基于大涡模拟的平屋盖锥形涡数值分析研究.docx

基于大涡模拟的平屋盖锥形涡数值分析研究摘要：采用大涡模拟（LES）对平屋盖建筑受45°风向角作用下的表面风荷载问题进行了非稳态数值模拟分析.通过与风洞试验结果的对比得出大涡模拟能较好地捕捉到建筑物顶面出现的锥形涡及其特性.在此基础上研究了锥形涡作用下建筑物顶面平均风压与脉动风压的分布以及加设分隔挡板和不同高度的女儿墙对屋面风压分布和旋涡强度的影响.研究结果表明基于Q准则的旋涡判别法可以较好地识别斜风向下屋面形成的锥形旋涡；在背风区锥形涡与侧面脱体涡相互作用并脱落其影响将反馈至屋面旋涡上导致屋盖两个锥形涡强度以屋面对角线为轴交替波动此消彼长；屋面女儿墙的存在使得两个锥形涡之间的间隙变窄旋涡足迹变阔且屋面峰值吸力随女儿墙高度的增加而迅速减小.关键词：大涡模拟；锥形涡；Q准则；交替波动；女儿墙中图分类号：TU247.1；TU973.32文献标识码：A文章编号：1674-2974（2015）11-0072-08当风以一定的角度吹过建筑物表面时会产生复杂的流动结构包括在屋顶角部的锥形涡和在背风侧面的脱体涡等.在建筑物屋面产生的锥形涡会产生很大的负压区从而使建筑物屋面等部位承受很大的压差力.相关实测[1-2]及风洞试验[3]研究表明低矮房屋在屋盖迎风角部和迎风前缘会遭受强风吸力作用.而风灾调查[4]也显示强风造成的房屋破坏主要集中在低矮房屋的屋面角部、屋檐边缘和屋脊等部位.综上可知锥形涡的存在是强风地区建筑物受破坏的主要原因之一.考虑到建筑物屋顶锥形涡的重要性国内外很多学者基于风洞实验对锥形涡进行了研究.Kawai[5]利用速度测量得出了建筑物顶部锥形涡的具体结构（45°风向角下）发现均匀层流下的锥形涡强度强于湍流下锥形涡的强度两个锥形涡交替生成、耗散引起了表面压力沿对角线不对称的脉动；Banks等[6]通过风洞试验和对TTU建筑的现场实测运用流场可视化技术研究发现在均匀层流作用下涡核处最大吸力的大小与锥形涡的大小成反比而对于湍流作用下的屋顶最大吸力与锥形涡的大小并没有类似的关系；Kawai[7]通过风洞试验指出屋面局部负压峰值的出现和在一定风向角下屋面形成巨大强烈的锥形涡有关并分析了在湍流作用下产生局部负压峰值的条件同时还探讨了改变屋檐结构形状来减少负压峰值的方法.国内方面陈学锐等[8]通过风洞试验研究了在锥形涡诱导下建筑物顶面风荷载的特性给出了在不同风向角下压力分布的结果分析了产生的原因和流动机理以及建筑物顶面的分离流动结构并指出锥形涡的出现是建筑物顶面局部出现峰值负压的主要原因.相对于诸多锥形涡的风洞试验研究有关锥形涡的数值模拟研究较少年等[9]以及陈青松[10]利用流体力学计算软件FLUENT选择v2-f湍流模型对40°风向角下建筑物顶面锥形涡的演化、强度和位置与建筑物表面压力分布进行了分析.此外还模拟分析了风向角和建筑物高度对屋顶锥形涡的影响.随着计算机技术、数值计算和湍流模拟技术的发展采用数值方法对建筑物绕流进行数值模拟更为简捷、经济同时还可以得到某些风洞实验和现场实测不能观测到的结果.本文利用数值模拟的优势对长宽高比为1∶1∶0.5的建筑模型进行了大涡模拟（LES）研究通过数值的可视化处理模拟了以Q准则识别的锥形涡结构并重点分析了45°风向角下屋顶两锥形涡强度的非稳定的波动特性.此外本文也进行了有女儿墙的平屋盖模型的大涡模拟探讨了女儿墙的存在及高度变化对屋面风荷载分布的影响以及对屋面锥形涡的结构和其他特性的影响.1数值风洞1.1大涡模拟方法本文选用大涡模拟进行CFD数值计算[11-12]其原理是将流动中的旋涡分成大涡和小涡对大涡进行直接求解对小涡采用亚格子尺度模型进行计算.大多数亚格子模型都是在涡粘性的基础上把脉动的影响用一个湍流粘性系数μ.t来表示.根据各亚格子模型的特点本文采用一方程亚格子模型来求解.本文计算流域网格划分采用Hexcore型非结构化网格由TGrid网格软件划分而成.建筑模型表面及计算域地面附加边界层以便更加准确地模拟近壁面区的流动.通过多次试算最终确定的网格最小尺度为0.0005h网格总数在90万左右.经计算壁面网格无量纲高度y+≤3（y+=ρuy/μ）.对LES计算来说近壁面网格的疏密对于模拟的计算结果影响相对较大近壁面网格越密对壁面流动的描述越好而亚格子模型的影响相对较小.LES湍流模型要对壁面边界层进行完全求解网格要求是y+≈1.本文的y+虽略大于1但通过采用增强型壁面函数LES湍流模型的结果能满足壁面湍流的处理要求可保证结果的可靠性.本文模拟均匀流场入口切向速度为零只有法向速度.为了方便与前人的风洞试验结果做对比入口速度设为15m/s（建筑雷诺