某矩形截面超高層建筑三維風場數值模擬

(1.蘭州大學土木工程與力學學院 甘肅 蘭州 730000；2.中建三局一公司華東公司 上海 201100)

某矩形截面超高層建筑三維風場數值模擬

馬啟亮1譚永祿2

(1.蘭州大學土木工程與力學學院甘肅蘭州730000；2.中建三局一公司華東公司上海201100)

為了研究超高層建筑在平均風荷載作用下的空氣動力學特征及安全性問題，本文采用基于CFD軟件平臺，進行了三維穩態常物性不可壓縮流體的流動模擬，對某矩形截面超高層建筑外流場進行數值模擬研究，分析了超高層建筑表面的風壓分布規律，為超高層建筑鈍體繞流的研究提供了依據。

CFD數值模擬；超高層建筑；平均風荷載

一、概述

研究超高層建筑在風荷載作用下周圍的空氣擾流運動，其主要目的是研究超高層建筑外表面上的風壓分布規律。超高層建筑風荷載的計算很大程度上依賴于建筑外表面上的風壓。隨著計算機軟硬件的飛速發展和計算流體力學技術的不斷完善，數值模擬方法已經逐步成為繼風洞試驗后預測建筑物表面風壓和周圍風速等的一種新的、有效的方法。目前，土木工程結構抗風的數值模擬大多研究的是鈍體擾流問題。

本文基于CFD軟件平臺Fluent計算了某超高層建筑靜態擾流的風流場，得到了建筑物表面的風壓分布規律。

二、研究方法

本文對處于B類風場中的某超高層建筑進行數值模擬研究。運用ICEM CFD進行網格劃分，再利用FLUENT軟件進行風場繞流數值模擬計算。

三、計算模型

本文采用超高層建筑幾何尺寸為30m×46m×182m，采用1：100的縮尺比建立模型，計算流域取為18m×6m×10m，建筑物處于流域沿流向前1/3處，如圖一所示。流域設置滿足阻塞率小于3%的要求，以盡量消除計算域對模型附近流態的影響。網格劃分使用ECEM CFD軟件，采用非結構化網格，共生成200萬左右個體單元的網格，網格劃分如圖二。采用Realizable κ-ε湍流模型進行數值模擬。

圖一 模型尺寸

圖二 網格劃分

四、計算結果

取建筑物高度2/3截面，布置20個測點，分析各測點的平均風壓系數，如圖三。圖四為建筑物各面的風壓分布。

圖三 平均風壓系數

圖四 建筑物表面風壓分布

五、結論

采用基于雷諾平均(RANS)的Realizable κ-ε湍流模型對某超高層建筑進行了三維定常風場的數值模擬，對計算結果進行分析，可以得到以下結論：

1.從平均風壓系數分布可以看出，除了迎風面受有正壓力外，側風面和背風面風壓分布呈現對稱分布。

2.建筑物迎風面均受有正壓力，在迎風面的中間偏上為最大值，兩邊及底部為最小值。背風面均為負壓，中間區域負壓最小，負壓分布均勻。在建筑物側風面，由于在轉角處出現流動分離，使得轉角處的負壓最大，承受吸力。

[1]王福軍.計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[2]周月庭，呂令毅.高層建筑三維非定常風場并行計算的數值模擬[J].建筑科學與工程學報，2007，23(1)：42-46

[3]GB 50009-2012建筑結構荷載規范[S]