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下击暴流作用下平屋面风荷载CFD数值模拟
第37卷第1期
北 京 交 通 大 学 学 报
Vol.37No.1文章编号:13)01-0140-05下击暴流作用下平屋面风荷载CFD数值模拟陈 波,贾宇,田 晨(北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044)摘 要:下击暴流具有与常规大气边界层近地风完全不同的风场特征.基于CFD(Computationalfluiddynamics)数值仿真技术,完成了几何缩尺比为1B2000的下击暴流过程的数值模拟,并将其风剖面的模拟结果与理论模型进行了对比.在此基础上,研究在下击暴流作用下,将大跨平屋面置于距下击暴流中心不同径向位置时,屋面平均风压系数和速度场的分布规律,并与大气边界层风场中平屋面的风荷载特性进行了对比.结果表明:数值模拟方法能够较好地再现下击暴流的风场特性;下击暴流风场中平屋面风压分布规律明显区别于大气边界层风场中的风压特性;平屋面风压分布特性与其距下击暴流中心的距离密切相关,随着平屋面逐渐远离下击暴流中心,屋面所承受的压力逐渐由正压转为负压.关键词:下击暴流;平屋面;CFD数值模拟;风压系数中图分类号:TU31211
文献标志码:ACFDnumericalsimulationofdownburstwindeffectonflatroofsCHENBo,JIALuyu,TIANChen(SchoolofCivilEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)Abstract:Windprofilesandcharacteristicsinthunderstormdownburstaresignificantlydifferentfromtheregularboundarylayerwinds.Basedonthecomputationalfluiddynamics(CFD)commercialsoft-ware,thunderstormdownburstissimulatedinthe1B2000geometryscales,andtheresultsarecom-paredtothetheoreticalmodel.Effectsonmeanpressurecoefficientsofthedistancefromtherooftothecenterofthedownburstareinvestigatedbyplacingflat-roofsatdifferentradiallocations.Pressurecoefficientsandflowvelocityaroundtheroofareanalyzedandcomparedtotheresultsintheboundarylayerwinds.Theresultsshowthatnumericalsimulationscanappropriatelyreproducethewindprofilesandcharacteristicsofthedownburst.Thepressurecoefficientdistributionofflat-roofsinthethunder-stormdownburstisobviouslydifferentfromthatintheboundarylayerwinds.Thepressurecoefficientdistributiondependsonthedistancebetweentheflat-roofandthecenterofthethunderstormdown-burst.Thepressureoftheroofgraduallychangesfrompositivevaluetonegativewhentheflat-roofismovedawayfromthecenteroftheimpingingjet.Keywords:CFDwindpressurecoefficient下击暴流是一种极具破坏性的强风荷载[1],该风场是在雷暴天气中产生强烈的下沉气流,在猛烈冲击地面后,由撞击点向四周沿地表传播,经过一段距离后又产生回流.下击暴流所产生的风场,尤其在冲击地面位置的附近,同大气边界层的近地风有着显著的差异[2].中国、美国、澳大利亚、日本、南非等
收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目();中央高校基本科研业务费专项资金资助(2011JBM270);北京市自然科学基金资助项目(8112023)().第1期
陈 波等:下击暴流作用下平屋面风荷载CFD数值模拟国家和地区,都出现过由于下击暴流而造成建筑物和输电线塔破坏的情况[3].目前,对下击暴流的研究已经成为国际风工程领域的一个热点问题,大多数研究者所采用的研究方法包括风场实测、理论研究、风洞试验及数值模拟4种方法.由于下击暴流产生的随机性及自身流场的复杂性,使得对下击暴流风的风场实测和实验室物理模拟存在诸多困难[6].然而随着计算机水平的飞速发展,CFD(Computationalfluiddynamics)数值仿真技术得到了广泛的应用,使之成为研究下击暴流的一种重要手段.Nichols[4]采用二维LES模型对下击暴流风场中的建筑物进行了数值模拟.Sen-gupta和Sarker研究了不同的湍流模型在下击暴流仿真中的适用性.瞿伟廉[6]基于雷诺平均Navier-Stokes方程,进行了下击暴流风场的非定常数值模拟.目前的研究工作,更多的是对下击暴流风场的试验与模拟,但是对下击暴流作用下屋盖表面的风荷载特性研究仍十分少见.基于以上考虑,[5][4-5]图1 JAWS中典型的下击暴流速度剖面[7]Fig.1 Windvelocityprofileofdownburst112 下击暴流的理论模型下击暴流风荷载的理论模型参照大气边界层中风荷载相似方法,同时考虑下击暴流的非平稳性,将风荷载写成随时间变化的平均和脉动部分之和[2],即U(z,t)=??U(z,t)+u(z,t)(1)式中:U??