建筑物尾流区风资源利用的数值模拟

建筑结构的风洞试验与数值模拟研究建筑结构的安全性一直是建筑师们关注的焦点之一。

在设计出一个安全耐用的建筑结构之前，一定要进行充分的试验和测试。

在建筑物设计中，风荷载是一个非常重要的指标。

因此，建筑师们需要进行风洞试验和数值模拟来研究建筑结构的受风性能。

一、风洞试验风洞试验是建筑设计中最常用的试验方法之一。

风洞试验可以通过缩小建筑模型，模拟真实的风场环境，对建筑物的受风性能进行测试。

风洞试验可以研究建筑物的风压分布、风阻力系数、风振响应等。

在风洞试验中，建筑模型通常是由透明材料制成的，例如有机玻璃。

在试验中，科学家会在风洞的一端设置一个风源，另一端放置建筑模型。

通过控制风源的强度和方向，来模拟不同的风压和风速。

试验者会用高速摄像机记录下建筑结构在不同风压下的形变和振动响应。

通过分析试验数据，科学家们可以得到建筑结构的受风情况，从而优化设计方案。

风洞试验是建筑结构设计中必不可少的一步。

虽然风洞试验的成本较高，但是它可以提供非常详实的数据供设计师参考，确保设计的可靠性和安全性。

二、数值模拟数值模拟是利用计算机对建筑结构的受风性能进行模拟分析。

数值模拟可以对建筑物进行全尺寸模拟，更加精确地研究建筑物在不同气候条件下受风性能。

在数值模拟中，建筑模型通常是以三维建模软件建立的。

模型可以包括建筑物的任何细节和复杂形状。

科学家们可以通过数值模拟计算建筑物在不同风荷载下的变形和压力分布。

通过这些数据，设计师可以优化建筑结构，增加抗风能力和稳定性。

数值模拟的准确度取决于计算模型的准确度和建筑物的真实风荷载数据。

因此，在进行数值模拟之前，需要收集大量的实际测量数据，包括气象数据、风洞试验数据等。

数值模拟较便宜、操作简便、数据处理方便，是风洞试验的补充。

虽然数值模拟比风洞试验自由程度高，但是受模型限制，其范围领域是小的，需要设计师更加精细的处理模型。

在实际工程中，风洞试验和数值模拟通常是相辅相成的。

总结在建筑结构设计中，风洞试验和数值模拟都是非常重要的步骤。

建筑物气流分布的数学建模及流体动力学仿真分析随着现代社会的发展，建筑物的设计不再仅仅追求美观和实用性，也越来越注重建筑环境的舒适性。

在建筑物内部，气流的分布对环境的舒适程度起着重要作用。

因此，对建筑物内部气流的分布进行数学建模和流体动力学仿真分析，对于提高建筑物的舒适度具有重要意义。

1. 建筑物气流分布的数学建模建筑物内部的气流会受到建筑结构、温度差异和自然风等因素的影响。

为了准确描述建筑物内部的气流分布，可以利用Navier-Stokes方程来进行数学建模。

该方程描述了流体的运动，包括速度、压力和密度等参数的变化。

在建筑物的数学建模中，需要考虑以下几个主要因素：a) 建筑结构：建筑物的形状、布局和通风系统等结构特征对气流分布具有重要影响。

因此，在数学建模中，需要将建筑物的结构参数纳入考虑范围，并将其作为边界条件进行设置。

b) 温度差异：建筑物内部不同位置的温度差异会导致气流的形成和流动。

因此，在建筑物的数学建模中，需要考虑建筑物内部的温度分布，并将其作为初始条件进行设置。

c) 自然风：自然风是指建筑物外部的风场。

它对建筑物内部气流分布的影响与建筑物的外形和周围环境有关。

因此，在数学建模中，需要考虑自然风的速度和方向，并将其作为外部条件进行设置。

2. 流体动力学仿真分析数学建模是对建筑物内气流分布的理论描述，而流体动力学仿真分析则是通过数值计算对建筑物的气流分布进行模拟。

在流体动力学仿真分析中，可以利用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法来进行数值模拟。

通过CFD方法，可以将Navier-Stokes方程离散化，并利用数值方法求解。

通过对流体的运动进行数值计算，可以得到建筑物内不同位置的气流速度、压力和温度分布等信息。

流体动力学仿真分析可以帮助我们更好地理解建筑物内气流的分布规律，并提供一些优化建议，以改善建筑物内部的舒适性。

例如，可以通过改变建筑物的结构参数和通风系统的设置来改善气流分布，提高建筑物内的空气质量。

结构抗风性能的数值模拟研究风是自然界中一种常见的力量，对于建筑物、桥梁、高塔等结构来说，风的作用可能会带来严重的影响。

为了确保这些结构在风荷载作用下的安全性和稳定性，对结构抗风性能的研究至关重要。

数值模拟作为一种有效的研究手段，在结构抗风性能评估中发挥着越来越重要的作用。

在实际情况中，风对结构的作用是复杂多变的。

风速、风向、风的湍流特性等因素都会影响结构所受到的风荷载。

传统的风洞试验虽然能够提供较为准确的结果，但存在成本高、周期长、试验条件受限等问题。

而数值模拟方法则可以在一定程度上克服这些不足，通过建立数学模型和运用计算机求解，快速获得结构在不同风况下的响应。

进行结构抗风性能的数值模拟，首先需要建立合理的数学模型。

这包括对风场的模拟和对结构的建模。

对于风场，通常采用湍流模型来描述风的流动特性。

常见的湍流模型有雷诺平均 NavierStokes 方程（RANS）模型、大涡模拟（LES）模型等。

RANS 模型计算效率较高，但对于复杂的湍流流动可能精度不足；LES 模型能够更准确地捕捉湍流的细节，但计算成本也相对较高。

在实际应用中，需要根据具体问题的特点和计算资源选择合适的湍流模型。

对结构的建模则需要考虑结构的几何形状、材料特性、连接方式等因素。

在数值模拟中，可以将结构简化为梁、板、壳等单元组成的有限元模型。

通过赋予单元相应的材料属性和边界条件，来模拟结构的力学行为。

在确定了数学模型之后，还需要选择合适的数值求解方法。

常见的求解方法有有限差分法、有限元法和有限体积法等。

这些方法各有优缺点，例如有限元法适用于复杂几何形状的结构，但计算量较大；有限体积法在处理流体流动问题时具有较高的精度。

在进行数值模拟时，边界条件的设置也非常关键。

对于风场，需要确定入口风速、出口压力、壁面条件等。

对于结构，需要设置约束条件和加载方式。

例如，对于建筑物，可能需要考虑底部固定约束和顶部的风荷载分布。

