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International Journal of Fluid Dynamics
流体动力学
, 2016
,
4(2)
,
27-31
Published Online
June
2016
in
H
ans. http://www.hanspub.org/journal/
ijfd
http://dx.doi.org/10.12677/ijfd.2016.42004
文章引用
:
刘军龙
,
代晶辉
.
高层建筑间风荷载气动干扰的数值模拟研究
[J].
流体动力学
, 2016,
4(2
):
27-31.
http://dx.doi.org/10.12677/ijfd.2016.42004
Wind Load Aerodynamic Interference
between
Two Tall Buildings Based
on the Numerical Simulation
Junlong Liu
1,2
, Jinghui
Dai
3
1
Heilongjiang Construction Engineering Group Co. Ltd
.,
Harbin Heilongjiang
2
Heilongjiang Construction Technique Development Centre
,
Harbin
Heilongjiang
3
School of Energy and Civil Engineering, Harbin
University of Commerce,
Harbin Heilongjiang
Received
:
Jun. 8
th
, 2016; accepted: Jun.
25
th
, 2016; published: Jun.
28
th
, 2016
Copyright © 2016
by authors and
Hans Publishers
Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Abstract
The
wind load between
two
tall
tand em
bu ildi ngs
was
investigate
d
based on CFD numerical simu-
lation i
n this paper
. T
he pressure distribution and the characteristics
of flow field
around two
high-
rise buildings in tandem arrangement
were
analyzed compared
with
the calculation results
with
monomer building, which revealed that the
upstream construction
had a
small disturbance. But,
the downstream construction was largely
affected by
the
upstream building, especially
for
the
drag.
Keywords
Tall Buildings, Aerodynamic Disturbance, Numerical Simulation
高层建筑间风荷载气动干扰的数值模拟研究
刘军龙
1,2
,
代晶辉
3
1
黑龙江省建设集团有限公司,
黑龙江
哈尔滨
2
黑龙江省建设技术发展中心,
黑龙江
哈尔滨
3
哈尔滨商业大学,能源与建筑工程学院,黑龙江
哈尔滨
刘军龙,代晶辉
28
收稿日期:
2016
年
6
月
8
日;录用日期:
2016
年
6
月
25
日;发布日期:
2016
年
6
月
28
日
摘
要
本文通过
CFD
数值模拟两栋前后串列的高层建筑之间的风荷载气动干扰,并对高层建筑附近压力分布以
及流场特性进行分析。通过与单体建筑的计算结果进行对比发现,串列的两高层建筑,上游建筑受干扰
小,而下游建筑受上游建筑的影响显著,尤其是顺风向阻力作用。
关键词
高层建筑,气动干扰,数值模拟
1.
引言
随着社会经济的发展,人口数量的增加,土地资源的日趋紧张,高层甚至超高层建筑的发展如雨后
春笋,如火如荼。然而,随着建筑高度的增加,结构刚度相对减小,加之轻质高强,小阻尼材料的应用,
使得建筑对风荷载的作用效应尤为敏感。
20
世纪中后期,研究者们对单个建筑的风荷载响应做了大量的
研究,为了解建筑截面形状对风荷载和响应的影响,
Hayashida
[1]
等人对不同截面形式的高层建筑分别进
行了高频测力天平试验和刚性模型测压试验。顾明
[2]
等人也对方形、矩形、三角形以及
Y
形等
10
多个
典型建筑截面模型进行了细致的刚性模型测压试验。
Lin
[3]
等人也对不同尺寸的长方形截面超高层建筑
进行了刚性模型测压试验,并指出在特定的宽厚比下,建筑所受风荷载达到最大值。
随着人们对单体建筑风荷载特性的深人了解,越来越多的研究者意识到相近的高层建筑之间风荷载
的相互影响同样十分显著。高层建筑间的风致干扰效应包括静力干扰效应和动力干扰响应。研究者们依
托风洞试验对邻近高层建筑的风荷载干扰效应进行研究发现:邻近高层建筑之间流场相互干扰,受扰高
层建筑的风荷载大小与单体建筑相比有很大差别,在某些情况下可能会远远大于单体时的风荷载,从而
引起抗风设计中的安全问题。楼文娟,孙炳楠
[4]
等人进行了高层塔楼间干扰效应的试验,发现整体试验
双塔的表面最大负压系数比单塔试验时增大约
23%
。当建筑物并列布置时,建筑物之间的干扰作用主要
是由
“
狭缝效应
”
引起的,对相邻建筑物的侧面风压影响比较大;而当建筑物串列布置时,主要表现为
“
遮挡效应
”
,一般对下游建筑物影响较大,对上游建筑影响较小。周鲁敏
[5]
通过数值模拟研究了串联
双塔超高层建筑之间的气动干扰效应,并对各风向角下的建筑表面压力系数做了详细分析。吴华英
[6]
等
人采用标准的
k
ε
−
模型计算了高层建筑表面的风荷载体型系数,研究了群体建筑的风荷载干扰效应。张
琪
[7]
等人通过
CFD
数值模拟研究了群体烟囱之间的风压分布情况,探索了烟囱群之间的风荷载干扰效
应。
2.
