移動下擊暴流作用下高層建筑風荷載特性研究

方智遠，汪之松,2，李正良,2，黃漢杰

(1. 重慶大學 土木工程學院，重慶 400045; 2. 重慶大學 山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045; 3. 中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽 621000)

隨著工業社會的進一步發展，人類活動對氣候環境的影響日益加深。氣象研究表明：我國年均雷暴數超過45天的地區主要分布在新疆西北部、西藏中部、青海南部、四川西部以及長江以南的大部分地區，我國主要地理分區的年均雷暴日數在2010年后開始迅速增加[1]。下擊暴流是雷暴天氣中常見的一種極端風氣候，其中尺度較小且破壞力較強的微下擊暴流在雷暴天氣中的發生概率高達60%～70%[2]。Fujita[3]將下擊暴流定義為一種在近地面附近引起災害性強風的強下沉氣流。該極端強風在世界各地造成了大量工程結構破壞[4]，引起了越來越多風工程學者的關注。

對于下擊暴流作用下建筑風荷載的研究，Zhang等[5-6]采用沖擊射流裝置模擬下擊暴流，研究了該類風場下低矮及高層建筑的風荷載特性，發現下擊暴流作用下的建筑表面風壓分布與大氣邊界層風作用下的存在顯著不同。陳勇等[7]同樣基于沖擊射流試驗，研究了球殼型大跨屋面在下擊暴流作用下的風壓特性，分析了矢跨比、高跨比以及模型所處流場位置對屋面風壓分布的影響，發現屋面所處位置及其矢跨比是影響屋面風壓分布的主要因素。汪之松等[8]結合沖擊射流試驗和數值模擬方法，研究了下擊暴流風場中，坡地地形對高層建筑表面風壓的影響，發現坡地地形會使建筑迎風面風壓減小，而使側面和背風面的風壓絕對值增大。上述研究均采用靜止型沖擊射流，忽略了風暴移動對下擊暴流風場及建筑風荷載的影響。Letchford等[9]自行設計了移動下擊暴流模擬裝置(噴桶固定于小車上)，給出了移動下擊暴流作用下風暴移動中心線上小立方體表面典型測點的風壓系數時程，但未對模型表面的風壓分布特征進行探討。

本文首先采用噴口可移動的沖擊射流裝置對高層建筑模型進行了測壓試驗，而后通過大渦數值模擬方法建立了足尺模型并求解，在驗證了數值模擬可靠性的基礎上，借助數值模擬流場可視化的優點，結合建筑周圍的渦量分布研究了風暴移動中心線及中心線外一定距離處高層建筑表面的風壓分布及風荷載作用機理。研究結果可進一步增進對于移動下擊暴流風場及該類風場下建筑時變風荷載特性的理解，并為后續該領域研究提供一定參考。

1 下擊暴流的建模方法

下擊暴流的物理建模方法包括：沖擊射流模型、壁面射流模型[10]、冷源模型[11]及環渦模型[12]等，根據研究目的及對象的不同，上述模型有其各自的優缺點和適用范圍。其中，沖擊射流模型由于能夠模擬下沉氣流沖擊地面并沿地面擴散形成近地面強風的完整過程，因而在試驗與數值模擬中較常采用。以往對于下擊暴流的模擬多將噴口固定，忽略了風暴移動對風場結構的影響，而實際的下擊暴流受上部云層移動及周圍環境風的影響，氣流在下沉的同時還伴隨有水平移動。圖1給出了下擊暴流發展過程中兩個不同階段的現場照片，從圖中可以看出，受風暴移動的影響，下沉氣流呈傾斜狀，且沖擊地面后風暴前緣(front flank downburst，FFD)出現了較大的環渦，風暴后緣(rear flank downburst，RFD)氣流則較為平緩。因此，為了更好地還原實際風場，本文基于噴口可移動的沖擊射流模型對移動下擊暴流風場及風場內的高層建筑風荷載開展模擬研究。

圖1 實際下擊暴流照片Fig.1 The photo of actual downburst

2 試驗概況

試驗在中國空氣動力研究與發展中心的下擊暴流風洞試驗室進行。圖2為試驗裝置示意圖，該裝置由支架、傳動帶、液壓緩沖器、移動平臺以及試驗平臺組成。射流噴嘴固定于移動平臺，由風扇段、擴散段以及穩定段和收縮段這四部分構成。其中，風扇段為整個系統的動力源；擴散段及穩定段的主要作用是導流和整流，加裝了阻尼網和蜂窩器等整流裝置來保證收縮段入口及出口氣流的均勻性；收縮段主要對氣流進行加速。試驗通過控制噴嘴的水平移動來模擬移動下擊暴流。試驗設備的噴嘴直徑Djet=600 mm，射流噴口到底板的距離Hjet=1 200 mm，噴口的射流速度vjet=20 m/s，水平移動速度vtr=0.5 m/s，幾何縮尺比為1∶1 000。