为了验证数值模拟结果的准确性，通常需要将其与风洞试验结果或实际观测数据进行对比。

高层建筑屋顶风能利用的数值模拟杨蓉;彭兴黔【摘要】In order to improve the efficiency of wind energy utilization, an open storey is added on the roof, the influence of various open storey height to wind energy was analyzed by CFD numerical model. Ie's shown: the open storey can in-crease remarkably the wind speed. Installing Wind generator above or on the open storey, the influence of open storey height and wind generator height was analyzed, then the optimal heights of open storey and wind generator are obtained to achieve the maximum wind energy collection.%为了进一步有效提高屋顶风能利用的效率,在屋面之上加设一架空层,运用CFD数值模拟分析不同高度架空层对风能收集产生的影响,探讨其可行性并得出架空高度和风机安装高度最优值.研究表明:架空层的设置对增大屋顶风速有显著效果；在架空层顶板之上或之下的空间安装风力发电机,并控制架空层高度,比较分析得出合理的架空层高度和风力机的安装高度,以求达到最理想的风能利用效果.【期刊名称】《华侨大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(033)001【总页数】5页(P69-73)【关键词】风能;高层建筑;架空层;风速比;数值模拟【作者】杨蓉;彭兴黔【作者单位】华侨大学土木工程学院,福建厦门 361021;南华大学环境保护与安全工程学院,湖南衡阳421001;华侨大学土木工程学院,福建厦门 361021【正文语种】中文【中图分类】TM614风能作为储量丰富且可再生的绿色能源，已逐渐受到世界各国的重视.日本已开发出专用于写字楼、商店和家庭的“小型微风风力发电机”，其高度仅为3～5m，叶片直径也只有2～4m，启动风速可低至2m·s－1；加拿大多伦多市安装在国家展览馆的风力发电机至今已经生产了超过100万kW的电能［1］.在我国，风电场基本建于偏远地区，这与城市中巨大的耗电量产生矛盾，因此，将风电引入城市成为能源应用的必然趋势.目前，风力发电机技术已经相对比较成熟，但与其对应的建筑风能利用方法却相对滞后.S.Mertens曾提出3种可作为风力集中器的建筑形式，其中将风力透平放置于屋顶的建筑称为非流线体型建筑［2］.文献［3］的研究表明，屋顶的风力强化效果要比扩散形式稍差.由于风能大小与风速三次方成正比，即风速的提高是风能增大的决定性因素.因此，本文主要研究如何采取简便易行的措施来显著提高可利用风能.首先，分析加设架空层对屋顶风能利用有利的区域.在0°风向角下，有无架空层的风速云图对比，如图1所示.从图1可以看出：架空层顶板迎风边缘上方风速显著增大，风速等值线下移；空气的再附着发生在顶板上表面；风速较大区域为顶板上方，显然可利用的位置在此区域内.根据特性布置研究测点.模拟的建筑尺寸选取高为50m，宽为20m，长为50m，并以面50m×50m为0°风向角时的迎风面.顶板平面尺寸与建筑屋面相同.由于顶板与屋面间有一定距离，且具有对称性，考虑在建筑屋面中心、角点、迎风前缘，以及顶盖的中心、前缘、角点和侧边中点等7个代表性位置进行分析研究，如图2所示.数值风洞计算域的设置遵循阻塞率不大于5%的要求给予合适的尺寸.采用SSTk－ω模型，入口风速为3.1m·s－1，湍流强度采用日本AIJ规范建议的公式［4］，梯度风高度为400m，C类地貌粗糙度系数α＝0.22；风剖面采用达文波特的指数率形式［5］；计算域壁面为自由滑移壁面，建筑物表面和地面为无滑移壁面；出口边界采用压力出口.风速在有建筑影响和无任何干扰时同一高度的比值，称为风速比［6］.由于风速会不断变化，而风速比值却不随时间而改变，因此利用风速比进行分析更具有实际意义.其表达式为通过风速比表达式，可以清楚地知道对风速增大最有利的建筑位置和高度.在0°风向角下，加设不同高度（h）架空层的7个测点位置风速比（Cr，i）的比较结果，如表1所示.表1中：无架空时取图2（b）所示的4个测点位置进行计算，所得结果与加设架空层后的结果进行比较.从表1中数值可以得出如下几点结论. 1）除顶板下的屋面中心和迎风前缘处的最大风速比小于1外，其余位置均大于1.这就说明架空层的设置对靠近屋面，尤其是屋面中心处的气流区形成阻碍，降低了风速；同时，对顶板之上区域则起到提高风速的作用，绝大多数都提高10%以上. 2）无论架空层高度为多少，风速比显然比无架空时相应位置处的数值大出不少，提高的程度从到小依次为测点5，6，4，7，即迎风前缘、角点、中心点和侧边中点.这一比较恰好证明了在0°风向角下，加设架空层对增大风速是非常有利的，从而验证在屋顶加设架空层来收集风能是可行的.3）测点位置1的风速比值很小，最低在0.31，随着架空高度增加呈波动上升；当高度达到2.0m时，骤然变陡，往后上升的速率也始终较快.当顶板高度在4.0m时，最大风速比值接近于1，恰好克服建筑对流场的不利影响；直到高度变为5.0m，风速比值才大于1，达到1.09，约等于无架空时此位置处的计算结果.即在5.0m高度时，顶板对板下屋面中心风速的影响可忽略不计.4）测点位置2的风速比也基本小于测点位置1，但其走势较缓，在高度为4.0m 时，风速比值达到1；在高度为5.0m时，风速比值大于1但变化仍不显著.5）测点位置3的风速比随着顶板高度的变化呈现两起两落的趋势.在架空高度为0.5，2.0m时较小，在0.2，5.0m时最大，但总的来看，其波动不大且风速比值始终大于1.