数值模型
本文通过
CFD
数值模拟研究前后串列的两栋高层之间的风荷载气动干扰。两栋矩形高层建筑大小、
型体完全一致,长
L =
50
m
,宽
B =
20
m
,高
H =
100
m
。前后净距为
100
米。计算域宽
1000
m
,长
4000
m (
上游
1000
m
,下 游
3000
m)
,高 为
500
m
,计算域横向阻塞比为
2%
,满足阻塞度的要求
(<5%)
,因 此 ,
边界壁面对建筑物附近流场的干扰可忽略不计,如图
1
所示。入口边界条件为速度入口
(Velocity Inlet)
,
采用均匀流,来流风速为
10
m/s
,出口采用
“
压力出口
”
,两侧与上部边界定义为
“
对称边界
”
,下部
边界与建筑物表面应
“
无滑移壁面
”
。计算域网格在建筑物附近进行加密处理,尤其是建筑物表面第一层
刘军龙,代晶辉
29
网格高度严格控制为
y+ <2
,网格由内到外逐渐增大,计算域网格总数约
500
万。网格质量
Determinant 3
× 3 × 3
检测
最小为
0.937
,网格最大长宽比
(
Aspect ratio)
小于
12.4
。
数值模拟的湍流计算模型采用
SST
-
k
ω
模型,它综合了
-
k
ω
模型在近壁区计算的优点和
-
ke
模型在远
场计算的优点,将
-
k
ω
模型和标准
-
ke
模型都乘以一个混合函数后再相加就得到这个模型。在近壁区,混
合函数的值等于
1
,因此在近壁区等价于
-
k
ω
模型,在远离壁面的区域混合函数的
值则等于零因此自动
转换为标准
-
ke
模型。与标准
-
k
ω
模型相比,
SST
-
k
ω
模型中增加了横向耗散导数项,同时在湍流粘度定
义中考虑了湍流剪切应力的输运过程,模型中使用的湍流常数也有所不同,这些特点使得
SST
-
k
ω
模型
的适用范围更广,比如可以用于带逆压梯度的流动计算和翼型计算等等。
3.
计算结果分析
图
2
为两串联高层建筑附近某一水平面的平均压力系数分布情况,与图
3
单一方形高层建筑相比,
上游建筑表面地压力变化不大,迎风面大面积正压分布,侧面与背风面三面均为负压。下游建筑表面的
压力发生了显著变化,由于下游建筑处于上有建筑的背风面负压区,以致下游建筑的迎风面正压区消失,
Figure 1.
The computational domain
of the
numerical model
图
1.
数值模型计算域
Figure
2
.
The m
ean pressure coefficient distribution of
the t
wo tandem
buildings
图
2
.
两串列建筑平均压力系数分布图
刘军龙,代晶辉
30
Figure
3
.
The mean pressure coefficient distribution
of the single building
图
3
.
单体建筑平均压力系数分布图
Figure
4
.
The vorticity distribution
on the middle height surface
图
4
.
建筑物一半高度处水平面涡量分布图
Figure
5
.
Time
-
averaged streamlines on
the middle height surface
图
5
.
建筑物一半高度处水平面时均流线图
甚至出现迎风面压强小于背风面压强,从而导致下游建筑的名平均阻力系数小于零。图
4
为高层建筑附
近尾流的涡量等值线图,从图中可以看出:由于下游建筑的阻碍作用,打破了原本应出现的“
2S
”尾流
漩涡模式。
图
5
为
建筑物一半高度处时均流线图,由于下游建筑物的阻挡,两建筑之间的尾流宽大,两侧
漩涡中心区相隔一定的距离。
图
6
为建筑中心立面时均流线图,结合
图
5
可以发现建筑附近三维流动明
显,
刘军龙,代晶辉
31
Figure
6
.
The time-
averaged streamlines
on the
center vertical
surface
图
6
.
建筑物中心立面时均流线图
排列规则的涡管难以形成。由于上游建筑尾流漩涡的影响,两栋建筑之间靠近下游建筑一端很大范围内
受下冲气流影响明显。另外,由于上游建筑尾流漩涡对能量的耗散,下游建筑的尾流中漩涡尺度与漩涡
强度明显减小。而由于下游建筑的阻挡,上游建筑尾流漩涡的发展也受到一定程度的限制。
4.
结论
通过数值模拟
计算,我们发现两栋前后串列的高层建筑
之间存在显著的风荷载气动干扰
。与单体建
筑相比,串列高层建筑附近压力分布以及流场特性发生力很大变化。上游建筑所受气动干扰较小,而下
游建筑受上游建筑的影响显著,尤其是迎风面的压力甚至出现了小于背风面压力的情况,从而致使顺风
向平均阻力作用为负。
参考文献
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