圖2 試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental device

高層建筑的模型尺寸及測點布置如圖3所示，模型的長和寬均為50 mm，高為100 mm，頂面布置25個測點，其余各面布置50個測點，測點的采樣頻率為312.5 Hz。圖4給出了移動下擊暴流試驗中建筑模型與噴口中心的相對位置關系，其中α表示建筑模型中心與風暴中心的連線與風暴移動中心線間的夾角，R0表示初始時刻(t0)建筑到風暴中心的水平距離，R1表示風暴移動過程中某時刻(t1)建筑中心到風暴中心的水平距離，vr表示沿風暴中心到建筑中心連線方向的水平風速，vc表示合成風速。模型初始迎風面為A面，背風面為C面，兩側面分別記為B、C面。試驗分別獲取了建筑模型位于噴口移動中心線及偏離中心線一定距離處(y/Djet= 0、0.25、0.5、1.0)的表面測點風壓時程。

圖3 模型及測點布置Fig.3 Building model and pressure measuring points arrangement

圖4 下擊暴流沖擊高層建筑平面示意圖Fig.4 Schematic diagram of test conditions

3 數值模擬概況

基于計算流體力學軟件Fluent14.5，本文采用大渦模擬(large eddy smiulation,LES)方法對移動下擊暴流作用下高層建筑的瞬態風荷載特征開展數值模擬研究。為了驗證數值模擬結果的準確性，首先建立了與試驗條件相同的縮尺模型。在驗證了數值模擬方法有效性的基礎上，為了更好地對真實氣象尺度下的下擊暴流風場及建筑風荷載開展研究，本文進一步建立了足尺模型，并選取了更加合適的噴口出流速度和移動速度。

以足尺模型為例，圖5給出了計算域的邊界條件及網格劃分剖面圖，計算域長17Djet，寬11Djet，高3Djet，速度入口到地面的距離Hjet=2Djet，出流直徑Djet=600 m。噴口的出流速度vjet=30 m/s，水平移動速度vtr=6 m/s，初始的噴口x坐標設為0，建筑中心的x坐標為1 800 m。

圖5 邊界條件及網格劃分剖面圖Fig.5 Boundary conditions and section map of mesh generation

計算域邊界條件設置如圖5所示。通過Fluent自帶的用戶自定義函數(user define function，UDF)定義入口邊界條件，通過UDF函數控制移動速度、射流速度和噴口直徑等參數的大小，噴口移動區域四周采用光滑壁面，無剪應力，地面和計算域四周分別采用無滑移壁面和壓力出口。

網格劃分時，考慮到近壁區域的層流特性，采用LES模型時需對近壁面網格進行加密處理，使近壁面黏性底層區域滿足無量綱距離y+<5，以模擬近壁區的復雜流動。近壁面首層網格至壁面的距離Δy,要滿足無量綱距離

(1)

式中：Δy是首層網格至壁面距離，m；v是空氣的運動黏性系數，m2/s；τω是壁面切應力，Pa；ρ是空氣密度，kg/m3。模型第一層距壁面網格距離為Δy=1.9×10-5，使得數值模擬結果的y+<1，滿足增強壁面處理方法的要求。整個計算域共計6.3×106個六面體網格。采用Smagorinsky-Lilly亞格子模型，動量、湍動能、湍流耗散率采用中心差分法進行離散。

4 結果及討論

4.1 數值模擬有效性驗證

4.1.1 流場特征

圖6給出了足尺模型數值模擬得到的t=200 s時刻的移動下擊暴流三維風速云圖，從圖中可以看出，下擊暴流的整體形態與圖1所示的實際下擊暴流存在一定的相似性。圖7給出了數值模擬得到的風場中某測點的風速時程與美國圣安德魯斯空軍基地(AAFB)實測下擊暴流風速時程的對比，由圖可知，二者均存在前后兩個波峰，且前一個波峰峰值較大，后一個波峰峰值相對較小，文獻[13]還給出了二者的風向時程對比，結果表明：移動下擊暴流數值模擬能夠很好地捕捉風場的瞬態特征，能夠較好地還原實際下擊暴流風場。

4.1.2 測點風壓系數

結構風工程中一般通過風壓系數來表征建筑表面的風壓分布特性，風壓系數的計算公式如下

圖6 移動下擊暴流三維風速云圖Fig.6 3-D wind velocity contour of moving downburst

圖7 風速時程對比Fig.7 Comparison of velocity time history

(2)