若架空层达到一定高度也可在此处放置风机.6）测点位置4，7的风速比受架空层高度变化的影响几乎可忽略不计，基本呈水平直线的走势，且两位置的风速比值非常接近，大都在1.1左右，比无架空的情况高出大约6%.7）测点位置5的风速比受架空高度变化影响较明显，从0.1m到5.0m不断增大，并在5.0m时达到最大值；同时值得注意的是，从2.0m开始，其值变化很小，且都在1.2以上，这比无架空时的相应位置风速比要大约18%.8）测点位置6的风速比值绝大部分都在1.5以上，但随高度变化不断起伏.在0.2m和2m时达到最大，约为1.2，比无架空层时高出大概17%.以上分析除表明架空层的设置对收集风能明显有利之外，也表明测点位置5，6两处是风能利用的最佳位置.类似于0°风向角时的分析，在90°风向角下，各测点位置的风速比如表2所示.从表2可以看出：与0°风向角时相比，90°风向角的风速比大部分减小，只有测点位置6，7处的风速比值相应变大.对照0°风向角的情况，这一现象表明迎风向的屋面边缘对提高风速是有利的，以及短边迎风时对角点处的风速提高是更有利的.与无架空层时此风向的结果相比，测点位置4，5的风速比值只有非常微小的提高，而测点位置6，7的风速比值提高很显著，多达20%以上.也就是说无论风向角如何，加设架空层始终对增大屋顶可利用风能是有利的，再一次验证了加设架空层的可行性及成效.测点位置4，5的风速比值随着架空高度变化几乎无影响，且其值相差无几；测点位置6，7的风速比值不断波动，不同的是测点位置6处的风速比值在0.5m高架空值时达到最大，而测点位置7处的风速比值在4.0m高时达到最大.根据表2中的风速比值的比较可知，选择0.1～2.0m高的架空层都是合理的.若风机安装高度太大，不利于安装和维护，可行性不高；而风机安装高度太小，又无法正常放置和使用风机.对于屋顶加设了架空层的高层建筑，风力机显然应该放置在顶板之上.在0°和90°风向角下，风力机安装的最佳高度如表3所示.2.3.1 0°风向角 1）测点位置3的风速比值较大，且当架空层较高时也可以在此处放置风机，所以将其考虑在内.从表3中可以看到，这个位置的风机安装高度是随着架空高度增加也不断变大的，而且不论对于何种架空高度风机安装的最佳高度都距离顶板非常近.由于风机本身尺寸的原因，无法正确合理的放置，因此，可在不过多减小风速比的前提下适当降低风机安装高度.2）对于顶板之上的4个放置风机的位置，与无架空的情况相比，风力机安装的最佳高度都大幅度降低，尤其是测点位置6，这是非常突出的一个优点.测点位置4的风机安装高度随着架空高度变化波动较大，在架空为2.0m以下时，风机高度都达到十几米，而在之后都在十米以下.综合考虑施工难度，原料用量和表中所得风机高度大小，选择2.0m高的架空层为宜.测点位置5处的风机安装高度随着架空高度增加逐渐减小，到高度为3.0m后则保持不变.测点位置6的风机安装高度计算结果都很小，对于安装风机是非常有利的.测点位置7处的风机高度基本不受架空层高度影响，都在8.8m左右，但比无架空层时的风机安装高度已减小将近50%.2.3.2 90°风向角与无架空时的情况相比，各个位置的风机安装最佳高度均有所减小，特别是测点位置6，7.对于无架空一栏中的“无”表示此位置的风机高度总是随架空高度增加不断增加，无所谓最优.虽然0.1～0.5m的风速比值比较理想，但其风机安装高度相对较高，因此仅需再比较1.0，2.0m的情况.显然，在测点位置4，5，6的风速比值基本相等，而测点位置7在1.0m时的风速比值还小于2.0m 时的风速比值.另外，从风机安装高度来看，由于测点位置6，7的高度都非常小，可不加以比较，而测点位置4，5处1.0m时风速比值均高于2.0m时的风速比值.因此，仍选取2.0m高的架空层为宜.由于顶板上、下均有气流通过，为避免出现被掀翻的现象，需考虑其所受风压大小，以保证正常使用功能.在0°和90°风向角下，顶板所受风压测试结果如表4所示.表4中：pup，pdown分别表示上、下表面的风压；ptot＝pdown－pup.明显地，不论0°还是90°风向角，顶板上下表面均受负压，即上下表面都受风吸力，这样顶板所受合力的方向便取决于各面吸力大小.从表5可以看出，总风压为正，顶板受向上的力.随着顶板高度的增加，上表面吸力越来越大导致总风压越大.由于下表面的吸力以及顶板自身重力，能够平衡一部分向上的吸力，若要保证足够安全可靠，可适当加大顶板自重，以防止大风时被掀翻.90°风向角时，除架空层为0.1m和0.3m高度外，其余高度下的总风压均是负值，表明总风压向下，对顶板自身可靠性是非常有利的.而且，随架空高度增加，总风压值越大，越为有利.通过上述讨论分析，加设架空层对屋顶风能收集的帮助是不容忽视的，不仅大大降低了风力机可安装的高度，还显著提高了风速比.经过反复模拟比较，选择2m高的顶板.风机放置在顶板之上中点，角点，迎风前缘和侧边中点处，效果都是良好的.如果从经济效益方面进行讨论，可根据局地气候条件，使用风电机类型和用电收费情况得出收益大小，成果显著.此方法事实上不受建筑高度限制，可应用于任何地区、任何类型的建筑之上，并能随着风电机技术的不断完善进一步获得更为满意的发电效果.它的普适性和易操作性可使城市小区住宅、商业办公等用电紧张问题得到大大缓解.【相关文献】［1］田蕾，秦佑国.可再生能源在建筑设计中的利用［J］.建筑学报，2006（2）：13－17.［2］MERTENS S.Wind energy conversion in the built environment［C］∥1st SWH International Conference on Renewable Energies.Segovia：［s.n.］，2003：7－10.［3］潘雷.建筑环境中的风能利用［D］.济南：山东建筑大学，2006.［4］Architechtural Institute of Japan.AIJ recommendations for loads on building［S］.AIJ：［s.n.］，2004.［5］黄本才，汪从军.结构抗风分析原理及应用［J］.上海：同济大学出版社，2008.［6］MERTENS S.The energy yield of roof mounted wind turbines［J］.Wind Engineering，2003，27（6）：507－517.。

