低层四坡屋面房屋风荷载的风洞试验与数值模拟Word文件下载.docx
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陈水福等[1315]采用数值方法对低层双坡屋面和四坡屋面的风荷载进行了数值分析。
周绪红等[16]采用数值方法较系统地研究了不同影响因素对双坡屋面房屋风压系数及体型系数的影响。
中国现行的《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)[17](以下简称荷载规范)中仅给出了考虑屋面坡度的双坡屋面体型系数,对于四坡屋面的体型系数及其他影响因素均未提及。
本文中笔者首先对低层四坡屋面房屋进行风洞试验,进而采用FLUENT软件平台,选用基于Reynolds时均的RNGk£
湍流模型对其进行数值分析(k为湍动能,e为湍流耗散率),较系统地研究来流风向角、屋面坡度、挑檐长度、檐口高度和房屋长宽比对屋面风压系数以及建筑物各面体型系数的影响,进而提出房屋体型系数的建议取值。
1风洞试验概况
1.1试验模型及测点布置
风洞试验模型为刚体模型,采用3mm厚的有机玻璃制作,几何缩尺比为1:
50,在风洞中的阻塞率小于3%满足风洞试验要求,见图1。
模型具有足够的强度和刚度,保证了压力测量的精度。
风洞试验模型的原始尺寸为15mx12.8mx9.9m,挑檐长度b=0.9m模型1和模型2的屋面坡度6分别为30°
15°
0°
〜90°
每隔15°
风向角为一个试验工况。
模型1缩尺模型尺寸及测点布置见图2。
对房屋各表面进行定义:
风向角B=0°
时,迎风屋面为T1面,背风屋面为T2面,左侧风屋面为T3面,右侧风屋面为T4面,迎风墙面为Y面,背风墙面为B面,左侧风山墙面为C1面,右侧风山墙面为C2面。
试验采用被动方法模拟风场。
荷载规范中规定大气边界层中的风速剖面以幂函数表示,即
式中:
U为离地面高度Z处的风速;
Z0为参考高度;
a为地面粗糙度指数;
U0为参考高度处风速;
Z为测压点高度。
本文中仅对B类地貌风场进行模拟,a=0.15。
大气边界层几何相似比和模型相似比一致,均为1:
50。
风洞试验中,参考点高度为0.9175m,对应于实际高度为
45.875m试验直接测得的各点风压系数都是以该高度处的风压为参考风压,试验风速取为13m-s-1o
1.2试验结果
1.2.1风压系数等值线
在风洞测压试验及数据处理中,根据各测压点风压和参考点处的总压和静压,按式
(2),(3)计算以试验参考点处的动压为参考风压的各测压点量纲一的风压系数和脉动风压系数
Cpir为以试验参考点处的动压为参考风压的第i测点处的风压系数;
Cpirmsr为以试验参考点处的动压为参考风压
的第i测点处的脉动风压系数;
pi为试验中第i测点处的风压;
prO,prg分别为试验参考点处的总压和静压;
qr为参考点处的
动压,qr=prO-pr^;
彷p为脉动风压均方根。
为方便比较分析,取1Om高度处风压为参考风压,将风洞试验中直接测得的风压系数按式(4)换算成以B类地貌风场、1Om高度处风压为参考风压的风压系数
Cpi为以10m高度处风压为参考风压的第i测点处的风压系数(平均风压系数Cpimean或脉动风压系数Cpirmsr);
Zr为试验参考点高度。
模型1,2的风压系数等值线分
别见图3,4。
1.2.2体型系数
各测压点局部风荷载体型系数卩si由试验所测得的以10m高度处风压为参考风压的各测压点的平均风压系数,按式(5)计算而得
Pimean为测点i处10min平均风荷载。
屋面体型系数卩s为风压系数对所在面进行面积加权平均后的结果,计算公式为
Ai为第i点所属表面面积。
模型各面体型系数随风向角变化曲线见图5。
2数值分析
2.1控制方程
当前应用最广的钝体绕流问题的控制方程是基于RANS勺
NavierStokes方程。
湍流时均流动的控制方程为[18]
2.2几何建模及网格划分
基准模型为模型1的原始尺寸模型,见图6,其中,L为模型的长度,W为模型的宽度,H为模型的高度。
计算流域取为160mnK90mrnix60m,建
筑物置于流域沿流向前1/3处。
流域设置满足阻塞率小于3%的要求。
采用混合网格离散方式,将计算区域分为内外2个部分:
在模型附近的内部区域采用四面体单元,网格较密;
在远离模型的外围空间,采用六面体单元离散,远离柱面的界面区域较稀疏。
各模型网格总数在120万左右,基准模型网格划分见图7。
表1为各模型编号及相应参数,对每个模型,风向角又分为0°
,45°
,90°
三种工况。
2.3边界条件的设定进流面:
速度进流边界条件,采用式
(1)模拟大气边界层风速剖面。
统一取10m高度作为参考高度;
B类地貌,a=0.15。
出流面:
采用完全发展出流边界条件。
流域顶部和流域两侧:
采用对称边界条件。
建筑物表面和地面:
采用无滑移的壁面条件。
