新型抗風耗能裝置在低矮房屋中布置方式的風洞試驗研究

何鍇，霍林生，李鋼，李宏男

(大連理工大學 海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

沿海地區低矮建筑常遭受臺風襲擊，傳統低矮房屋抗風能力較弱。風災調查統計表明，多數低矮建筑在臺風下從屋面開始，從最初的局部屋蓋破壞(屋檐外側、角部和屋脊等部位)逐漸擴展，最終導致整個屋蓋損壞甚至房屋整體倒塌[1-3]。破壞是由較大的風吸力導致的，減小低矮建筑屋面風壓極值對于低矮建筑抗風設計具有非常重要的意義。為降低在低高度建筑物屋頂上出現的高吸力風荷，已有多位學者對建筑表面的風壓分布規律進行了研究。Pindado等[4]在屋頂邊緣使用具有適當高度的護欄，所研究的護欄配置包括普通垂直墻護欄、實心或多孔垂直墻護欄，以及靠近建筑物屋頂的小水平屋頂形式的懸臂護欄。其低速風洞試驗證明：具有中等孔隙度的垂直墻護欄和懸臂護欄更有效。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]設計了多種屋檐形式，證實合理的屋檐形式可使靠近屋檐邊緣和拐角處的負峰值風壓顯著降低。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荷載，風洞試驗考慮了擾流板高度、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，建議寬度為整個建筑物長度的1/20。楊易等[12]在低矮房屋屋面增加構筑件(厝頭和屋脊)，設計低矮建筑模型并對其進行風洞試驗，結果表明：在屋面增加厝頭和屋脊都可降低雙坡屋面結構的風荷載。

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

1 阻尼抗風耗能裝置設計簡介

阻尼抗風耗能裝置如圖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部；圓桶內部灌入阻尼液體，裝液后密封。葉輪受風轉動時，阻尼液體提供阻力，這樣裝置轉動時會對風能進行耗散。阻尼圓桶下端設計一個固定板，用于將裝置固定于房屋結構上。固定板的外形可依據所防護的結構外形適當設計，便于安裝。

圖1 抗風裝置簡圖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、沖擊韌性優異、比重輕、高抗拉強度、加工簡便的特點。POM硬度、強度接近金屬，具備良好的耐疲勞、耐化學品性及一定的彈性。

風載作用在裝置上時，葉輪會隨風轉動并帶動輪轂，而下部的阻尼部分會產生阻尼效應，阻礙轉動，從而消耗能量。將數個耗能裝置并排安裝在屋面邊緣，裝置工作時，各裝置將獨立轉動，裝置周圍風場并不會互相影響。通過安裝多個耗能裝置共同作用，預期可以加強裝置的抗風效果。低矮建筑安裝該裝置后，氣動裝置成為了建筑物抗風的第一道防線，有必要通過完善的加工工藝及各構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荷載作用下不會先于房屋構件發生損壞。

2 抗風裝置安裝方式對比研究

2.1 試驗概況

霍林生等[13]通過數值模擬和風洞實驗驗證了阻尼耗能抗風裝置在減小低矮雙坡屋面風壓的有效性。在此基礎上，筆者提出同時安裝耗能抗風裝置與擾流板的方式，并考慮不同的安裝位置時，研究抗風裝置對屋面風壓的影響規律。設計了6種裝置安裝工況，通過風洞試驗研究抗風裝置系統對屋面峰值風壓和平均風壓的影響。試驗在中國建筑科學研究院的風洞試驗室完成(如圖2所示)，結合實際房屋受風環境，通過劈尖和粗糙元布置模擬了B類地形粗糙度，使風剖面、湍流強度剖面接近真實的大氣邊界層。

2.2 試驗模型

研究的房屋實際尺寸見圖3，根據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 試驗模型對應的房屋實際尺寸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，該尺寸滿足了風洞試驗阻塞比要求。裝置扇葉直徑為40 mm，試驗安裝時一側安置數量為5個。

2.3 試驗設計

試驗將模型固定在轉盤中心，通過控制轉盤模擬風向角變化，風向角間隔取為15°，按順時針方向遞增(0°～360°)，可模擬25個風向角(0°與360°相同，復核數據)。試驗為探究屋面風壓的分布情況，在每側屋面布置128個測壓點，共256個，測點編號依紅色標識線遞增布置，見圖4。

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

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

表1 工況類型Table 1 Test cases

圖5 工況示意Fig.5 Test cases

3 試驗結果及分析

3.1 各測點的平均風壓系數

中國建筑科學研究院風洞實驗室配置的掃描閥頻率為400 Hz，一次數據采樣時間設置為30.75 s，故一次采樣可得到每個測點的12 300個數據。對12 300個風壓數據取平均值，作為相應測點的風壓實測值。參考點(取10 m高度處)的靜壓和總壓可同步測出。由式(1)可計算出各測點的無量綱平均風壓系數。