式中：P為測點處的風壓；ρ為空氣密度；vref為參考風速，在常規大氣邊界層風場中，vref通常取為模型頂部平均風速，而在雷暴沖擊風風場中，由于水平風速最大值一般出現在近地面附近，且大小隨徑向位置的變化而變化，因而參考風速一般取為射流噴口的出流風速，即vjet。

為了進一步驗證數值模擬的有效性，圖8和圖9分別給出了模型A面和頂面典型測點在數值模擬和試驗條件下的風壓系數時程對比。由圖8可以看出，對于模型A面測點，數值模擬與試驗得到的測點風壓系數時程基本一致，風壓系數隨時間的增加而先增大后減小，且平均風壓幅值隨建筑到風暴移動中心線距離的增加而略有減小。由圖9可以看出，對于頂面中心測點，除y/Djet= 1位置，其余位置在噴口經過時均出現了較大的正值波峰，說明當建筑位于噴口射流直徑范圍內時，下沉氣流會對建筑頂面產生較大的壓力作用。當風暴移動到建筑后方時，距離風暴移動中心線較近的建筑頂面中心測點的數值模擬和試驗風壓結果有些許差異，這一方面可能是由于數值模擬的各參數及邊界條件均是理想化的，與試驗現場條件并非完全一致，另一方面計算流體力學對于鈍體繞流問題，尤其是處于氣流強分離區的屋面位置，其模擬精度具有一定局限性。但整體而言，數值模擬還是很好地還原了屋面測點風壓的變化過程，其與試驗結果的整體分布規律一致。

(a) y/Djet=0(b) y/Djet=0.25

(c) y/Djet=0.5(d) y/Djet=1圖8 風壓系數時程對比(A面中線，z/H=0.25)Fig.8 Comparison of time history of pressure coefficients

(a) y/Djet=0(b) y/Djet=0.25

(c) y/Djet=0.5(d) y/Djet=1圖9 風壓系數時程對比(頂面中點)Fig.9 Comparison of time history of pressure coefficients

由上述分析可知，大渦數值模擬能夠較好地還原移動下擊暴流風場，并能成功捕捉該風場下建筑表面的風壓時變特征，因而可以采用該數值模擬方法對移動下擊暴流作用下的建筑風荷載開展研究。需要說明的是，由于風暴移動速度對風場的影響較為顯著[14]，風場結構的差異最終將導致風場中建筑結構風荷載的不同。因此，為了更好地對實際下擊暴流進行還原，后文的分析是基于大渦足尺模擬進行的，其風暴移動速度為6 m/s，射流速度為30 m/s。

4.2 建筑表面風荷載(風暴移動中心線上)

以建筑模型位于風暴移動中心線為典型工況，重點研究下擊暴流移動過程中，高層建筑表面的風壓變化規律及風荷載的作用機理。

建筑表面中心線在6個典型時刻的風壓系數分布如圖10所示。圖10(a)給出了中心線位置，其中0-1為A面中心線，1-2為頂面中心線，2-3為C面中心線。如圖10(b)所示，高層建筑表面的風壓分布在風暴移動的過程中發生了顯著變化。t=100 s時，風暴中心移動至x=600 m位置，建筑表面的風壓系數基本為0，這是由于此時建筑距離風暴中心仍較遠(相距1 200 m，即2Djet)，下沉氣流沖擊地面產生的擴散氣流尚未沖擊到高層建筑；t=200 s時，風暴中心移動至x=1 200 m位置，其仍位于建筑前方，但二者距離縮小(相距600 m，即1Djet)，此時建筑A面為迎風面，該面中下部風壓較大，最大風壓系數達到1.6左右；t=300 s時，風暴中心移動至x=1 800 m，其位于建筑正上方，此時建筑頂面出現較大正壓；t=400～600 s時，風暴中心已從建筑頂面越過，此時，建筑A面變為背風面，而C面成為迎風面，此時，迎風面的最大風壓仍出現在中下部，但極值風壓僅為0.75左右。

(a) 位置標記(b) 典型時刻風壓系數分布圖10 建筑中心線風壓系數分布Fig.10 Distribution of wind pressure coefficient alongbuilding center line

為了揭示下擊暴流移動過程中建筑表面的風荷載作用機理，圖11～15給出了在下擊暴流移動過程中，風暴移動中心線上的高層建筑周圍在3個典型時刻的基于速度的渦量云圖以及對應的建筑表面風壓系數分布。

圖11給出了下擊暴流位于高層建筑前方時(t=200 s)的渦量云圖及建筑表面風壓系數分布。從圖中可以看出，建筑表面漩渦主要集中在頂面迎風側前沿以及側面迎風側扇形區域，且在兩側面迎風側上部角點位置附近渦量較大，說明氣流在迎風面邊緣發生了流動分離。建筑迎風面僅在貼近地面位置存在少量漩渦，且漩渦出現在迎風面風速駐點(迎風面下部風速為0處)下側，說明來流風沖擊建筑迎風面后，在駐點下方出現了強下切氣流，并在地面附近形成漩渦。建筑表面風壓受氣體繞流的影響，迎風面基本為正壓，最大正壓出現在下部風速駐點處。其余面受氣體分離及再附的影響，在漩渦集中處相應的負壓絕對值較大。

