低矮異型建筑立面洞口對下擊暴流風壓作用的影響研究

王 輝, 吳亞雄, 吳學健, 吳安超

(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)

下擊暴流是極具破壞性的強對流天氣,該天氣一旦發生,劇烈的下沉氣流短時間內猛擊地表,并以飛快的速度沿地表擴展,對地表構筑物破壞極大[1]。

目前,關于下擊暴流對于建筑的作用多是針對立方體型封閉建筑開展研究,內容主要涉及暴流場的構成特點、建筑所處位置、地形等主要因素對建筑風壓的影響,多采用風洞試驗方法和計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)模擬方法。文獻[2]通過下擊暴流風洞試驗,研究立方體型封閉建筑表面風壓與徑向距離的關系,發現建筑迎風立面的風壓與距離風暴中心的徑向距離呈負相關,當rd=D0(rd為徑向距離,D0為噴射初始直徑)時,其達到最大值;文獻[3]以數值方法模擬下擊暴流對立方體型建筑的作用,結果表明,來流風在迎風面和屋面轉角處易形成繞流,到達背風面產生渦旋,但背風面氣流流速略低,導致背風面風壓值較小;文獻[4]采用數值模擬方法,探究下擊暴流對平屋面建筑的風壓作用,發現當建筑遠離地面噴射中心時,屋面平均風壓由正壓轉為負壓;文獻[5]采用數值方法,模擬分析地形對高層建筑立面風壓的影響,結果表明,背風面的吸力隨地面粗糙度的增加而顯著減小,迎風面和側風面風壓則基本不受影響。

相對于封閉建筑,當建筑出現洞口時,洞口位置的灌入風或穿堂風會引起建筑繞流發生改變,當外部與內部的氣流共同作用時,開洞建筑與封閉建筑的風壓存在顯著差異。相關研究多是針對常態風作用下的立方體型開洞建筑。文獻[6]研究常態風下開洞低矮建筑的風壓特性,結果表明,同種風況條件下,其背風面開洞數目越少、迎風面開洞數目越多,無論背風面還是迎風面,其風壓呈增大趨勢;文獻[7]通過風洞試驗,對開洞高層建筑的風致內外壓差值(凈壓)開展研究,發現受擾建筑迎風面開洞時,凈壓對迎風面的作用小于側面和背風面;文獻[8]以數值方法研究開洞高層建筑的風壓干擾效應,結果表明,串聯布局時,迎風面開洞受擾建筑的平均靜風壓系數與建筑間距呈正相關,而并列布局時,側面開洞受擾建筑的平均靜風壓系數與建筑間距無關。實際工程中異型低矮建筑普遍存在,當其遭受下擊暴流作用時,由于外形復雜、凹凸轉角更多,尤其存在洞口時,其風壓分布更復雜,而目前關于下擊暴流作用下的異型建筑風壓,以及立面洞口設置方式對風壓的影響,相關研究很少。

本文以低矮異型建筑為對象,考慮立面洞口設置的變化,基于雷諾時均NS方程(Reynolds averaged Navier-Stokes equations,RANS),模擬分析下擊暴流作用下立面設置洞口建筑的內外表面風壓,揭示洞口設置方式對內外風壓分布影響的規律,為抗風設計提供依據。

1 數值模擬方法及其驗證

本文采用射流模型模擬下擊暴流風場的形成發展以及對建筑的風壓作用,該模型相對于環渦模型,能更好地再現下擊暴流風場的基本特征[9-10]。

1.1 控制方程

基于RANS 建立下擊暴流風場控制方程,采用重整化群(renormalization group,RNG)k-ε湍流模型封閉控制方程進行迭代求解[11]。

(1)

(2)

(3)

(4)

其中:ui、uj為張量形式表示的氣流平均速度分量(i,j=1,2,3);k、ε分別為湍動能、湍能耗散率;P為平均壓力;μ為氣流運動黏性系數;η=Sk/ε,S2=2SijSij,Sij為平均應變張量;η0=4.38;β=0.012;Cμ=0.085;C1=1.42;C2=1.68;σk=0.72;σε=0.72;μt為湍流渦黏性系數,且μt=Cμk2/ε。

1.2 風壓系數

風壓系數定義為:

(5)

其中:CP為風壓系數;ΔP為測點風壓值與下擊暴流速度入口位置中心處靜壓之差;ρ為空氣質量密度;vjet為下擊暴流入口初始速度。

1.3 數值方法驗證

以文獻[12]的立方體型建筑作為驗證對象,其尺寸長×寬×高為45 mm×45 mm×45 mm,針對建筑模型位于1倍D0位置(最大風速處)進行模擬比較。建立下擊暴流風場計算區域,即Lx×Ly×Lz=14D0×14D0×3.5D0,射流入口處于中心區域,其直徑D0=0.61 m;風場入口邊界條件選用速度入口(velocity-inlet),入口風速vjet=13 m/s,與試驗值相同;湍流強度為1%,出口邊界條件選用壓力出口(pressure-outlet),地面選用無滑移壁面邊界條件,如圖1所示。