(1)

式中：p為各測點測得風壓；Cpr為各測點平均風壓系數；pr0為參考點處測得總壓；qr為參考點處動壓；p∞、pr∞為各參考測點處測得靜壓。

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

圖6 工況1、2、3的測點平均風壓系數對比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的測點平均風壓系數對比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的測點平均風壓系數對比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1～測點128為背風屋面測點，整體受較強的風吸負壓；測點129～測點256為迎風屋面，因測點的布置順序曲線呈起伏狀，其中，出現負壓絕對值較大的測點在屋脊處(圖4框1內的測點)，此為迎風屋面的危險區域。

在安裝阻尼耗能裝置后，觀察工況2、工況3測點平均風壓系數曲線，房屋負壓較無控工況整體出現不同程度的降低。值得關注的是：在房屋迎風屋面，除了屋脊處，在屋檐部位(圖4框2內測點)的測點亦出現負壓區。產生該現象的原因為裝置葉輪旋轉改變了屋檐邊緣的氣流走向，使屋檐部位負壓區域增大。同時，由圖6還可以看出，安裝耗能裝置也減小了迎風屋面的極值正壓。

整體對比工況2、工況3曲線，雙側安裝減弱了耗能裝置的抗風作用。

工況4在迎風側屋檐處安裝擾流板，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單獨安裝擾流板亦使房屋的極值負壓絕對值降低。但工況4與工況2曲線相比較，可看出單側屋檐安裝耗能裝置對迎風屋面風壓的改善作用優于安裝擾流板。

結合耗能裝置和擾流板的優點，將耗能裝置放置于擾流板正下方，同時，安裝至房屋屋檐處(工況5)。觀察工況5各測點的平均風壓系數曲線，背風屋面測點平均風壓系數絕對值降低非常明顯，也改善了迎風屋面的風壓分布。

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壓系數[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屋面的風壓分布，使得迎風屋面幾乎全部受正壓作用。反觀背風屋面測點，對負壓的改善作用很小。

3.2 屋面平均風壓等值線云圖

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

圖9 0°風向角風洞試驗屋面平均風壓等值線比較Fig.9 Comparison of average wind pressure contours of roof wind tunnel test in 0° wind direction

由圖9可以看出，各工況平均風壓等值線云圖直觀反映出，在0°風向角下，無控狀態的典型雙坡屋面背風面負風壓系數極值接近-0.7。在安裝抗風裝置之后，工況2、工況3、工況4使負風壓系數極值改善到-0.5，工況5負壓系數絕對值進一步減小至-0.4以下。

綜合上述6種工況各測點實測平均風壓系數的對比分析，考慮低矮雙坡房屋屋面本身的風壓分布特點：背風屋面及屋脊角落處較迎風屋面在臺風下更易破壞。認為0°風向角下，工況5的裝置布置方式作用效果最好。

3.3 各工況的負平均風壓系數極值

為客觀、全面地判斷裝置對屋面風壓的影響效果，仍需從多個風向角進行風壓系數極值分析。Cpr*表示不同工況下的平均風壓系數絕對值最大測點的風壓系數值。圖10給出6種安裝工況在0～180°風向角下的Cpr*。

圖10 各工況平均風壓系數絕對值最大測點的風壓系數值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，在風向角75°、105°左右，屋面出現了極值負壓，典型雙坡屋面無控時(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措施后(工況2～工況6)，從圖10曲線可以看出，極值負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，將負風壓系數極值控制在-1.4，工況5更是將Cpr*控制在-1.2，Cpr*降低幅度可達40%。將裝置安裝在屋脊(工況6)雖然在多數風向角下改善負壓效果良好，但在90°風向角附近無法發揮作用。

4 數值模擬

4.1 計算域及網格設置

利用FLUENT 17.0對雙坡屋面風壓特性進行模擬分析。幾何模型所對應實體房屋的尺寸為：10 m(長)×7 m(寬)×9 m(高)，考慮數值風洞大小的優化和阻塞率要求，計算域尺寸取為200 m(長)×90 m(寬)×80 m(高)。

用分塊的方法將計算域分為內部流域和外部流域兩部分，內部流域即距房屋相對較近的流域，采用四面體網格劃分；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場來接近真實狀態，故采用六面體單元減少網格數量?；旌暇W格劃分如圖11所示，這種網格劃分方式滿足了風場的真實性，同時限制了網格數量，在保證計算精度的情況下，提高了計算效率。