采用3D单精度,分离式求解器,选用不可压缩的常密度空气模型,对流项的离散采用精度较高的二阶迎风格式,速度压力耦合采用SIMPLEC算法。
选用非平衡壁面函数来模拟壁面附近复杂的流动现象,选用RN&
£
湍流模型。
对于B类风场,湍流强
度I取值为[19]
计算中,来流湍流特性通过在进流处以直接给定湍动能k和
湍流耗散率£
的方式给定入流处湍流参数:
k=1.5(UI)2,
£
=0.090.75k1.5/l,l为湍流尺度。
2.4计算结果分析
2.4.1屋面坡度的影响
以屋面坡度30°
的基准模型A6为基础,仅改变屋面坡度,
屋面坡度e分别取0°
25°
30°
35°
45°
60°
。
不同屋面坡度下屋面平均风压系数等值线分布见图8,屋面坡度对房屋各面体型系数的影响见图9。
房屋各面体型系数的试验结
果与数值模拟结果对比分析见图5。
将模型的屋面平均风压系数等值线试验结果[图3(a)和图
4(a)]与数值模拟结果(图8中的15°
和30°
坡度)进行对比分析,结合图5可知:
数值模拟结果与试验结果吻合较好,平均风压系数分布规律完全相似,基于Reynolds时均的RNGk£
湍流模型能给出满足工程应用精度的数值结果。
0°
风向角下,屋面风压系数沿中心线呈对称分布。
迎风墙面Y和迎风下挑檐面Y1不受屋面坡度的影响,各模型的体型系数基本相等,Y面为0.60〜0.64,Y1面为0.63〜0.69。
迎风屋面屋檐(15°
,25°
,30°
,35°
坡度时)及屋脊附近存在较大的气流分离,形成较高负压。
迎风屋面T1的体型系数由15°
坡度时的-1.23变为60°
坡度时的0.47。
当坡度小于45°
时,T1
面体型系数为负值。
屋面坡度为15°
,45°
,60°
时,T1面风压系数呈阶梯状分布:
由檐口处的最大值逐渐向屋脊方向减小。
坡度为25°
,30°
,35°
时,呈现环状分布:
来流檐口气流分离处和屋脊线附近较大,中心区域较小。
背风屋面T2体型系数均为负值,且屋面坡度对其影响较小,其值为-0.59〜0.65。
除
之外,其余各屋面坡度下,T2面平均风压系数
分布非常均匀。
屋面坡度变化对侧风屋面T3,T4的体型系数影
响较小,其值为-0.71〜-0.80。
T3,T4面与T1面相交的屋脊处平均风压系数均较大,而后向远离来流方向迅速减小。
背风墙面B和下挑檐面B1以及侧
风山墙面C1,C2的体型系数均为负值,受屋面坡度变化的影响较小。
45°
风向角下,侧风山墙面C1变为迎风墙面,它与
Y面将来流分为2个部分。
迎风墙面(Y,C1面)和迎风下挑檐面(Y1,D1面)的体型系数均不受屋面坡度的影响。
与0°
风向
角相比,T1,T3面均变为迎风屋面,两者体型系数基本相等,较高的负平均风压系数总是出现在迎风方向的气流分离面附近,其中,15°
坡度下,迎风屋檐处达到-1.18,屋脊背后达到-1.42,这些区域将极易遭受破坏。
随着屋面坡度的增加,T1面体型系数逐渐由-0.93变为0.19,T3面体型系数逐渐由-0.91变为0.11。
对于背风屋面T2,T4,当屋面坡度小于35°
时,其平均风压系数由屋脊背后的最大值逐渐向远离来流方向减小;
当屋面坡度大于35°
时,其平均风压系数分布非常均匀。
90°
风向角下,C1,
T3面变为迎风墙面和屋面,其中,C1面体型系数不受屋面坡度
的影响,其值为0.58〜0.63。
当屋面坡度小于45°
时,T3面体型系数为负值;
当屋面坡度大于45°
时,T3面体型系数变为正
值,其值由15°
坡度时的-0.88变为60°
坡度的0.42。
其余各面体型系数基本不受屋面坡度变化的影响,T1,T2面体型系数
基本相等。
2.4.2檐口高度(高宽比)的影响
以模型A6为基础,仅改变房屋的檐口高度,檐口高度H分
别取为3.3,6.6,13.2m建立模型A1,A2,A&
不同檐口高度下,屋面风压系数等值线分布见图10。
3种风向角下,檐口高度
对房屋各面体型系数的影响见图11。
在0°
风向角下,Y,
Y1面的体型系数分别在0.46〜0.60之间和0.52〜0.74之间,T1面的平均风压系数均呈环状分布。
当房屋檐口高度为3.3m时,T1面体型系数为-0.8,背风屋面T2承受负压力,且平均风压系数分布非常均匀。
各面体型系数绝对值均随檐口高度的增加而增大。
风向角下,C1,Y面承受正压力,其风压系数受房屋檐口高度变化的影响较小,其值分别在0.29〜0.33之间和0.25〜0.27之间。
各屋面均承受负压力,且体型系数绝对值随房屋檐口高度的增加而逐渐增大。
各模型绝对值最大负风压系数均出现在T2面屋脊背风区域,逐渐向远离来流方向减小。
风向角下,仅C1,D1面承受正压力,随着檐口高度的增加,C1,
D1面体型系数分别由0.51增大到0.67和由0.56增大到0.
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