程采用分離式解法求解，為了提高計算的精度，控制方程中的對流選項中選用二階迎風(fēng)格式離散。由于不考慮熱量交換，關(guān)閉能量方程。采用SIMPLEC 解法并配合較小的欠松弛系數(shù)進(jìn)行速度壓力耦合。模擬過程中收斂標(biāo)準(zhǔn)采用殘差收斂，設(shè)定收斂值為10- 5，并且監(jiān)測房屋表面風(fēng)壓基本不變化時， 計算流場一般可以認(rèn)為已進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，得到最終收斂解。

2.4規(guī)范值與計算結(jié)果的對比

根據(jù)Flunet計算給出的房屋表面的風(fēng)壓，可以轉(zhuǎn)換成規(guī)范的風(fēng)壓系數(shù)Cp，轉(zhuǎn)換公式如下：

式中ρ為氣體的密度；v0為參考高度處風(fēng)速； p為計算得出的房屋表面的絕對壓力。

本文采用上面介紹的數(shù)值模擬方法，對一典型雙坡屋面（， ，）計算其各個表面的風(fēng)壓系數(shù)，并將各個表面的平均風(fēng)壓系數(shù)與各國規(guī)范建議的值進(jìn)行對比，結(jié)果如下表。

表1典型雙坡屋面Fluent計算結(jié)果同各國規(guī)范中風(fēng)壓系數(shù)對比

根據(jù)上表的對比，可以看出，在迎風(fēng)面上用Fluent數(shù)值模擬計算取得的結(jié)果比較符合各國規(guī)范給出的值，在背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面，各國的規(guī)范給出的值本身差距較大，而Fluent的計算結(jié)果同各國規(guī)范的平均值基本較為接近。可以認(rèn)為，采用Fluent數(shù)值模擬計算建筑風(fēng)壓系數(shù)的結(jié)構(gòu)有較大的可靠性，在實際工程應(yīng)用中可提供一定的參考和借鑒價值。

結(jié)語：

本文簡單介紹了風(fēng)荷載數(shù)值模擬在實際工程中的應(yīng)用，然后結(jié)合計算風(fēng)工程的相關(guān)理論采用流體計算軟件Fluent對一雙坡屋面房屋進(jìn)行實例試算，將計算得出的建筑風(fēng)壓系數(shù)同各國設(shè)計規(guī)范的推薦值對比，計算結(jié)果基本上與各國規(guī)范的平均值較接近，可為工程設(shè)計人員在實際應(yīng)用中提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]FLTTENT 6.1 User's Guide[M]. Fluent Inc， .

[2]楊偉，顧明.高層建筑三維定常風(fēng)場數(shù)值模擬[J].同濟大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版.2003，31，（6）：647-651.