圖11 數值模型計算域與網格劃分Fig.11 The computation field and grid of numerical model

4.2 耗能裝置網格劃分

裝置葉輪采用三維制圖軟件SolidWorks進行幾何建模。建立幾何模型時，模型進行適當簡化，忽略對仿真影響較小的構件，如裝置的圓筒、連接桿部分。建模完成后保存為*.step格式，以便導入ICEM中進行網格劃分。

由于抗風裝置模型屬于旋轉機械，因此，需要將裝置附近流場空間分成兩個計算域，即運用ICEM中BODY功能將流場區域分割成靜止域與旋轉域，其中，葉輪外表面與交界面圍成區域為旋轉域，流場邊界與交界面圍成區域為靜止域。交界面設置為圓柱面，旋轉區域采用TGRID方法生成四面體網格，如圖11(c)所示。

4.3 仿真模型的選擇

處理旋轉機械問題，可采取混和平面模型(Mixing Plane)、旋轉坐標系模型(Rotating Reference Frame )、多參考坐標系模型(MRF)等處理動靜部件CFD方法，滑移網格模型可以用來對流場進行非定常計算，主動旋轉的仿真模擬流場與實際情況最為接近[14]。針對耗能裝置葉輪的旋轉運動建立瞬態模型，對流場進行非定常計算，考慮以上幾種仿真方法的特點，最終選擇使用滑移網格方法建立瞬態運動模型，它可以真實地模擬旋轉葉輪和流場間的相互影響，從而真實地描述葉輪旋轉區域的流場特征。

4.4 邊界條件及參數設置

對計算域的入口、出口、地面、頂面、側面和房屋模型表面進行了設置，不同部位的邊界條件不同。具體設置情況見表2。

表2 邊界條件設置Table 2 Boundary conditions

由Body定義的旋轉域和靜止域的交界面則通過ANSYS中設置的Interface進行數據交換。旋轉域的運動方式設置為旋轉(Rotational)。旋轉軸和旋轉中心由建模時旋轉域圓柱體的位置確定。旋轉軸為每個圓柱體上下底面圓心的連接軸，旋轉中心為每個圓柱體的形心。通過加載編譯udf宏約束裝置的運動狀態，只對葉輪主體釋放繞旋轉軸環向的旋轉自由度，以此來模擬裝置工作時葉輪的旋轉。

對于低矮房屋的流體仿真，湍流模型選用雷諾應力模型進行仿真會得到最精確的結果[15]。在FLUENT中，RSM是最精細制作的模型，其避免了同性的渦粘性假設，比單方程和雙方程模型更加嚴格地考慮了流線型彎曲、漩渦、旋轉和張力的快速變化，對于復雜流動有更高的精度預測潛力。缺點是計算時占用較多的CPU計算時間和內存、收斂較難，但對于復雜的3D流動適用(如彎曲管道、旋轉、旋流燃燒等)[16]。研究的低矮房屋模型包含多個旋轉域，故選用RSM進行數值模擬。子模型中，選擇以耗散率為基礎的線性壓力-應變模型。

FLUENT求解器提供了多種求解算法，其中的SIMPLEC算法可同時對速度場與壓力場進行修正，穩定性優于SIMPLE[17]。故模擬時選用壓力速度耦合中的SIMPLEC算法進行求解；數值模擬計算的收斂依據為所設定變量的殘差值均降到10-4以下，監測變量設定為各阻尼葉輪的表面壓力及屋面的平均風壓。當壓力數值基本穩定時，即認為此流場內氣流流動進入穩定狀態。文中約計算到6 000多步時，所監測數值達到穩定。

4.5 數值結果分析

為方便討論低矮房屋屋面各區域的風壓改善情況，首先將屋面進行分區，如圖12所示。圖中A1～A9區域為迎風面，B1～B9區域為背風面。

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

在建立房屋的幾何模型時，已將房屋的區域進行了劃分，故每個分區的面積平均風壓可直接由Report-force讀出。將5種施加抗風措施的工況與普通屋面工況的分區風壓作對比，見圖13。

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

根據數值模擬結果繪制6種工況下屋面平均風壓系數等值線云圖，如圖14所示，從云圖中能直觀地看到，雙坡房屋加設抗風措施后，屋面負壓值得到了改善。圖14中工況5(擾流板+裝置)的背風屋面負風壓系數極值已經降低至-0.4左右,圖8和圖9(e)中工況5背風屋面負風壓系數極值也約為-0.4，數值模擬和風洞試驗結果相一致。