(a) 渦量云圖

(b) 風壓系數分布圖11 渦量云圖及建筑表面風壓系數分布(t=200 s)Fig.11 Vortex contour and wind pressure coefficients onbuilding surfaces(t=200 s)

(a) 渦量云圖

(b) 風壓系數分布圖12 渦量云圖及建筑表面風壓系數分(t=300 s)Fig.12 Vortex contour and wind pressure coefficients onbuilding surfaces(t=300 s)

圖12給出了下擊暴流移動至高層建筑上方時(t=300 s)的渦量云圖及建筑表面風壓系數分布。下沉氣流受慣性作用，在風暴移動過程中其形態會出現一定偏斜，因而雖然此時射流噴口位于建筑正上方，但氣流沖擊地面的中心位置會略有滯后。從圖中可以看出，此時建筑已位于下沉氣流的沖擊范圍內，建筑側面迎風側角點位置出現了明顯的錐形渦。建筑頂面主要受下沉氣流作用，風壓為正值，而在側面錐形渦處出現了較大負壓。

圖13給出了下擊暴流移動至高層建筑后方時(t=500 s)的渦量云圖及建筑表面風壓系數分布。此時C面變為迎風面，與圖10類似，建筑表面漩渦仍主要分布于頂面迎風側前沿及側面迎風側角點位置。此時風暴的移動方向與風暴后方氣流的整體流動方向相反，沖擊建筑的來流風受到削弱，因而建筑表面的整體風壓系數相對較小。

(a) 渦量云圖

(b) 風壓系數分布圖13 渦量云圖及建筑表面風壓系數分(t=500 s)Fig.13 Vortex contour and wind pressure coefficients onbuilding surfaces(t=500 s)

4.3 建筑表面風荷載(風暴移動中心線外)

當建筑位于風暴移動中心線以外時，下擊暴流對建筑的風荷載作用規律會隨二者間相對位置關系的改變而不同。為此，圖14、15分別給出了偏離風暴移動中心線(y/Djet=1.0)的高層建筑在風暴移動過程中的兩個典型時刻的渦量云圖及表面風壓系數分布。

當下擊暴流位于建筑前方時(圖14)，因來流風與A面夾角較大，而與B面夾角較小，因而氣流在A、B面交界處發生分離，A面仍主要受正壓作用，而B面邊沿則出現了較大的負壓。當下擊暴流移動至建筑后方時(圖15)，建筑頂面角部出現了明顯的錐形渦，在該位置處風壓極值可達-1.8，其絕對值遠大于風暴移動中心線上的建筑頂面負壓。可見，當建筑偏離風暴移動中心線時，移動下擊暴流對高層建筑的風荷載作用規律與未偏離時顯著不同，且建筑頂面角部及側面邊緣的極值風壓可能更大。

(a)渦量云圖

(b)風壓系數分布圖14 渦量云圖及建筑表面風壓系數分(t=200 s)Fig.14 Vortex contour and wind pressure coefficients onbuilding surfaces(t=200 s)

(a) 渦量云圖

(b) 風壓系數分布圖15 渦量云圖及建筑表面風壓系數分(t=400 s)Fig.15 Vortex contour and wind pressure coefficients onbuilding surfaces(t=400 s)

5 結 論

采用試驗和數值模擬研究了移動下擊暴流作用下高層建筑表面的風壓時變特性及其作用機理，得到主要結論如下：

(1) 基于大渦模型，采用時變速度入口的數值模擬方法能夠較好地還原移動下擊暴流風場，并捕捉高層建筑表面的風壓時變特征。

(2) 在風暴移動中心線上，當建筑處于風暴前緣時，其表面風壓系數較大，而當建筑處于風暴后緣時，其表面風壓系數相對較小，氣流分離形成的漩渦主要出現在頂面迎風側前沿及側面迎風側上角部區域，這些區域負壓相對較大。建筑頂面在風暴經過其上方時會出現較大正壓。

(3) 在風暴移動中心線外，高層建筑的來流風風向會隨風暴的移動而不斷發生變化，從而導致表面風壓分布具有明顯的時變特征。當建筑位于風暴前緣時，與來流風夾角較小的側面會由于氣流在鈍體邊緣的分離作用而出現較大的負壓區域。當建筑位于風暴后緣時，建筑頂面角部區域會由于錐形渦的產生而出現較大負壓。