3下击暴流作用下TTU标准低矮建筑风场数值模拟.doc

下击暴流作用下低矮建筑风荷载特性数值研究 王鑫( 吉柏锋 谷倩 (武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430072) 摘要 下击暴流为雷暴天气中强下沉气流猛烈冲击地面后形成的并沿地面传播的近地面短时强风, 风场特征同传统的大气边界层近地风有显著不同。本文基于计算流体动力学对大气边界层中TTU(Texas Tech University)标准低矮建筑的定常风场进行了数值模拟，并将计算结果与场地实测数据及同济大学TJ-2风洞关键词 下击暴流；TTU；风荷载特性；计算流体动力学 Numerical study wind load characteristics of low building under downburst WANG Xin( JI Baifeng GU Qian (1.School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan University of Technology,Hubei Wuhan 43007，China；2.School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan University of Technology,,Hubei Wuhan 430072，China) Abstract：Keywords：[4]与同济大学TJ-2风洞试验结果[5]，通过数值计算将平均风压的数值模拟结果和模型试验测量数据进行比较，说明CDF数值模拟对于风与建筑共同作用具有可行性。 2.1 计算域及网格 计算域上游5L，下游10L，竖直方向10H，宽度为9B。其中 L为模型在流向方向的长度，B 为模型的宽度，H 为模型的高度。流域阻塞率小于3%，满足要求。 模型几何形状简单，因此采用六面体结构化网格对流域进行离散。在模型表面和附近对网格加密，网格总数达239万。 图2.1 TTU建筑的实际尺寸及风攻角(单位:mm) a整体 b局部放大 图2.2 计算域及网格划分 2.2 边界条件及求解参数 进流面给定速度进流边界条件（velocity inlet）；出流面采用完全发展出流（outflow）边界条件；流域顶部与两侧采用对称（symmetry）边界条件；建筑物表面和地面采用无滑移壁面（wall）条件。在求解器设定中，采用定常压力基求解；控制方程非线性对流项采用QUICK格式离散，对于与流动方向对齐的结构网格而言，QUICK格式可产生比二阶迎风格式等更精确的结果；采用Realizable 模型；使用标准壁面函数（standard wall functionsAIJ （Architectural Institute of Japan，本次数值比较的参考依据是：90度风向角工况下，以中线标志点的平均风压系数及屋顶平面分块风压系数作为衡量。风压参考高度为屋顶高度4m。将计算结果与TTU实尺模型现场实测数据（Levitan and Metha 1991）以及同济大学TJ-2风洞试验数据进行对比以对数值计算结果做出评价。量纲为一的平均风压系数Cp以模型顶部高度H处来流动压作为无量纲化的参考风压，其计算式为： 由图2.3，将Realizable 模型所得到的测点平均风压系数与现场实测数据以及TJ-2风洞试验数据虽有部分偏差，但拟合程度较高，说明模型建立正确，所选择的Realizable模型比较适用。 3 下击暴流作用下TTU标准低矮建筑风场数值模拟 本节主要对下击暴流作用下TTU标准低矮建筑风场进行分析，得到下击暴流作用下低矮房屋的风场特征，同时通过设置距离下击暴流冲击地面中心不同距离的两个建筑模型，得到位置关系对特征现象的影响，并对低矮建筑如何防止在下击暴流作用下发生破坏提出建议，为实际建筑提供借鉴和参考。 3.1 下击暴流的数值模型 目前从结构风工程角度开展的下击暴流数值模拟主要依据两个基本的风场模型，即为环涡模型和冲击射流模型[6]。基于冲击射流模型开展了许多下击暴流物理模拟试验，同时结果也表示该模型同时测数据吻合，所以选用冲击射流模型。 基于冲击射流模型的下击暴流数值模拟的边界条件通常设置如表3.1所示。 表3.1 边界条件 边界类型 边界条件 速度入口 湍流强度=1％，水力直径=Djet 壁面 增强壁面处理模型 压力出口 回流湍流强度=1％，水力直径=Djet 滑移壁面 零剪应力 计算入口采用速度入口的边界条件（elocity-inlet）在地面采用壁面（wall）边界条件在计算域的上面和侧面边界采用压力出口（pressure-outlet）边界条件下沉气流的上侧边界采用滑移壁面（wall）边界条件采用直接定义壁面零