對比圖9(f)、圖14(f)可以看出，工況6(屋脊安裝抗風裝置)屋脊附近的風壓分布，數值模擬與風洞試驗結果差異較大。風洞試驗該處呈正壓，而數值模擬此處為不利的負壓。產生該現象的原因是：在風洞試驗模型中，耗能裝置通過具有一定寬度的金屬條安裝至屋脊處，而數值模擬時將安裝結構簡化去除，故此處風壓值出現差異。

圖13 不同工況下分區面積平均風壓系數對比Fig.13 Comparison of regional wind pressure in different cases

4.6 耗能裝置的幾何參數優化

在保證數值模擬結果正確的基礎上，進一步探討耗能裝置的幾何參數優化方法。定義風耗能系數Cp為抗風耗能裝置對通過氣流能量的耗散系數，其物理意義為耗能裝置葉片轉動耗散的能量與吹到耗能裝置葉片上的空氣動能，具體計算公式為

(2)

式中：P為風耗能裝置葉片轉動的功率；T為葉輪的扭轉，數值模擬中可由FLUENT數值模擬積分計算得到；ω為葉片轉動角速度；t為風荷載的作用時間；m為一定時間t內通過裝置的空氣質量；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種工況下的平均風壓系數等值線云圖Fig.14 Equivalent line cloud map of roof mean wind pressure coefficient under 6 cases

由式(2)可知，Cp的數值越大，耗能裝置對于風能的耗散效果越好。因此，對于耗能裝置幾何參數的優化問題，可以轉化為通過優化耗能裝置葉片的幾何尺寸，使得耗能裝置在給定風速條件下公式(2)中的耗能系數最大。耗能裝置的幾何參數，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狀態的一個參數，為旋轉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。在實際工程中，可通過改變葉輪材料、葉輪長度、阻尼液體黏度來調整尖速比。根據文獻[18]，對于阻力型葉片的葉尖速比，通常取為0.3～1.2。圖15給出了某額定風速下耗能系數與葉尖速比的關系曲線。由圖15可以看出，隨著葉尖速比的增加，風能耗散系數呈現先增加長減小的趨勢。葉尖速比為0.29時，風能耗能系數可以達到最大值0.29。

葉輪根部安裝角即葉跟與輪轂連接處的角度。旋轉機械中一般取值范圍為30°～60°。為探究能使裝置風能耗散系數達到最大值的最優安裝角取值，數值模擬中每5°一個區間，分別建模并計算,結果如圖16所示。由數值模擬結果可見，隨著安裝角度的增加，耗能系數逐漸增加。當裝置葉輪根部安裝為45°時，耗能系數已經達到最大值，繼續改變角度已經無法再增加耗能系統的數值。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 耗能系數與葉尖速比的關系Fig.15 The relationship between the energy dissipation coefficient and the tip speed ratio

圖16 耗散系數與葉根安裝角的關系Fig.16 The relationship between dissipation coefficient and blade root angle

取裝置葉輪根部安裝角度為45°，改變葉跟對葉尖扭角，進而探究該扭角變化對裝置風能耗散系數的影響情況，數值模擬中每5°一個區間，分別建模并計算。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，實際工程中建議取值20°左右。

圖17 耗散系數與葉跟對葉尖扭角的關系Fig.17 The relationship between dissipation coefficient and blade to tip torsion

5 結論

對6種工況下的低矮雙坡房屋進行風洞試驗，采集各測點的實測風壓數據，并采用FLUENT17.0對相同工況的低矮雙坡房屋屋面風壓特性進行數值模擬分析，得到如下結論：

1)低矮雙坡屋面房屋受風時，背風面負壓極值普遍大于迎風面，故若屋面受風吸力破壞，首先是出現在背風面的局部破壞(屋脊附近、屋面邊緣)。由最不利負壓極值的分布位置提出最不利風向角的概念：即定垂直于屋脊風向為0°風向角，風向逆時針旋轉，最不利負壓極值出現在70°～75°范圍內。

2)通過多工況的風洞試驗數據分析，提出一種最優的抗風耗能裝置安裝方法：在屋檐上部，結合氣動抗風措施(擾流板)與抗風耗能裝置聯合的方式，以顯著降低風吸力對屋面結構的不利影響。這種安裝方式在任一風向角下都顯著降低了測點的平均風壓系數極值及面積平均風壓系數極值(包括迎、背風面)，降低幅度可達40%。

3)對抗風耗能裝置進行葉輪旋轉工作狀態的數值模擬，選取與風洞試驗相同的工況進行CFD分析。給出各工況對屋面風壓的影響情況，數值模擬計算結果仍表明擾流板+裝置的安裝方案為最優，與風洞試驗結論相同。