典型低矮双坡房屋并列干扰的数值模拟研究

陈智伟

广州大学土木工程学院广东广州510006

摘要：基于Fluent15.0软件平台，采用RNGk−ε湍流模型对广东沿海地区中一类典型的低矮双坡房屋在0°风向下进行双并列干扰效应数值模拟研究。结果显示：两个低矮双坡房屋并列布置，存在明显干扰效应，各个部位的干扰效应不同，靠近施扰建筑物的屋角和纵墙干扰最大。该结果可以为我国沿海受台风影响地区的这类低矮双坡房屋抗风设计提供一些建议。

关键词：数值模拟；并列干扰；低矮房屋

引言

多次风灾调查结果显示[1]：低矮双坡屋面房屋的破坏主要是从屋面的局部破坏开始的。双坡房屋是东南沿海乡村常见的一种代表建筑，而且通常是成群存在的，这导致周围建筑物对其风荷载具有气动干扰效应。所以在大气边界层风洞内进行双坡低矮民房的干扰效应研究具有十分重要的意义。建筑物间干扰效应的研究始于20世纪70年代[2-4]。而且目前只有很少人研究了周边低矮建筑对被包围低矮建筑风荷载的影响。针对这种情况，本文化进一步采用数值模拟方法研究并列布置下低矮房屋之间的干扰效应随建筑间距变化的规律。

本文基于Fluent15.0软件平台和RNGk−ε湍流模型，对一类典型并列低矮双坡房屋进行数值模拟，主要分析了纵墙和屋面风压系数随干扰距离变化的规律。

1低矮双坡房屋的并列干扰数值模拟

1.1数值模拟方法

由于实际建筑物的外形比较简单，采用ANSYSICEMCFD（ICEM）按照实际尺寸建立几何实体模型。计算流域取为300(X)×100m(Y)×60m(Z)，流域的设置满足计算模型的阻塞率小于3%。并将模型放在沿流动方向的三分之一处，以尽量消除计算域对所关心模型附近流态的影响。

在本次模拟中整个流域采用六面体网格，建筑物表面较密，而且在模型附近和流体变化明显的地方对网格加密，模型表面大部分网格尺度在0.1m。

1.2边界条件设置

湍流度剖面采用了日本规范：

（1）

式中：B类地貌下，，;为梯度风高度，取350m；在入口设置中湍动能k和湍流耗散率，取：

（2）

（3）

式中：是湍流尺度，风剖面（u）、湍动能（k）和湍流耗散率()通过Fluent15.0软件中的UDF编程与Fluent作接口来实现；出口采用完全发展的出口边界条件；地面和结构表面采用无滑移的边界条件(no-slipwall)；流域顶部及流域两侧设置为对称边界条件（Symmetry）。y+值处于30～300之间。迭代计算的收敛标准为所有变量以及各个无量纲残差降到10-5；本文采用RNGk-湍流模型。

2数值模拟结果

在本次数值模拟中选择了干扰距离为1m，3m，5m，7m，9m，11m，13m等7种具有代表性的工况进行数值模拟分析。图1给出了纵墙其中三个典型测点风压系数随干扰距离的变化规律。为了准确地估计纵墙的风压变化规律，所选取的三个典型测点是从上游到下游均匀分布，测点1靠近迎风山墙的边沿，测点2处于纵墙的正中心，测点3位于靠近背风山墙的边沿；三个测点位置在图中标出。从图中可以看出靠近迎风山墙的典型测点1的干扰效应是最大的，无干扰的时候测点风压系数为-0.7，当施扰建筑物存在以后，干扰距离为1m的时候，风压系数剧增为-2.35，然后随着干扰距离的增加，风压系数渐渐变小，并且随着干扰距离的增大，变化幅度在减少，当干扰距离达到9m时风压系数基本就与无干扰时候情况一致；即使干扰距离继续增大，风压系数仅在-0.7附近波动。对于典型测点2和典型测点3，从图中可以看出，无论施扰建筑物存不存在，对风压系数影响不大，测点2的风压绝对值比测点3的风压绝对值稍微偏大，这符合从前到后风压依次递减的规律。

图2给出了屋面三个典型测点风压系数随干扰距离变化，三个测点位置同样在图中标出。屋面具有和纵墙C类似的变化规律。对于典型测点1，在有无施扰建筑物的时候风压系数变化最大，当无干扰建筑物存在时候，风压系数为-1.2，干扰建筑存在以后，当干扰距离为1m的时候，风压系数达到了-1.7，然后随着干扰间距的增大，风压系数开始变小。当干扰距离为9m的时候，风压系数值基本与无干扰工况相同了，而且随着干扰距离继续增大，风压系数值仅在-1.2附近波动。典型测点2和典型测点3的风压系数变化不大，测点2的风压绝对值比测点3的风压绝对值稍微偏大；测点2为-0.25，测点3为-0.2，有无施扰建筑物对着两个典型测点的风压基本无影响。

图1纵墙典型测点风压系数随干扰距离变

图2屋面典型测点风压系数随干扰距离变化

3结论

本文首先采用基于Reynolds时均RNGk-湍流模型对广东沿海一带一类比较典型的低矮建筑双坡房屋进行双并列干扰效应数值模拟，主要分析了纵墙和屋面风压系数随干扰距离变化的规律。通过分析可以得到以下结论：

当两个低矮双坡房屋并列布置时候，存在很明显的干扰效应，而且各个部位的干扰效应不同，靠近施扰建筑物的屋角和纵墙干扰最大。

本文仅仅针对双并列布置情况进行了数值模拟，而在广东沿海一带这种低矮双坡房屋通常是一片一片的存在，对其群体风效应进行研究是以后的一个方向。

参考文献

[1]宋芳芳.几类风灾易损建筑台风损伤估计与预测[D].哈尔滨工业大学,2010.

[2]SakamotoH,HaniuH.Aerodynamicforcesactingontwosquareprismsplacedverticallyinaturbulentboundarylayer[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics,1988,(31):41-66.

[3]TaniikeY.Interferencemechanismforenhancedwindforcesonneighbouringtallbuildings[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics,1992(41-44):1073-1083.