基于实际工程的风电场尾流模型分析文|王先阳，杨玉，刘天胜为了应对全球气候变化问题，世界各国都在为节能减排采取积极措施，清洁能源在能源结构中的占比越来越大。

十几年来，我国风电市场得到迅猛的发展，基于趋于成熟的行业标准和规范，风电项目的开发逐渐走向规模化和商业化，在开发前期对于风能资源的利用也越来越精细化。

尾流是造成风电场发电量损失的重要因素之一，准确评估风电场的尾流效应，对于优化排布、机组选型、风电场设计等方面至关重要。

因此，在进行风电机组排布等前期开发设计工作时，机组间的尾流影响也受到人们越来越多的关注。

目前，行业内已有大量成熟的尾流模型，如风能资源分析软件WAsP中较为常见的Park尾流模型和Fuga尾流模型，丹麦WindPRO 软件中的EVM模型（EddY Viscosity Model）以及风电场设计软件Openwind 中适用于大基地风电场的DAWM模型（Deep Array Wake Model）等。

本文基于某风电场内测风塔10分钟测风数据，按照行业标准NB/T31147－2018《风电场工程风能资源测量与评估技术规范》及IEC 61400-1－2019《Wind energy generation systems》关于测风数据处理部分的要求，使用Windographer软件对测风数据进行处理分析，通过对同一座测风塔不同高度层风速的相关性进行分析，首先还原测风塔105m高度自由流风速，然后采用实际工程中使用较多的Modified Park 尾流模型和EVM尾流模型，计算得出4个典型时间段不同尾流模型下的风速结果。

通过将受尾流影响的风速与同时段还原后的自由流风速进行对比，探究2个尾流模型对尾流影响程度的评估效果。

尾流模型介绍一、 Modified Park尾流模型Park尾流模型是丹麦Risø实验室的Katic和N.O.Jensen基于理想风力机一维动量守恒原理提出的适用于平坦地形的线性尾流模型，是一种一维线性尾流模型，不考虑湍流效应带来的影响。

