串列布局下風阻效應對上游建筑立面風驅雨的影響研究

王 輝, 宋文慧, 孫建平

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.華南理工大學 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室,廣東 廣州 510640)

風驅雨(wind-driven rain,WDR)是建筑壁面最主要的水分來源之一。水分在建筑壁面累積和遷移會導致許多工程問題[1],深入研究并掌握降雨過程中建筑立面的WDR分布特性是解決當前諸多工程問題的重要基礎。

目前,對于建筑WDR有3種分析方法,即現場實測[2]、半經驗模型[3]和計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)數值模擬[4-7]。由于CFD數值模擬耗時短、分析成本低、獲取數據信息較為完整,現已成為建筑WDR的主要研究手段。文獻[8]通過三維穩態雷諾平均Navier-Stokes方程(Reynolds Averaged Navier-Stokes equations,RANS)和標準κ-ε湍流模型對風場進行求解,并采用拉格朗日粒子追蹤方法(Lagrangian Particle Tracking,LPT)計算雨滴軌跡;針對LPT方法存在的缺點,文獻[4]提出基于歐拉多相流(Eulerian multiphase,EM)模型的數值模擬方法,并結合建筑迎風立面WDR的實測數據驗證了方法的準確性,該方法已在WDR研究領域逐漸得到應用[4-7]。

建筑物對風場產生擾動作用的現象稱為風阻效應[9-11],其會導致來流風速降低并在建筑物近壁面區域和上方區域產生回旋氣流[12],直接影響WDR場的雨滴運動軌跡和WDR在建筑表面的分布。目前,針對WDR場風阻效應的相關研究很少,文獻[9-10]分別研究了4種典型孤立建筑模型的WDR分布情況,結果表明風阻效應是影響立面WDR分布的決定因素之一,且不同尺度建筑的風阻效應存在明顯差異,但其研究均缺乏對建筑尺度變化所產生影響的系統性考量,未深入研究風阻效應隨建筑立面高度和寬度變化對立面WDR的影響規律。文獻[11]對不同尺度的建筑開展不同布局下WDR場研究,結果表明下游建筑造成的風阻效應使上游建筑的WDR減小,但并未對削減作用進行定量分析。目前,針對風阻效應對WDR分布的影響,開展系統的定量化研究是深入揭示建筑WDR分布特性、建立有關精準預測模型的基礎。本文基于EM模型,以風場來流方向上前后2幢建筑布局為對象,使用FLUENT軟件模擬分析下游建筑高度變化對上游建筑表面WDR分布的影響,獲取有關分布影響規律與特性。

1 數值模擬方法

1.1 邊界條件

對于風場，建立以realizableκ-ε湍流模型封閉求解的RANS控制方程；對于雨場，基于EM模型假設,假定雨滴為連續相,雨滴按粒徑D分為N相(D∈[Dk-ΔD/2,Dk+ΔD/2],k=1, 2,…,N)。其中:Dk為第k相雨滴的粒徑;ΔD=Dk-Dk-1,為相鄰相的粒徑差。第k雨相的控制方程為:

(1)

(2)

其中:ρw為雨水密度;αk為第k雨相的體積分數;uki、ukj分別為沿i、j方向的速度分量;gi為i方向的重力加速度分量;μ為空氣黏度;CD為阻力系數;ReR為相對雷諾數;ui為沿i方向的速度分量。

1.2 計算區域設置

以2幢建筑組成的串列布局為對象,如圖1所示。

圖1 串列布局模型

圖1中,上游建筑長、寬、高尺寸為L1×B1×H1=50 m×10 m×10 m,下游建筑L2×B2=50 m×10 m,高度H2分別為10、20、30、40、50 m,2幢建筑間距為20 m。由于建筑迎風立面WDR分布與u10呈線性關系[12],故水平風速僅取u10=10 m/s,水平降雨強度Rh分別設定為0.25、0.50、1.00、2.00 mm/h。依據體積分數占優原則,選取0.25～3.00 mm(間隔為0.25 mm)共12種雨滴粒徑。

