匡子佑，肖偉，楊瑪莎，徐洪勇

(廈門合道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 福建廈門 361002)

1 提出問題

圖1 海滄體育中心整體效果圖

海滄體育中心由主體育場、游泳館、綜合館、門球館等組成(圖1)。主體育場長軸 292m，短軸 200m，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋最高點(diǎn)高度為32m，由東西看臺組成，看臺最大懸挑32m(圖 2，圖 3)，體型呈現(xiàn)開敞橢球形。該屋蓋結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、柔性大，風(fēng)荷載為控制屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要荷載;同時(shí)，該結(jié)構(gòu)位于大氣邊界層中處于風(fēng)速變化大、湍流度高的區(qū)域，再加上屋面形狀多不規(guī)則，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中未規(guī)定對應(yīng)可查詢的風(fēng)荷載體型系數(shù)，規(guī)范建議該類風(fēng)荷載敏感的結(jié)構(gòu)宜通過風(fēng)洞試驗(yàn)確定體形系數(shù)。本文體育場為例，在風(fēng)洞尚未進(jìn)行的情況下，利用風(fēng)數(shù)值模擬求得風(fēng)荷載體型系數(shù)進(jìn)行初步設(shè)計(jì);在風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行之后，與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，分析數(shù)值模擬結(jié)果的精度和可靠性，探討數(shù)值風(fēng)洞的模擬方法和該結(jié)果用于初步設(shè)計(jì)的合理性。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 風(fēng)荷載數(shù)值模擬分析過程

圖2 體育場建筑效果圖圖3體育場結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

a.根據(jù)研究對象的幾何尺寸建立物理模型，確定計(jì)算流域的范圍，保證流域足夠大能消除邊界對研究對象的影響。

b.根據(jù)實(shí)際情況選擇合理的網(wǎng)格形式。

c.選擇基本方程并根據(jù)研究的問題和需要的精度，確定所需要的湍流模型。

d.空氣的相關(guān)參數(shù)的設(shè)定。

e.根據(jù)實(shí)際來流條件確定相應(yīng)的邊界條件。

f.根據(jù)求解精度的需要和促進(jìn)迭代計(jì)算收斂的需要，調(diào)節(jié)各項(xiàng)的控制參數(shù)，收斂標(biāo)準(zhǔn)等。

g.計(jì)算和求解，進(jìn)行迭代計(jì)算直至滿足收斂標(biāo)準(zhǔn)。

h.檢查結(jié)果，保存結(jié)果，如果結(jié)果不理想，還需要繼續(xù)調(diào)整網(wǎng)格，改變數(shù)值和物理模型。

2.2 數(shù)值模型選擇

本文數(shù)值模擬選用k－ε模型，壓力與速度耦合方式為simple算法，收斂精度取值0.00013，經(jīng)過計(jì)算，能夠較好的收斂。

2.3 模型建立

主體育場模型以全尺寸模型建立，模型中心位于地面長軸方向距離風(fēng)洞入口1/3處，計(jì)算域尺寸為長×寬×高為1500×1000×350m，網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量約為400萬(圖4、圖5)。

圖4 計(jì)算模型示意圖

2.4 邊界條件設(shè)置

入口風(fēng)剖面:

其中，μ1為垂直高度z位置的水平風(fēng)速，μ0為參考高度 z0位置的風(fēng)速;本工程數(shù)值模擬取值 μ0為 15m/s;本工程地面粗糙度為A類，故α取值為0.12。

湍流強(qiáng)度:

圖5 計(jì)算模型局部圖

zG取值為350m

壁面條件:

數(shù)值風(fēng)洞表面和側(cè)面采用自由滑移，壁面上速度為0。

出口條件:

出口位置認(rèn)為湍流已經(jīng)充分發(fā)展，沿流動方向沒有變化，即為勻速，故各變量法向?qū)?shù)為0。

3 結(jié)果分析

3.1 數(shù)字模擬結(jié)果特性分析

各風(fēng)向角下屋蓋及其周圍的整體的風(fēng)壓分布云圖如(圖6、圖7)所示，可以看出，體育場屋蓋主要受負(fù)壓作用，尤其在邊緣處局部負(fù)壓較大。對于該大懸挑屋面分析其在各個(gè)風(fēng)向下的風(fēng)壓分布，限于篇幅，本文取典型的0°和270°來 進(jìn)行分析。

0°風(fēng)向角時(shí)，即是風(fēng)從東側(cè)吹到西側(cè)，順著屋蓋長的方向。該方向上南北懸挑屋蓋表面風(fēng)壓分布規(guī)律大致相同，上表面為負(fù)壓，下表面也為負(fù)壓，上表面負(fù)壓絕對值略大于下表面負(fù)壓，上下疊加結(jié)果整體表現(xiàn)為負(fù)壓;南北懸挑屋蓋最大風(fēng)壓均出現(xiàn)在外邊緣處，且邊緣離風(fēng)入口最近處風(fēng)壓最大;由于南北懸挑屋蓋內(nèi)側(cè)邊緣處趨于平緩，體育場屋蓋為開敞結(jié)構(gòu)，該位置風(fēng)壓接近為0。