中国科学D辑:地球科学2007年第37卷第11期: 1536~1546收稿日期: 2007-04-30; 接受日期: 2007-07-16国家自然科学基金(批准号: 40575069)和浙江省气象科技开放研究专项(编号: KF2006002)资助* 联系人, E-mail: huizhil@ 《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS建筑物表面风压以及风场的数值模拟与风洞实验研究姜瑜君①刘辉志②*张伯寅③朱凤荣③梁彬③桑建国④(①浙江省气象科学研究所, 杭州310017; ②中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室, 北京 100029; ③北京大学湍流与复杂系统国家重点实验室, 北京100871; ④北京大学物理学院大气科学系, 北京100871)摘要利用自主开发的模拟建筑物周围风环境数值模式“北京大学大气环境模式”(Peking University Model of Atmospheric Environment, PUMA), 通过求解非静力动力学方程, 模拟了一个特殊塔型结构建筑物周围的空间流场以及建筑物表面风压系数的分布特征, 同时与风洞实验的数据进行了对比, 对该拟建项目可能导致的风环境问题以及建筑表面风荷载进行了评估. 模拟结果与实验数据的比较显示, 两者在速度场与建筑表面风压系数具有较好的吻合度, 体现了该模式在风场以及压力场计算方面的良好性能. 但通过与实验结果的对比不难发现, 模式的结果在某些情况下与试验存在较大的误差. 造成这种偏差的原因, 一方面是模式现有的分辨率为水平方向 2 m, 垂直方向3 m, 难以将塔型结构建筑物表面的气压变化完全精确的展现出来; 另一方面, 固壁面上格点的气压和周边空间气压分布之间关系的参数化方案, 仍需要进一步改进. 从整体来看, 该模式模拟结果与风洞实验基本吻合, 可以较好计算特殊形状钝体结构建筑物导致的风场以及风压分布情况. 研究表明该数值模式可用以评估建筑物的表面风压及周围的风环境, 在建筑物的风工程项目中具有良好的应用前景.关键词塔型结构建筑物风荷载风压系数非静力数值模式风是建筑物设计以及城市规划中需要慎重考虑的气象因子之一. 大型高层建筑的修建, 既需要建筑技术与结构材料的保障, 同时也应该具有足够的抗风强度, 因而设计者需要考虑风对结构体的动态载重效应. 建筑物在外界强风来流的作用下可能导致的摆动、震动等结构安全方面的问题, 一直都是计算风工程领域的重要研究课题之一[1,2]. 随着科技水平的提高和人们生活的不断改善, 建筑物所导致的行人风环境问题, 也开始逐渐得到大家的重视[3,4].建筑物周围的流场结构受到诸多因素的影响, 如背景风场的特性、建筑物本身的几何形状以及邻近的建筑群的影响等[5,6]. 由于钝体绕流的阻塞作用而导致的下冲、涡旋、角隅流以及尾流、穿堂风等效应, 建筑物附近的流场就会变得相当的复杂. 上述诸多因素的存在, 往往会导致在高层建筑物附近产生过高的局地风速, 从而给在其周围活动的行人造成不舒适, 甚至可能存在行人被强风刮倒致伤的安全隐患[7]. 建筑物导致的不良行人风环境会有损于建筑物的使用舒适度和住居环境, 因此设计师们都希望能够在设计阶段就对建筑物周围的风环境问题进行评第11期姜瑜君等: 建筑物表面风压以及风场的数值模拟与风洞实验研究1537估, 以作适当修改或采取一些可行的措施, 从而提供更加舒适、安全的生活环境. 如今, 大部分先进国家都已开始立法要求对高大建筑物或结构体周围的风场作环境影响评价. 即在项目兴建前的概念、规划与设计阶段, 要预先评估建筑物的风荷载以及周边的风场特征, 对其建成后可能导致的风环境问题作出科学的评价[8,9].建筑物风环境的研究方法一般包括现场观测、物理模拟实验如风洞、水槽和水洞实验等以及数值模拟计算[10~13]. 随着计算机硬件条件的飞速发展, 应用计算流体力学方法对城市边界层内建筑结构周围流场的模拟, 在最近十几年中取得了很大的进展[14,15],尤其是在计算风工程领域取得了显著的进步, 同时也促进了计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, 简称CFD)软件的发展.CFD软件主要被用于解决工程中的流体和传热问题, 由于具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能, 目前被广泛应用到计算风工程领域中, 如对于高层建筑物单体或者建筑群的周边流场的数值模拟以及相应的风压、风荷载的研究. 由于它可以精确的对建筑群或者结构体所致的流场进行数值模拟[16], 其模拟结果被广泛利用作为行人风环境的评估参考[6]. 此外CFD软件还可以计算人体表面及其附近空间微尺度的风环境以及热力环境特征 [17]以及各种尺度的流场分析[18], 也可以对建筑物内部污染物扩散进行合理的计算模拟[19], 甚至对大型火灾造成的影响也能进行有效的模拟[20], 研究表明, CFD软件在目前的城市环境问题研究当中有着广泛的应用前景.目前的CFD软件功能已经十分强大, 但并不能很好的解决大气科学领域的某些特殊问题, 如太阳辐射所致的局地热力差异对建筑物周围风环境的影响, 局地大气以及地表热力环境的昼夜变化所导致的温度层结等. 因此国内外研究城市气候的学者们发展了能够用于研究建筑物风环境和热力环境的大气边界层模式, 如蒋维楣、张宁、徐敏等[21~24]利用大涡模拟技术(LES)对小尺度建筑物结构体所致流场以及相应的污染物扩散进行了有效的数值模拟. 苗世光等[25]则在此基础上, 建立了一个针对城市小区的气象以及污染扩散的数值模式, 并用于小区大气环境的评估, 结合观测结果为小区的规划建设提供科学合理的参考意见. 这一类自主开发的模式, 由于可以灵活地结合能量平衡、污染物输送等模式, 在大气科学研究领域存在较好的发展空间.除了LES方法以外, RANS(Reynolds-averaged Navier-stokes equation)方法也被广泛应用到城市边界层的数值模拟当中. 桑建国利用该方法建立一个大气环境模式PUMA, 并用以计算小尺度的街谷热力环境和流场结构[26], 王宝民等[27,28]、姜瑜君等[29]、刘辉志等[30]利用该模式, 对高层建筑的周边流场进行了模拟, 并结合风洞实验的结果对一些拟建的高层建筑进行了合理的风环境评估.对正在拟建的项目而言, 进行事先的观测是不可能的, 一个比较可行的方案就是对规划区域的模型进行一些合理的物理实验, 如风洞、水槽、水洞实验等. 