依據文獻[13-14]提出的原則確定計算域,利用ICEM CFD軟件進行建模和劃分網格,網格采用六面體結構化單元,下游建筑H2=30 m的計算域及相應的網格劃分如圖2所示。

對于風相,入口邊界風速為指數型風剖面,地面粗糙度類別為B類。風相邊界條件的設置見表1所列。表1中:z、z0分別為任意高度和標準參考高度;Ks為粗糙度高度。

圖2 H2=30 m的計算域及網格劃分

表1 風相邊界條件

對于雨相,入口及計算域頂面處水平速度與來流風速相等,其余邊界條件與風相的邊界條件相同。入口及計算域頂面的雨相體積分數表達式為:

(3)

其中:fh(Rh,D)為雨滴通量分數;vt(D)為雨滴降落末速度。

考慮到雨滴撞擊壁面后的吸附情況,壁面的邊界條件規定為:

(4)

其中,n為邊界面法向量,指向計算域外。

1.3 WDR參數

引入抓取率η和特定抓取率ηD(D)來描述建筑立面WDR相對Rh的大小,表達式為:

(5)

(6)

其中:Rwdr(D)、Rh(D)分別為雨滴在該點處的WDR雨強和水平降雨強度;αD為雨滴在該點處的體積分數;|vn(D)|為雨滴在該點處沿建筑表面法向的速度大小。

2 結果分析

2.1 風阻效應對上游建筑的整體影響

結合雨滴運動狀態分析η分布特性,2種粒徑雨滴在4種H2取值下的雨跡線對比如圖3所示。由圖3可知,下游建筑的存在會對雨滴軌跡產生影響,且隨著下游建筑的高度增加,影響更加顯著。

在4種Rh取值下上游建筑迎風立面η分布云圖如圖4所示。

圖3 2種粒徑雨滴在4種H2取值下的雨跡線對比

圖4 上游建筑迎風立面η分布

由圖4可知,不論H2如何變化,上游建筑迎風立面η始終遵循與孤立建筑相似的分布規律,呈左右對稱分布且自下而上、從中心向兩側逐漸增大,在上邊緣拐角處取得最大值,而最小值則出現在中下部;η總體分布規律未出現較大差異是由于下游建筑的風阻效應僅降低了上游建筑迎風立面附近的來流風速,并未改變風場整體形態。上游建筑迎風立面η明顯小于孤立建筑布局時的η,且隨著H2增大,上游建筑迎風立面的整體η越來越小,表明下游建筑的存在會對上游建筑WDR的η產生削減作用。

與孤立建筑布局情況相同,串列布局時上游建筑迎風立面η的最大值ηmax同樣出現于上邊緣拐角處,下游建筑風阻效應不改變ηmax出現的位置,但總體會導致ηmax發生變化。4種Rh取值時ηmax隨H2的變化曲線如圖5所示。

圖5 4種Rh取值時ηmax隨H2變化曲線

由圖5可知,當H2=H1=10 m時,ηmax比孤立建筑布局時稍增大,最大增加3.34%(Rh=0.25 mm/h);當H2>H1時,ηmax比孤立建筑布局時顯著減小,且隨著H2增大而不斷減小,減小幅度最大可達31.58%(Rh=0.25 mm/h),最小幅度亦有27.52%(Rh=2.00 mm/h)。

2.2 風阻效應對上游建筑影響定量分析

2.2.1 迎風立面豎直中線位置

3種Rh取值時,上游建筑迎風立面η沿豎直中線的分布如圖6所示。圖6中,h為豎直中線上點的高度。由圖6可知,當H2=H1=10 m時,η值比孤立建筑布局時稍增大;當H2>H1時,η值比孤立建筑布局時顯著減小,且H2越大,η值越小,減小幅度也越大。

