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摘要：深圳地处我国南部沿海地区，台风盛行时间长、基本风压大，同时深圳大部分地区是复杂的山地地形，随着深圳人口的增大和城市建设的快速发展，平坦地势越来越少，必将会建设更多处于山地地形的建筑。因此，为了能够更好的为建筑提供复杂地形条件更为合理的建筑选址依据和结构风荷载取值，有必要对复杂山地地形条件的风场特性进行深入研究。此研究内容对于提升对不同地形条件下的风场，保证建筑安全性、可靠性与经济性，具有重要的理论价值和社会意义。本文采用CFD技术研究了连续的山体在不同影响因素下施扰山体对受扰山体周围风场的影响。
关键词：山地、风场、数值模拟
1风湍流特性与入口风速的确定
自然界的山体远近高低各不同，结合深圳的实际情况，深圳的山体多为一两百米的小山，因此本文以150米坡度为0.5的山体为研究对象，分别研究当受扰山体前方有不同坡度、高度、距离遮挡山体时被研究对象山顶风速的变化。为保证湍流能足够的发展本文采用计算模型的计算域高度为1200米，计算域的入口长度为2000m；计算域的出口长度为8000米。
本文使用ANSYS FLUENT16.1的Meshing 模式生成计算域和网格划分，同时采用FLUENT16.1（CFD求解器）进行数值模拟分析。虽然本文研究的山体模型较为简单，为了提高网格划分质量，并且使网格划分更为合理，本文采用了MAP结构化网格划分技术。本文湍流的模拟采用了给予RANS（Reynolds Averaged Navier-Stokes Equation）方法，基于标准k-omegaSST湍流模式。本文计算域的入口处风速模型采用指数分布模型，其中10米高度的平均风速度取值为10米/秒，地面粗糙度按B类地貌考虑，其地面粗糙度系数α取值为0.16。本文离散方程组的求解采用给予解耦思想的SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)系列求解方法。具体采用了SIMPLEC (SIMPLE-Consistent)算法，该方法收敛速度快。
2施扰山体坡度的影响
首先研究施扰山体坡地对受扰山体的影响。本文以高度为150米坡度为0.5的二位山体模型为研究对象，采用高度为150米、坡度分别为0.25~0.75的山体为施扰山体，研究施扰山体坡度不同时受扰山体风场受到的影响。
图1为施扰山体坡度不同时受扰山体的山顶风速剖面，对比后发现由于施扰山体坡度的变化，受扰山体的山顶风速受到影响变化很大。总体体现在以下几方面：首先，当施扰山体的坡度相对平缓的时候，受扰山体山顶的近地面的风速出现了极大值，并且近地面的风速在一定高度范围内随着高度的增加而逐渐降低，当到达一定高度风速降到最低后又随着高度的增大而增大。其次，从图中可以看出受扰山体的近地面风速随着施扰山体坡度的增大而逐渐减小，施扰山体的坡度越小受扰山体的山顶风速与孤立山体的山顶风速剖面越为接近，相反施扰山体的坡度越大则受扰山体山顶风速与孤立山体的山顶风速剖面相差越大。综合分析可知，山体坡度越大则山体背风面的风场湍流就越为复杂，同时山体背风面风场受到影响的范围也越来越大，所以当施扰山体坡度越来越陡峭的时候受扰山体周围的风场受到的影响便更为巨大。
图1 施扰山体坡度不同时 图2施扰山体高度不同时
受扰山体山顶风速剖面图 受扰山体山顶风速剖面图
3施扰山体高度的影响
本文以山体坡度为0.5高度分别为200米、150米、100米和50米的 四种坡度相同、高度不同的山体作为施扰山体进行研究当施扰山体高度不同时受扰山体山顶风速受到的影响。图2为当施扰山体高度不同时受扰山体山顶的风速剖面，对比后发现以下几方面：首先，当施扰山体的高度不大时，在近地面的风速出现了极大值，并且近地面的风速在一定高度范围内随着高度的增加而逐渐降低，当到达一定高度风速降到最低后又随着高度的增大而增大。其次，从图中可以看出受扰山体的近地面风速随着施扰山体高度的增大而逐渐减小，施扰山体的高度越小受扰山体的山顶风速与孤立山体的山顶风速剖面越为接近，相反施扰山体的坡度越大则受扰山体山顶风速与孤立山体的山顶风速剖面相差越大。综合分析可知，山体坡度越大则山体背风面的风场湍流就越为复杂，同时山体背风面风场受到影响的范围也越来越大，所以当施扰山体坡度越来越陡峭的时候受扰山体周围的风场受到的影响便更为巨大。综合分析知：施扰山体背风面风场受到影响区域范围跟施扰山体高度成正比，由于其他条件不变，故当施扰山体高度增大的时候受扰山体受到其影响就随之增大。
4连续山体间距的影响
本文以坡度为150米坡度为0.5的两个连续山体为研究对象，针对山体间距分别为0、到10倍山体间距的六种情况进行研究当山体间距不同时受扰山体山顶风速受到的影响。
图3为山体间距不同时受扰山体山顶风速剖面图，从图中可以看出受扰山体山顶的近地面风速随着施扰山体距离受扰山体的距离增大而逐渐增大，当施扰山体和受扰山体之间间距比较大的时候受扰山体山顶风速剖面与孤立山体山顶的风速剖面相接近。综合分析可知：当其他因素不变时，由于施扰山体背风面收到其影响区域范围是固定的，当施扰山体和受扰山体之间间距小时候，受扰山体在施扰山体背风面的影响范围之内，所以受扰山体周围风速受到影响大；当施扰山体和受扰山体之间间距逐渐增大的时候，受扰山体受到施扰山体的影响越来越小，因此受扰山体山顶风速收到施扰山体的影响越来越小。
图3山体间距不同时受扰山体山顶风速剖面图
5连续山体数量的影响
现实中的山体连绵不绝，除去少数的孤立山体或者是简单的多个连续山体外更多的是层峦叠嶂的连续山体，本文以坡度为0.5高度分别为150米的多个连续山体为研究对象，研究连续山体数量对受扰山体山顶风速的影。
图4为分别有两个到五个连续山体时各个山体山顶风速剖面图，图5为分别有两个到五个连续山体时各工况中最后一个山体风速剖面图。从图中可以看出，在其他条件不变的情况下，各种工况中各个受扰山体山顶风速随着施扰山体数量的增多而逐渐减小。
图5 最后一个受扰山体山顶风速剖面图
6结论
本文通过CFD技术对不同坡度、高度、山体间距以及连续山体数量的连续山体分别进行研究来探讨复杂地形条件对风场的影响，得到以下结论：
（1）施扰山体坡度越大则受扰山体周围的风场受到的影响越大。
（2）施扰山体高度越高则受扰山体周围的风场受到的影响越大。
（3）施扰山体距离受扰山体越近则受扰山体周围的风场受到的影响越大。
（4）多个连续山体时第二个山体周围风场受影响最大，之后的山体受到的影响越来越小。
参考文献
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[4]程雪玲，胡非.复杂地形网格生成研究.计算力学学报.2006,23（3）313-316
论文作者:姜传忠
论文发表刊物: 《建筑学研究前沿》2017年第10期
论文发表时间:2017/9/25
标签：山体论文; 风速论文; 坡度论文; 山顶论文; 高度论文; 间距论文; 越大论文; 《建筑学研究前沿》2017年第10期论文;