将物理模拟实验数据与数值模拟相结合, 对其结果进行相互对比分析, 从而对拟建的项目风环境进行评价, 这是目前比较理想而且切实可行的研究手段之一. 本文拟采用自主开发的数值模式PUMA, 对一个特殊造型的建筑物周边流场结构以及建筑各表面风荷载进行数值计算, 并结合风洞实验数据进行对比分析, 为该建筑的设计方案提供风荷载以及风环境的科学评估.1风洞实验与数值模式1.1风洞实验实验模拟的目标建筑物为法门寺当时拟建的合十舍利塔, 法门寺位于陕西省宝鸡地区扶风县城以北10 km处的法门镇, 东距西安市110 km, 西至宝鸡市90 km, 是我国古代著名的佛教寺院. 1987年法门寺地宫发掘, 使法门寺成为佛教界及学术界的瞩目之地. 正在拟建的法门寺文化区, 南北长2165 m, 东西宽952 m, 总占地面积3092亩1), 其中法门寺合十舍利塔, 总高147 m, 宽50 m, 呈合十双手的特殊造型, 居于该文化区的中央. 图1给出了法门寺合十舍利塔设计效果图.风洞模拟实验是在北京大学环境学院大气环境模拟国家重点实验室的环境风洞中进行. 该环境风洞为直流、吸式, 实验段长32.0 m, 其风洞实验截面积为2 m×3 m, 流速范围为1.0 ~21 m/s. 缩尺比例为1:200的刚性模型被安置在风洞试验段的转盘上, 在试验中通过转盘的旋转以变更来流风向, 来流风的1)1公亩=102 m21538中国科学 D 辑 地球科学第37卷图1 法门寺合十舍利塔设计效果图特征则依据建筑物所在地的地形地貌条件而定. 风洞试验过程中, 我们采用了毕托管、微压计、热线风速仪等测量仪器, 测量了模型周围速度的空间分布以及模型表面的压力分布特性.1.2 数值模式由北京大学开发的“北京大学大气环境模式”(Peking University Model of Atmospheric Envi-ronment, PUMA)可以对中尺度、小尺度和微尺度的大气环境进行模拟, 并在多项研究课题中得到应用. 此次风环境评价采用该数值模式中的城市边界层模式, 对流场的空间结构进行模拟, 并和风洞实验结果进行比较验证. 由于一般风工程所涉及的问题大都发生在较强的来流风速下, 且在近地表上数百米高度的大气边界层范围之内；在风速较大的情况下, 大气机械湍流作用通常超过热力作用, 所以本模拟暂不考虑热力作用.在大气边界层中, 大气运动的平均Navier-Stokes 方程为0,iiu x ∂=∂ (1) 1(),i i j ij j i ju u pu R t x x x ρ∂∂∂∂+=−−∂∂∂∂ (2) 其中i u 为在i x 方向上的平均速度分量(i = 1,2,3), p 为扰动气压, ρ为空气密度, Reynolds 应力ij i j R u u =是作用于空气块上的应力项. 应力ij R 按湍流闭合假定, 可表示成为22,3ij ij ij R k KS δ=− (3) 其中ij S 为平均流场的应变率, 1.2ji ij j iu u S x x ⎛⎞∂∂=+⎜⎟⎜⎟∂∂⎝⎠湍流粘性系数K 可用湍流动能k 和湍流动能耗散率ε, 表示成为2,k K C µε= (4)其中C µ为闭合系数.k 和ε分别由下列方程给出,i j ij j j i k i u k k K k u R t x x x x εσ⎛⎞∂∂∂∂∂+=−+−⎜⎟∂∂∂∂∂⎝⎠ (5) 212,i j ij j j i k i u K u c R c t x k x x x kεεεεεεεσ⎛⎞∂∂∂∂∂+=−+−⎜⎟∂∂∂∂∂⎝⎠ (6)其中半经验的系数取值如下[31]:0.09,c µ= 1 1.44,c ε= 2 1.92,c ε=1.0,µσ= 1.3.εσ=在本次计算中, 入流边条件可取为定常的, 设平均风沿x 轴方向, 取10()(/10),u z u z α= (7)其中u 10为10 m 高处风速, 幂指数α为稳定度和粗糙度的函数, 在风工程领域考虑较多的是大风情况, 在这种大气条件下, 稳定度一般为中性, 其数值通常由风洞实验数据校正得到, 在本次实验中α = 0.18.在出流边界, 取自由流边条件第11期姜瑜君等: 建筑物表面风压以及风场的数值模拟与风洞实验研究 15390, 0, 0, 0.u v k x x x xε∂∂∂∂====∂∂∂∂ (8) 在钝体表面如墙面、路面和屋顶, 取非滑动边条件0, 0, 0,ku v n∂===∂ (9)其中n 为固体表面的法线方向.由于计算精度要求和时间的限制, 本文只针对塔基的主体部分进行了模拟, 模拟区域为: 东西方向144 m, 南北方112 m, 垂直方向150 m; 水平网格为2 m, 垂直为3 m, 总格点数为73×57×51. 时间步长为0.04 s, 计算时间为20 s, 此时基于RANS 计算的流场趋于稳定.2 结果分析和讨论图2给出了基于当地30 a(1971~2000)气象资料统计结果所得宝鸡地区以及扶风的风频分布情况, 图中可以看到, 扶风以及整个宝鸡地区, 东、西风发生的频率比较高, 为12%, 其次是东南风10%, 而最大风速出现在北风的情况, 达14 m/s. 由于塔身表面拟采用玻璃帷幕, 因此在大风天气条件下, 塔身表面的风压、风荷载的分布特性对设计安全来说具有重要的参考意义. 鉴于该建筑沿着正北轴线东西对称分布, 本数值模拟对东风以及北风两种来流情况分别进行了计算(两种来流风速大小一样), 并与相应的风洞实验数据进行对比.数值模拟以及风洞实验中, 时均压力系数(平均压力系数)通过下式获得:ref2ref ,12i pi P P V ρ−=其中: i P —测点i 处的时均值, ref P —参考点静压,2ref /2V ρ—参考点处动压(即总压-静压), ρ—来流密度,ref V —参考点风速.2.1 东风由于东风来流风速较大, 且发生频率较高, 塔身东侧外表面的风压分布情况对于结构设计建设就比较重要, 因而本次风洞试验对这种来流情况下的塔身风荷载情况进行了相关的数据采样. 图3是风洞实验得到的塔身各个表面的平均风压系数分布情况(来流速度为9.6 m/s , 参考高度为10 m). 从图上可以看出, 在东风来流情况下, 东侧外表面为迎风面, 由于风攻角较大, 其外表面风压普遍为正值. 其数值在中心最大, 大约1.3~2.3, 外围部分则在0.3~1.3, 边缘的值在 −0.6~0.3, 风压系数分布呈现辐射状递减, 而塔身其他各个表面由于处在背风区, 风压则呈现负值.图4则是东侧迎风面风压分布的数值模拟结果与实验的对比情况. 从模拟的结果来看, 风压系数分布情况、以及相应区域的数值大小, 虽然和测量结果存在一定的差距, 但是其分布的趋势和数值大小还是比较接近的. 