圖1 計算域及邊界條件圖

采用ICEM(Integrated Computer Engineering and Manufacturing code)軟件對風暴場計算域進行混合網格剖分,建筑的壁面區域采用非結構化加密網格,遠離建筑的外部區采用結構化六面體網格,剖分后其網格總數約為1.5×106,如圖2所示。

圖2 計算域網格示意圖

采用Fluent 軟件模擬下擊暴流風場,比較下擊暴流徑向風速豎向風剖面,如圖3所示。選取最大風速位置模擬場豎直風剖面,與文獻[13]中Wood經驗模型和文獻[14]的三維粒子成像測速(particle image velocimetry,PIV)測量數據進行對比。圖3中:v/vmax為徑向風速v與最大徑向風速vmax的比值;z/b為離地高度z與參考點高度b的比值。由圖3可知,本文CFD模擬場風剖面與PIV測量數據、Wood經驗模型風剖面一致,而暴流場風剖面與常態風風剖面存在顯著差異。

圖3 徑向風速的豎向剖面比較

rd=D0處該建筑5個表面上的典型位置測點(用黑色方形小塊表示)風壓系數CP模擬值與試驗值(括號內數值)對比如圖4所示,其風壓云圖如圖5所示。

圖4 rd=D0處CP模擬值與試驗值對比

圖5 模擬場立方體建筑CP云圖

由圖4、圖5可知,迎風面和背風面的模擬值與試驗值吻合較好,在側風面位置,雖然兩者偏差相對較大,但最大差值僅為0.11,說明數值方法能夠精確模擬下擊暴流風場,有效預測下擊暴流風場對建筑的風壓作用。

2 開洞異型建筑風暴作用模擬

以凹型、T型、L型和立方體型4類低矮建筑為對象,4類建筑的外形及尺寸如圖6所示。考慮來流風垂直建筑立面情況,研究立面開洞時內外表面風壓分布特點,以及洞口設置方式對風壓的影響特點。建筑考慮封閉、單面開洞(居中)、兩面開洞(居中)、單面雙開洞(兩側)和兩面三開洞(前面兩側、后面居中)5種模式,如圖7所示,見表1所列。圖7中,A、B、C、D表示建筑不同立面,方形小框及數字表示開洞位置及洞口編號。在一定范圍變化的開洞率對建筑室內外的風壓影響較小[15],因此采用相同開洞率7.5%,洞口形式為正方形。參考圖1、圖2建立計算域,射流管道直徑D0=1 000 m。

表1 建筑開洞5種洞口模式

圖6 4類建筑外形及尺寸

圖7 4類建筑開洞預設位置

2.1 洞口位置對表面風壓影響

文人與藝人往還，每每以宴飲贈詩為多，民國嘉興地方文人即留下不少贈評彈藝人的詩賦。如署名“系系”者應友人華君之約，為即將剪書返滬的女藝人朱雪琴餞行，席間作詞道：

圖8 3類異型建筑5種洞口模式下外表面面壓系數值

為定量分析立面洞口位置對迎風面風壓的影響,考慮5種洞口模式,比較迎風面(A2面)豎直中線、迎風面橫向中線位置及屋面中線的風壓系數CP分布,如圖10～圖12所示。

圖10 迎風面(A2面)豎直中線外表面風壓系數在5種洞口模式下的變化

從圖10可以看出,3類異型建筑除模式2和模式3外,其余模式下在A2面的CP沿高度方向均呈先減小后增大再減小的變化趨勢。模式2相較于模式3在洞口附近CP波動較小,與其余3種模式的CP變化較接近,其總體分布趨勢也是先減小后增大再減小,最小風壓出現在1.2 m高度處,而最大風壓出現在7.0 m高度處。3類異型建筑在模式3下,洞口上、下緣CP均出現不同程度的驟增和驟減現象,凹型、T型和L型建筑在洞口上緣CP值分別為0.961、0.982、0.968,其中凹型建筑模式3下與模式1相比,在洞口上緣驟增現象最明顯,最大增幅為12.9%;凹型、T型和L型建筑在洞口下緣CP值分別為0.673、0.783、0.713,與模式1相比,降幅分別為12.7%、11.1%、22.1%。