(z,t)为随时间变化的平均风速;u(z,t)为脉动风速,是一个零均值的随机过程.与大气边界层近地风不同的是,下击暴流荷载时程是一个非平稳的随机过程.下击暴流平均风速??U(z,t)是指风速时程在一定时距范围内的平均值,是一种瞬时平均的时变过程.对于平均风速部分,Chen[9]提出下击暴流风场中某一固定位置z高度处的平均风速可以表示为一个最大平均风速与一个时间函数的乘积,即U(z,t)=V(z)f(t)??(2)式中:V(z)为最大平均风速的竖向分布函数;f(t)为最大值为1的时间函数.对于式(2)中的最大平均风速V(z),V-icroy[10]、Oseguera[11]、Wood[12]分别提出了3种最大平均风速模型,与近地风平均风速的比较见图2.1 下击暴流的风场特性111 基本特性-6]根据国内外的研究[5,下击暴流风场具有以下基本特征:1)尺寸特征.下击暴流的初始喷射入口直径一般在400~4000m之间,喷射入口距地面的高度一般为初始喷射入口直径的倍.2)速度特征.下击暴流的风速一般在10~30m/s,最大值曾达到过67m/s.Hjelmfelt给出了一个典型下击暴流风速剖面,如图1所示,其中Vmax,Rmax,zmax分别表示下击暴流中的最大速度、出现最大速度位置点离下击暴流中心的水平距离,以及竖向地面高度.下击暴流风剖面中的最大风速出现在距地面50~500m的高度范围内,当风速达到最大值后,又随着高度的增加而迅速下降,与传统的大气边界层近地风速随高度的增加而增加这一特性显著不同.3)随机特征.下击暴流的发生不仅在地域上具有
[7]图2 下击暴流最大平均风速与普通风场近地风[8]Fig.2 Meanvelocitybetweendownburstandordinaryatmospherewind图2,其中地面粗糙度指数为0112.北 京 交 通 大 学 学 报
第37卷015Djet~0175Djet范围内,冲击气流经过由上而下的流动发展,速度较喷射初速有所减弱;在r=1Djet~2Djet范围内,出现旋涡脱落和再生,地面风速达到最大;r=3Djet处,速度开始下降.2 下击暴流的数值模拟211 几何模型模拟过程中,采用文献[6]中的初始条件,喷射条件为:喷射初速度为Vjet=29m/s,喷射初始直径Djet=600m.几何缩尺比例为1B2000,速度缩尺和时间缩尺分别采用1B3和1B1000,雷诺数Re=VjetDjet/M=200000,其中M为空气运动黏性系数.采用3D场模拟,考虑到风场模拟的尺寸影响和湍流的充分发展,计算域取半径R=15Djet,高H=10Djet的范围,初始喷射入口位置到地面距离为4Djet.喷射入口条件为:Vjet=916m/s,湍流强度为1%,水力半径=1Djet.采用增强壁面处理模型,零剪应力的滑移壁面,滑移壁出口条件为出流.图3为计算域示意图
.图4 三维场的速度流线剖面图Fig.4 3-dimensionalvelocitystreamline图5 不同径向位置处的风剖面Fig.5 Windvelocityprofilefordifferentdistancesfromcenter3 下击暴流作用下的平屋面风压特性311 大气边界层风场中的平屋面风压特性图3 三维计算域示意图Fig.3 3-dimensionalcomputationdomain为了更好地比较在下击暴流与大气边界层风场中平屋面风压特性的变化规律,先对大气边界层风场中的平屋面特性进行了数值模拟.目前,对大气边界层中平屋面风荷载的数值模拟,国内外已有大量学者开展了相关研究,将其结果与风洞实验进行了对比分析,证明了该方法的可行性.在大气边界层风场中的风荷载数值模拟中,建筑物的尺寸为300m(D)@300m(D)@80m(H),计算区域为16D@12D@10H的三维长方体区域.在建筑物表面和壁面采用非结构网格,建筑物与壁面之间采用结构网格.入口条件采用指数律平均风剖面经验模型,B类地貌,来流风的湍流强度采用日本规范建议的湍流强度公式,湍流模型选择剪切应力输运(SST)k-X模型,出口选择充分发展出流面.计算域侧壁及顶面选择自由滑移壁面,地面及建筑物表面选择无滑移壁面.图6和图7即为大气边界层风场中平屋盖的平均风压系数分布图和流线分布212 风场模拟结果分析所模拟的三维下击暴流风场速度流线如图4所示(该图为通过三维风场中心的一个剖面).比较图4与图1中JAWS下击暴流速度流线图可以看出,数值模拟方法基本模拟出了下击暴流风场的速度流线变化趋势,下沉气流由入口喷射进入风场,在撞击地面后沿径向位置产生涡流,并且产生了回流现象.图5给出了三维风场中离风场中心位置r=015Djet、r=0175Djet、r=1Djet、r=115Djet、r=2Djet和r=3Djet的6个水平位置,在高度为0~2400m时均化的径向速度剖面.其中,竖轴是数值模拟场高度,其几何缩尺比为1B2000.可以看出:下击暴流的最大径向风速出现在贴近地面的高度处,在离地高度大约为100m处速度迅速增大,其分布规
陈 波等:下击暴流作用下平屋面风荷载CFD数值模拟图6 平屋盖平均风压系数分布图Fig.6 Meanpressurecoefficientsofflatroof
图7 平屋盖置于大气边界层风场Fig.7 Flowfieldaroundflatroofinatmosphereboundarylayer312 下击暴流作用下的平屋面风压特性在下击暴流三维风场数值模拟的基础上,在下击暴流中心径向距离为r=0Djet、r=015Djet、r=1Djet、r=115Djet、r=2Djet和r=3Djet的6个位置分别布置了300m@300m@80m的大跨度平屋盖.当距离大于3Djet距离时,下击暴流径向速度显著减小,故不做分析.图8给出了这6种情况下,屋面平均风压系数的分布规律.计算风压系数时,参考风速取空流场中距喷射入口1Djet位置檐口高度处的最大径向风速815m/s(从图1中可以看出,此位置的径向风速最大