由于测量结果图给出的风压分布图分辨率比较低, 高值区为1.3~2.3, 一个标尺的量度在1左右, 因此和数值模拟结果相比存在一定的差距也是情理之中. 不过从计算整体效果看, 风洞实验的数据与数值模拟的结果是比较接近的. 又由于在实际的钝体绕流中, 在高雷诺数情况下, 建筑物边缘以及迎风面、背风面的流场结构是复杂变化的, 各种小尺度的扰动以及之间的相互作用, 使得靠近固壁面范围内的流场结构呈现空间的不均匀性和时间的非定图2 舍利塔建筑设计所在地1971~2000年平均风的玫瑰图1540中国科学D辑地球科学第37卷图3 东风来流, 风洞实验得到的的塔身表面的风压系数分布情况图4 东风来流, 迎风面的表面风压系数分布第11期姜瑜君等: 建筑物表面风压以及风场的数值模拟与风洞实验研究 1541图5 实验测点编号分布A 剖面为迎风面; B, C 剖面为背风面; 模型比例1:200图6(a), (b), (c)为三个剖面上模拟和实验数据的对比图1542中国科学D辑地球科学第37卷常性. 图3显示的是对采样的数据进行一定时间平均的结果, 而用RANS得到的模拟结果, 虽然可以得到一个平均化的准定常流场形态, 但是由于扰动气压随时间变化是持续而又无序的, 加上本次数值实验的网格距较大, 因此空间分辨率比较低, 也会导致模拟和实验的数据存在一定的偏离.2.2北风北风是出现最高风速值的来流情况, 虽然发生频率较低, 由于最大风速达到14 m/s, 因此有可能对塔身建筑造成不安全的因素, 也会在近地面形成局地强风, 对行人活动造成不便. 因此我们风洞实验对这种来流情况进行局部空间点的风速测量, 同时也与数值模拟的结果作了相应的比较分析.图5显示的是, 风洞实验中风场测点的编号情况, 此次实验来流风速为9.6 m/s(参考高度10 m处的风速, 与东风情形一样). 图6是图5中的A, B和C三个剖面上的各个测点的实验数据与相应的模拟结果的对比情况. 从结果来看, 数值模拟的结果还比较理想, 尤其在迎风面A的模拟上, 与风洞实验的数据有着较高的吻合度, 但在迎风面的1, 10和11三个编号位置, 模拟与实测存在一定的误差, 这三点处于建筑基座迎风面底部, 靠近表面, 风场变化较大而且绕流区的气流结构比较复杂, 在网格距较大的情况下, 会存在一定的出入. 在穿越塔身中间的结构以后, 气流变得比较复杂, 加之数值模拟的空间分辨率相对偏低, 故而与试验数据的偏差变大, 如16, 17, 18和21等处于建筑物边缘的测点, 误差较大. 但从A, B和C 3个剖面的整体结果对比来看, 现有的数值模式, 图7 北风来流情况下, 塔身各表面的压力系数分布的风洞实验结果第11期姜瑜君等: 建筑物表面风压以及风场的数值模拟与风洞实验研究1543在流场计算方面, 可以较好的模拟出复杂建筑物造成的空间速度场的分布情况, 具有较高的可信度.图7显示的是北风来流情况下, 风洞实验得到的塔身压力系数分布情况. 从图上可以看出, 塔身正北面与来流形成90o的风攻角, 因而表面的风压系数较高, 其高值区的分布呈现对称钝三角, 最大值在2.3 ~ 3.3之间, 气流对内侧表面的冲击形成的系数较低, 大致在1.3 ~ 2.3之间, 在图8我们也可以明显的发现这个规律. 塔身其他表面由于大部分处于背风区域, 因此压力系数整体呈现为负压, 数值值大概在−1.6~−0.6之间.图9是北风来流情况下, 45 m高处(即设计方案中中间小塔高度)的水平流场示意图. 从图中可以看出, 流场呈东西对称分布, 佛塔结构由于存在对称的水平梯形截面, 北端内表面与北风来流形成大致45o 的风攻角, 因此在西内侧表面和东内侧表面的北端会有正压值存在, 而南端由于气流离开固壁面, 故而形成负压, 这种分布在图7以及图10都可以明显的看到. 而东侧和西侧外表面, 由于气流方向大都与固壁面背离或风攻角小且风速较低, 因此这两个外表面的风压系数整体呈现为负压, 其分布呈现由北向南递减的负压带状分布图案, 这种分布在图7以及图11都可以明显的看出, 实际上这种分布趋势和气流流动与固壁面的背离以及风速值大小的变化是吻合的.3结论从本文的模拟结果来看, 基于不可压缩流体连续方程、Reynolds平均动量方程以及k-ε湍流闭合方案的数值模式PUMA城市气候模式, 可以对塔形建筑物表面风压系数分布进行合理的模拟, 与实验的数据相比显示, 速度场与表面风压系数具有较好的吻合度, 体现了在该模式在风场以及压力场计算方面的良好性能. 但也存在一定的问题, 需要加强和改进.在结果显示方面, 由于分辨率以及相应的图象显示软件的开发缺乏, 自主开发的模式, 在这方面, 功能低于CFD的各种商业软件, 但是, 自主开发的软件, 可移植性程度高, 可以灵活地添加大气辐射、污染物输送等模块, 因此在大气科学研究领域有着比较广泛的应用前景.与实验结果的对比可以看出, 模式的结果在一图8 北风入流, 数值模拟的塔身北侧表面的风压分布情况1544中国科学 D 辑 地球科学第37卷图9 45 m 高度的水平流场示意图图10 数值模拟的东西侧内表面的风压分布结果定的地方, 存在较大的误差, 比如在北风来流情况下, 东西两侧外表面的风压分布, 计算模拟的结果就和实验存在一定的区别. 造成这种偏差, 一方面是模式现有的分辨率为水平2 m 、垂直3 m, 这种网格距, 比较难以将塔型建筑物表面的气压变化精确的展现出来, 当然网格分辨率的提高, 将大大增加计算机计算量, 这也是下一步工作的重点. 另一方面, 固壁面上格点的气压和周边空间气压分布之间关系的参数化第11期姜瑜君等: 建筑物表面风压以及风场的数值模拟与风洞实验研究 1545图11 数值模拟的东西侧外表面的风压分布结果方案, 仍需要进一步改进.在差分格式上, 如果采用高分辨率的有限元网格, 或者在局地采用细网格的方法, 那么比较好的方案是采用隐格式进行差分迭代运算, 但是隐格式所带来的较大耗散, 会对计算结果造成不良的影响, 尤其在大规模的小区流场计算方面, 人为耗散会导致内部流速过低, 与实验数据的偏差较大的结果. 如何选择合适的差分方法, 是该模式以后改进的重点之一.结果表明, 现有的模式PUMA, 在计算流场和风压分布方面, 具有较好的精确度和可信度, 适用于对拟建的建筑物或结构体进行相关的风环境以及风荷载进行数值计算, 并结合相应的实验结果, 对建设方案提出合理的建议与评估.参 考 文 献1 Murakami S, Mochida A, Kondo K, et al. 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现代高层建筑结构设计中的风洞试验与数值模拟摘要现代高层建筑的结构设计需要考虑各种外部因素对建筑物的影响，其中风力是一个重要的考量因素。