圖6 0°風(fēng)向平均壓力系數(shù)分布圖

270°風(fēng)向角時(shí)，即是風(fēng)從北側(cè)吹到南側(cè)，垂直于屋蓋長方向。該方向上南北懸挑屋蓋表面風(fēng)壓分布沿著南北中心線呈現(xiàn)左右對稱的規(guī)律，北懸挑屋蓋上下表面風(fēng)壓均為負(fù)壓，上表面負(fù)壓絕對值較大，外邊緣離風(fēng)入口最近處風(fēng)壓最大，體形系數(shù)達(dá)到約－3.7，從外邊緣到內(nèi)邊緣，風(fēng)壓梯度減小;南懸挑屋蓋由產(chǎn)生兜風(fēng)效應(yīng)，故而上表面風(fēng)壓為負(fù)壓，下表面風(fēng)壓為正壓，上表面負(fù)壓和下表面正壓絕對值均也較小，整體表現(xiàn)為向上的吸力。

3.2 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果簡介

圖7 270°風(fēng)向平均壓力系數(shù)分布圖(數(shù)值模擬)

本工程委托中國建筑科學(xué)院風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s尺比例為1:200(圖 8)，試驗(yàn)采用美國Scanlivalve公司最新的電子壓力閥掃描系統(tǒng)DSm3400對模型表面進(jìn)行平均和脈動壓力測量，試驗(yàn)風(fēng)速為15m/s，采樣時(shí)間為21s。從風(fēng)洞試驗(yàn)室提供的文本來看，數(shù)值模擬與之規(guī)律是一致的。

圖8 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

4 數(shù)字模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對比

4.1 結(jié)果對比

本文通過對風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行整理(圖9～13)，分別對比屋蓋中間大面積區(qū)域和邊緣突變處兩者風(fēng)壓體型系數(shù)數(shù)值的差異，結(jié)果見(表1)。

從(表1)對比可以看出，整體數(shù)值上來看，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果大于數(shù)值模擬結(jié)果。具體到各個(gè)位置，除部分風(fēng)壓絕對值小于0.5區(qū)域以外，屋蓋大部分區(qū)域兩者偏差均在25%以內(nèi)，誤差最大為270度風(fēng)攻角時(shí)的北懸挑屋蓋外邊緣處。

圖9 0°風(fēng)向平均壓力系數(shù)分布圖(風(fēng)洞試驗(yàn))

圖10 90°風(fēng)向平均壓力系數(shù)分布圖(風(fēng)洞試驗(yàn))

圖11 0°風(fēng)向平均壓力系數(shù)分布圖(數(shù)值模擬)

圖12 90°風(fēng)向平均壓力系數(shù)分布圖(風(fēng)洞試驗(yàn))

圖13 數(shù)據(jù)整理網(wǎng)格圖

表1 結(jié)果對比

4.2 誤差分析

a.模型誤差:體育場館幾何模型建模和網(wǎng)格劃分難度較大，計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力有限，模型不能建立得十分精確，計(jì)算時(shí)網(wǎng)格數(shù)量不能劃分得足夠精細(xì)，并且收斂誤差取值0.00013略微偏大;

b.模型誤差:邊界條件不能完全吻合，入口的風(fēng)剖面、粗糙度等不能完全模擬風(fēng)洞試驗(yàn)的環(huán)境，導(dǎo)致流體在建筑物周圍產(chǎn)生漩渦、分離等與試驗(yàn)有一定的差別，局部誤差較大;

c.方法誤差:數(shù)值模擬方法采用的是足尺度建模，而風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)采用的是幾何相似、動力相似和來流條件相似的縮尺寸模型。

5 總結(jié)

(1)對海滄體育中心體育場風(fēng)荷載進(jìn)行數(shù)值模擬，并將體育場屋蓋風(fēng)荷載的數(shù)值模擬結(jié)果與已有的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，風(fēng)荷載體型系數(shù)基本規(guī)律相同，屋蓋中間大面積區(qū)域數(shù)值結(jié)果相近，雖然邊緣處誤差較大，但該位置面積較小，初步設(shè)計(jì)時(shí)雖然局部荷載計(jì)算不足，對整體結(jié)構(gòu)指標(biāo)影響不大，施工圖階段只需調(diào)整少數(shù)構(gòu)件即可，從而說明數(shù)值模擬在初步設(shè)計(jì)階段，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)是可靠的。

(2)相比風(fēng)洞試驗(yàn)，數(shù)值模擬具有以下幾個(gè)特點(diǎn)和優(yōu)勢a.費(fèi)用低，所需周期短、效率高;b.可以進(jìn)行全尺度的模擬，能克服邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)中難以滿足雷諾數(shù)相似的困難;c.數(shù)值模擬方法有可視化的數(shù)據(jù)結(jié)果，可以提供風(fēng)洞試驗(yàn)不便或無法提供的繞流流場信息。

(3)在風(fēng)洞試驗(yàn)階段，數(shù)值模擬結(jié)果對于風(fēng)壓測點(diǎn)布置具有一定的指導(dǎo)意義。

(4)通過對體育場風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果對比研究，發(fā)現(xiàn)對復(fù)雜大跨結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬精度有待進(jìn)一步提高，特別是高負(fù)壓處和邊緣區(qū)域的局部誤差較大。

[1]黃本才，汪叢軍.結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析原理及應(yīng)用[M].同濟(jì)大學(xué)出版社.2008(2).9.

[2]孫曉穎，朱曉潔，武岳，等.深圳大運(yùn)會主體育場罩棚風(fēng)壓分布的數(shù)值模擬[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2010.8.

[3]海滄體育中心風(fēng)洞測壓試驗(yàn)報(bào)告[D].中國建筑科學(xué)院.2012.2.