).图8 下击暴流下屋面平均风压系数分布Fig.8 Meanpressurecoefficientsofflatroofindownburst从图8可以看出,屋面平均风压系数分布规律与屋盖距下击暴流中心的距离密切相关,这一分布特征与图9给出的屋盖周围速度场分布特性一致,随着距离的增大,其速度场分布近似于大气边界层中平屋面的速度场(图7所示).图10给出了屋面整体风压系数与屋盖距下击暴流中心距离的变化规律.可以看出,随着距离的增大,屋面整体风压从风压力逐渐过渡到风吸力,0Djet距离时,屋面受到较大的风压力,这与大气边界层中的平屋面风特性存在显著区别,此时的风荷载作用方向与结构自重等竖向荷载方向一致,易导致屋盖结构处于不安全的状态.
北 京 交 通 大 学 学 报
第37卷图9 平屋盖置于(0~3Djet)径向位置Fig.9 Flowfieldaroundrooffor(0~3Djet)
distance10thInternationalConferenceonWindEngineering,Copenhagen,Denmark,15.[4]NichollsM,PielkeR,MeroneyR.Largeeddysimulationofmicroburstwindsflowingaroundabuilding[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics,:229-237.[5]AnindyaSengupta,ParthaPSarkar.Experimentalmea-surementandnumericalsimulationofanimpingingjetwithapplicationtothunderstormmicroburstwinds[J].Journal图10 屋盖整体风压系数变化规律图Fig.10 MeanpressurecoefficientsforwholeroofofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics,):345-365.[6]瞿伟廉,吉柏锋,李健群,等.下击暴流风的数值仿真研究[J].地震工程与工程振动,):133-139.QUWeilian,JIBaifeng,LIJianqu,etal.Thestudyonnu-mericalsimulationofdownburstwind[J].JournalofEarth-quakeEngineeringandEngineeringVibration,):133-139.(inChinese)[7]HjelmfeltMR.Structureandlifecircleofmicroburstout-flowsobservedinColorado[J].JournalofAppliedMeteo-rology,):900-927.[8]瞿伟廉,王锦文.下击暴流风荷载的数值模拟[J].武汉理工大学学报,):70-74.QUWeilian,WANGJinwen.Numericalsimulationofdownburstwindloads[J].JournalofWuhanUniversityofTechnology,):70-74.(inChinese)[9]ChenL,LetchfordCW.Adeterministic-stochastichybridmodelofdownburstsanditsimpactonacantileverstruc-ture[J].EngineeringStructures,):619-626.[10]VicroyDD.Assessmentofmicroburstmodelsfordown-draftestimation[J].JournalofAircraft,):.[11]OsegueraRM,BowlesRL.Asimpleanalytic3-dimen-sionaldownburstmodelbasedonboundarylayerstagna-tionflow[R].LangleyResearchCenter,1988.[12]WoodGS,KennyCSKwok,MotteramNA,etal.Physicalandnumericalmodelingofthunderstormdown-bursts[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics,):532-552.4 结论1)数值模拟方法能够再现三维下暴击流的风场特性,其流线分布显著区别于大气边界层风场特性.2)在下击暴流风场中,对于距喷射入口不同径向位置处的大跨平屋盖,随着建筑物逐渐远离喷射入口,屋面所承受的平均风荷载逐渐由正压转变为负压.当建筑物位于距喷射入口径向位置小于1Djet时,屋盖整体受到较大正压力,最大值出现在0Djet位置,屋盖平均风压系数为0171;当建筑物位于1Djet至2Djet之间时,屋盖整体受到风吸力,但风吸力较小;当建筑物位于3Djet位置时,屋盖整体受到较大的风吸力,最大值出现在3Djet位置,平均风压系数为-0186.参考文献(References):[1]FujitaTT.Downburst:Meteorologicalfeaturesandwindfieldcharacteristic[J].JournalofWindEngineeringandIn-dustrialAerodynamics,-86.[2]ChenL,LetchfordCW.Mult-iscalecorrelationanalysisoftwolateralprofilesofful-lscaledownburstwindspeeds[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics,):675-696.[3]HolmesJD.Modelingofextremethunderstormwindsforwindloadingofstructuresofstructuresandriskassessment[C]/of
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顾磊，潘亮，齐宏拓著
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