风洞试验与数值模拟是现代高层建筑结构设计中常用的两种方法，用于评估建筑在风荷载下的性能。

本文首先介绍了风洞试验与数值模拟的基本原理和流程，然后比较了它们在高层建筑结构设计中的优缺点，并且讨论了它们在实际工程中的应用情况。

最后，总结了风洞试验与数值模拟在现代高层建筑结构设计中的重要性和发展趋势。

关键词：高层建筑；风洞试验；数值模拟；结构设计；风荷载1. 引言现代高层建筑的兴起给城市发展带来了新的活力，然而，高层建筑的结构设计面临着严峻的挑战。

其中一个主要挑战是风荷载对建筑结构的影响。

风力会对高层建筑产生压力、扭转力和抗风振动等作用，因此在设计阶段就需要对其进行充分的评估和控制。

在这个过程中，风洞试验与数值模拟成为了两种常用的方法，它们能够帮助工程师更好地理解风的作用，并优化建筑的结构设计。

2. 风洞试验的原理与流程风洞试验是一种通过模拟真实风场，观察建筑结构在风荷载下的响应的实验方法。

其基本原理是利用模型试验来模拟真实的风场情况，通过测量模型受到的风荷载和振动响应来评估建筑结构的性能。

风洞试验的流程主要包括模型制备、实验参数设置、风洞测试和数据分析等步骤。

2.1 模型制备在进行风洞试验之前，模型的制备是确保试验能够准确模拟真实情况的关键步骤。

制备模型需要考虑到多个因素，包括建筑的几何形状、材料的物理特性以及结构的刚度和弯曲特性等。

通常情况下，模型会按照真实建筑的比例进行制作，以确保试验结果对实际建筑具有代表性。

制备模型还需要注意材料的相似性，以确保模型在风场中的行为与真实建筑尽可能接近。

2.2 实验参数设置在进行风洞试验之前，需要仔细确定实验的参数设置，以确保试验能够充分覆盖建筑所处地区的气候条件和设计要求。

实验参数包括风速、风向、试验持续时间以及模型的尺度等。

这些参数的选择需要根据建筑结构的特性和试验的目的进行综合考虑，以确保试验结果具有可比性和可靠性。

风力机尾流流场的数值分析和尾流边界建模朱翀;王同光;钟伟【摘要】采用计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)的方法模拟致动盘,研究了尾流边界的发展过程.为了准确捕捉尾流边界细节,根据尾流边界的速度梯度远远大于流场中的其他区域的速度梯度的特性,使用自适应弹簧网格技术,使网格的最密区域始终跟随尾流边界运动.基于该数值模拟结果建立了一个尾流边界模型.该模型将尾流的发展分为与粘性无关的膨胀过程和与粘性相关的扩散过程,建模结果与实验结果吻合.在此基础上,还利用该模型对高斯分布预测(Gaussian distribution prediction,GDP)尾流模型进行了修正,使其更加准确.%The development of the wake boundary after an actuator disc is simulated using the computa-tional fluid dynamics (CFD) method. To capture the details of wake boundary, the adaptive spring-mesh technique is used to make the finest meshes always follow the wake boundary movement, accord-ing to the fact that the velocity gradient in the wake boundary is much larger than in other regions. A wake boundary model has been developed based on the CFD results. This model divides the wake devel-opment into the expanding process due to inviscid flow and the diffusing process due to viscous influ-ence. The reliability of the model is validated by comparing with experimental data. As a demonstration of application, a newly developed wake velocity model called Gaussian distribution prediction (GDP) model is improved by the present wake boundary model.【期刊名称】《南京航空航天大学学报》【年(卷),期】2011(043)005【总页数】5页(P688-692)【关键词】风力机;致动盘;数值模拟;尾流边界【作者】朱翀;王同光;钟伟【作者单位】南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室,南京,210016;南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室,南京,210016;南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室,南京,210016【正文语种】中文【中图分类】O355;TK89风力机是将自然界的风能转化为机械能并获得电能的装置。