為進一步比較風阻效應對上游建筑WDR的影響特性,采用η/ηisol值定量分析上游建筑迎風立面豎直中線位置WDR的分布,ηisol為孤立建筑的迎風立面抓取率。3種Rh取值時,上游建筑迎風立面η/ηisol沿豎直中線的分布情況如圖7所示。圖7中,水平斷虛線為η/ηisol=1.0參照線，下同。

由圖7可知,當H2=H1=10 m時,η/ηisol值均大于1.0;此時,在迎風立面下部區域η/ηisol值變化不穩定,上升至一定高度后,呈先增大后減小的趨勢,在最高處取最小值(大于1.0),最小為1.02,表明當H2=H1時,在上游建筑迎風立面豎直中線處,下游建筑產生的風阻效應對上游建筑WDRη的影響隨h增大逐漸減弱,在最高處影響最弱。

當H2>H1時,沿中線位置的點上升至一定高度后,η/ηisol值隨h增大而增大,在最高處取最大值(小于1.0),所有工況中最大可達0.93,表明當H2>H1時,在上游建筑迎風立面豎直中線上,下游建筑的風阻效應對上游建筑WDRη的影響隨h增大逐漸減弱,在最高處影響最弱。而隨著H2增大,η/ηisol值越來越遠離1.0,即風阻效應的影響愈加接近孤立建筑時的受擾情況。

圖6 上游建筑迎風立面η沿豎直中線的分布

圖7 上游建筑迎風立面η/ηisol沿豎直中線的分布

2.2.2 迎風立面側邊緣位置

3種Rh取值時,上游建筑迎風立面η沿側邊緣線的分布如圖8所示。從圖8可以看出，與圖6相比,側邊緣線的η分布與豎直中線處的分布趨勢大致相同,但整體大于豎直中線處的η值,同一降雨條件下相差最大值為0.68。

3種Rh取值時,上游建筑迎風立面η/ηisol沿側邊緣線的分布如圖9所示。

圖8 上游建筑迎風立面η沿側邊緣線的分布

圖9 上游建筑迎風立面η/ηisol沿側邊緣線的分布

從圖9可以看出，與圖7相似,當H2=H1=10 m時,上游建筑迎風立面沿側邊緣線上任意點的η/ηisol值均大于1.0,η/ηisol值除了在下部區域稍有增加,基本上隨h增大而減小,在最高處取最小值(大于1.0),表明當H2=H1時,在沿上游建筑迎風立面側邊緣線上,下游建筑的風阻效應對其WDRη的影響隨h增大先增強后減弱,在最高處影響最弱。當H2>H1時,η/ηisol值均小于1.0,η/ηisol值在下部區域時隨h增大而減小,而后隨h增大而增大,在最高處取最大值(小于1.0)。類似地,當H2>H1時,在沿上游建筑迎風立面側邊緣線上,下游建筑的風阻效應對上游建筑WDRη的影響隨h增大先增強后減弱,在最高處影響最弱。

3 結 論

(1) 下游建筑的風阻效應對上游建筑迎風立面前來流區域的風場流動影響微弱,因此后者迎風立面上WDR分布規律與孤立建筑布局時相比并無較大差異。

(2) 當下游建筑高度H2等于上游建筑高度H1時,上游建筑迎風立面(豎直中線處和側邊緣線處)WDR抓取率比孤立建筑布局時略增大;當H2>H1時,上游建筑迎風立面WDR抓取率比孤立建筑布局顯著減小,且減小幅度隨H2增大而增大。

(3) 采用比值η/ηisol定量描述下游建筑的風阻效應對上游建筑WDR的影響特性。對于模擬的工況(上游建筑豎直中線處和側邊緣線處),無論下游建筑的風阻效應對上游建筑迎風立面的WDR抓取率有增大(當H2=H1時)或減小(當H2>H1時)作用,η/ηisol隨位置點高度增加均逐漸趨向于1.0,即風阻效應的影響總是隨位置點高度的增大而越來越接近孤立建筑時的受擾情況。此外,η/ηisol隨著H2增大而逐漸遠離1.0,表明H2增加使風阻效應對串列布局建筑的影響更加明顯。