從圖11可以看出,3類異型建筑在5種洞口模式下,迎風面橫向中線處的外表面CP呈大致相同的分布趨勢。凹型、L型建筑4種開洞模式下橫向中線處的外表面CP與模式1(封閉)差別較小,僅在局部略有差異,而洞口附近差異最顯著。從凹型建筑看,與模式1相比,模式4下的洞口附近CP出現驟減現象,最大降幅為54.4%;模式5下的洞口附近CP出現驟增現象,最大增幅達23.6%;模式4與模式5下的洞口附近CP最大差值達0.431。從L型建筑看,模式3與模式1相比,洞口附近出現CP驟減現象,最大降幅達20.4%。

T型建筑5種洞口模式下迎風面橫向中線外表面CP差別較大。對比模式1與模式2,單面開洞時,迎風面橫向中線處CP總體略低于封閉模式。對比模式1與模式3,模式3橫向中線處CP高于模式1,兩者最大差值為0.198。對于模式4和模式5,兩洞口之間的CP低于模式1,洞口兩側則高于模式1,兩者與模式1的外表面CP最大差值分別為0.266、0.364。

建筑立面洞口形成的穿堂風會直接影響爬升屋面的氣流,因此洞口位置對建筑屋面風壓也會產生影響。下面分析屋面中線處沿順風向內外風壓合力下合風壓系數CP的分布特點。

圖12 屋面中線內外風壓合力下合風壓系數在5種洞口模式下的變化

2.2 異型建筑與立方體型建筑風壓對比分析

3類異型建筑模式3與模式1的CP差異最大,在兩面開洞時(模式3),洞口上、下緣存在驟增和驟減現象。模式3下,3類異型建筑與立方體型建筑在z=5 m處的水平剖面風速流線圖如圖13所示。

立方體型建筑兩面開洞時,進入迎風面洞口的一部分氣流,直接穿過建筑匯入尾流,造成此區域氣流復雜流動[16]。兩面開洞時,3類異型建筑水平剖面風速流線與立方體型建筑類似,但由于存在凸出或凹進區域,易產生氣旋,氣流對3類異型建筑的撞擊作用較立方體型建筑的相同區域嚴重。

模式3下,4類建筑迎風面豎直中線、橫向中線處外表面CP對比如圖14所示。

由圖14a可知:兩面開洞時,凹型建筑與L型建筑洞口上、下緣的CP均低于立方體型建筑,在洞口下緣CP出現最小值,分別為0.673、0.713;T型建筑洞口下部CP呈先降低后增高再降低的趨勢,與立方體型建筑洞口下部CP分布相似,在洞口上部CP高于立方體型建筑;4類建筑最大CP均出現在7.4 m高度處;凹型建筑與L型建筑洞口上、下緣CP差值較大,分別為0.288、0.255,高于立方體型建筑洞口上、下緣CP差;T型建筑洞口上、下緣CP差值為0.137,低于立方體型建筑洞口上下緣CP差。

由圖14b可知:兩面開洞時,凹型、L型和立方體型建筑均在洞口附近出現CP驟減現象,結合圖13分析可知,來流風在轉角處產生吸力,導致異型建筑洞口CP相較于立方體型建筑降低,其中L型建筑相比于立方體型建筑降幅最大,最大降幅達20.0%;經過T型建筑的來流風在轉角處形成渦旋,導致轉角處CP驟減,其相對于立方體型建筑降幅達24.9%。

3 結 論

本文以3類異型低矮建筑為對象,研究洞口設置方式對建筑內外表面風壓系數分布的影響,并與立方體型建筑進行對比,得到以下結論:

2) 在迎風面豎直中線位置,3類異型建筑迎風面(A2面)無洞口時,外表面CP分布趨勢大致相同,沿高度均呈先減小后增大再減小的趨勢;單面開洞時,CP與無洞口時接近;兩面開洞時,洞口上、下緣存在CP驟增、驟減現象。在迎風面橫向中線位置,3類異型建筑5種洞口模式下外表面CP呈大致相同的分布趨勢;凹型、L型建筑迎風面橫向中線處開洞模式外表面CP與封閉模式差別不大,僅在洞口附近略有差異;T型建筑單面雙開洞時,洞口之間的CP低于封閉模式,洞口兩側的CP則高于封閉模式。

3) 在屋面中線位置,3類異型建筑除兩面開洞外,其他開洞模式較封閉模式,建筑屋面內外風壓合力下合風壓系數CP增大,其中單面開洞增幅最大,凹型、T型和L型建筑CP平均增幅分別為348.6%、493.6%、250.7%;兩面開洞時,從總體看,CP降低。

4) 在模式3下,凹型和L型建筑在洞口附近,迎風面豎直中線和橫向中線處外表面CP低于立方體型建筑;T型建筑在洞口上部CP高于立方體型建筑,經過T型建筑的來流風在轉角處形成渦旋,導致轉角處CP驟減。