河北建筑工程学院 河北张家口 075000
1.CAARC高层建筑标准模型
1969年举行的英联邦航空咨询委员会（Commonwealth Advisory Aeronautical Research Council）协调人会议上，著名学者Wardlaw和Moss提出了要建立高层建筑风荷载的评定标准，通过准确的模型试验得到高层建筑的动力响应和建筑表面的压力分布，将测试结果作为高层建筑风荷载的标准数据，以此来验证各风洞试验中所模拟的自然风的品质，校核风洞试验的模拟结果。
1969-1975年期间，共有5个研究中心投入到CAARC标准高层建筑模型的静试验研究中，完成了对建筑模型表面布置测点的全部测量，得到大量的试验数据。5家研究中心将最初的测量结果发表在第5届国际建筑和结构风效应会议上。会议上，学者们对五组测量数据对比分析后，总结出统一的结论，并对结论的表述做了详细说明。该结论为其他科研人员校验风洞试验的各项数据提供了准确的参考。
２.计算流体动力学（CFD）数值模拟技术
二十世纪五十年代以来，计算机的快速发展使其在各个领域得到广泛的应用，同时促进了各学科的交叉融合，计算机在流体力学中的应用便产生了一门新兴学科——计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics），简称CFD。以计算流体动力学为基础，使用计算机建立研究对象的数值模型进行计算分析的方法，被称为CFD数值模拟技术。CFD数值模拟技术以流体力学、数值数学和计算机科学为基础，将三大不同领域的学科有机地结合在一起，赋予了计算流体力学强大的生命力。CFD数值模拟技术依靠电子计算机强大的运算能力，采用了大量离散化的数学方法，针对流体力学中遇到的各种问题，建立其数值计算模型，进行数值模拟分析，得到的分析结果可以准确地反映出流体的力学特性。
随着计算机科学的飞速发展，电子计算机性能不断提高，为计算流体动力学的发展提供了基础保证。随着人们研究的不断深入，极大地丰富了计算流体动力学的理论基础。CFD数值模拟技术的不断成熟，引起了建筑领域学者的注意，风工程领域的科研人员将CFD数值模拟技术运用到对风荷载的研究中，提高了研究效率，节约了科研成本。更主要的是CFD对特定环境中风场特性的重现功能，可以实现对实际问题中的各类环境的准确模拟。因此，在风工程的研究中，CFD数值模拟技术得到广泛的应用。
3.CFD数值模拟技术的分析过程
3.1建立几何模型
在CFD数值模拟高层建筑的风荷载研究中，首先需要分析研究对象及其物理过程，建立适当尺寸的物理模型，对物理模型进行数字模拟，得到数学模型，对研究对象的物理过程进行假设分析，初步确定其空间影响区域。然后将建筑物放在此影响区域内（及计算域），在建筑物周围比较远的地方设置几个壁面，形成一个数值风洞模型。数值风洞的尺寸应满足以下要求：①数值风洞在水平方向上的宽度应该大于建筑模型宽度的8倍，②数值风洞的高度要小于建筑模型高度的3倍，③数值风洞的出口应该设置在距离建筑背风面9-10倍的建筑高度处，其目的是避免在背风面附近或出口处形成回流区，导致计算结果发散。
3.2划分网格
CFD数值模拟中的网络划分形式共有两类——结构化网络、非结构化网络。
结构化网络指的是所有单元的相邻节点间存在的连接关系是固定的，并且节点间的连接关系是通过已经被定义了的底层拓扑结构体现出来。所以在选择结构化网络时是不需要设置独立参数的。
非结构化网络没有规则固定的拓扑结构，没有层的概念，可以任意布置网格节点，具有较高的灵活性。但是非结构网络计算时需要较大的内存。
相对于非结构网络而言，结构化网络在进行网络划分时有较大的局限性，其使用领域相对狭窄。而随着科研人员对CFD数值模拟技术研究的不断深入，结构化网络越来越难以满足人们的需求；非结构化网络以其高度的灵活性适用于多数模型的网络划分，因而得到广泛的应用。
3.3 定义边界条件
CAARC高层建筑的数值模型的流场主要模拟建筑物在风荷载作用下的动力响应及受力情况。因此，计算域在其入口处选择的边界条件是速度入口，沿水平方向进入流场的风的速度按照风速剖面垂直分布，且从小到上递增，竖直方向无速度。速度入口的边界条件，通过函数的形式模拟大气边界层风速剖面指数分布，风场入口处的平均风速剖面采用C语言编程，然后通过UFD与Fluent 作接口实现。
在模拟计算时，风的湍流特性在入口边界条件定义时，通过规定湍动能k和湍流耗散率（或比耗散率）的表达形式来确定入口处来风的湍流参数，k和（或）值同样采用C语言编程，然后通过UFD与Fluent 作接口实现。
3.4湍流模型的选取
CFD数值模拟技术中，使用的湍流模型有标准 k-ε模型、RNG k-ε模型、SST k-ω模型和雷诺应力模型等。但是，标准 k-ε模型对湍流粘度的要求比较严格，其适用条件为充分发展的湍流，当湍流受到脉动影响时，标准 k-ε模型就不能准确模拟流场情况。雷诺应力模型的计算量大，而且在低雷诺数的流场分析中，数值积分的收敛情况不稳定，影响数值分析的准确性。目前应用较多的是 RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型和 SST k-ω模型。
3.5设定求解器
Fluent中的求解器主要有3种模式，分别为SIMPLEC、SIMPLE以及PISO。SIMPLEC和SIMPLE模式针对流体参数固定不变的情况；PISO模式主要针对网络畸变比较大的情况。前文中可以看出，流场模型的网格划分理想，网格质量较高，所以采用SIMPLE算法。
本文数值模拟中选用的是有限体积法进行数值计算。在有限体积法中，对流项的插值格式直接影响计算结果的精确性。相比于一阶迎风格式，二阶迎风插值格式有更大的优势，即二阶格式的数值耗散率远低于一阶格式，因此二阶格式有更高的精确性。但是，当流场中的流体产生强烈的变化时，二阶格式会产生强烈的数值震荡。为了使数值计算更加平稳、准确，Fluent中使用的是接近二阶的混合格式，该格式的收敛性和准确性均高于二阶格式。迭代过程中，当所有控制方程的相对迭代残余量均小于1×10-4时，认为迭代过程收敛。与此同时，监测的建筑表面的风压系数基本保持恒定时，可以确定此时的流场处于稳定状态。
4．分析结果的查看
通过Fluent自身的后处理功能可以查看分析结果，例如流场可视化、云图、矢量图、流线图、粒子轨迹追踪等。本文仅展示使用SST k-ω湍流模型分析的CAARC标模的建筑表面风压系数云图和流线图，如图4-1所示：
图4-1表面风压分布及流线图
从建筑表面风压分布图中可以看出，建筑迎风面的最大风压出现在其高度的2/3处，主要是受到梯度风及湍流的影响；从建筑周围流线图中可以看出，在建筑尾流形成较大尺度的马蹄涡，且形状规则，涡心基本与建筑高度平行，尾流马蹄涡的湍动能强于侧面分离流的湍动能，较为符合标模的试验结果。
5.结语
通过对CAARC高层建筑标准模型的数值模拟过程的介绍，可以看出，使用CFD数值模拟技术对高层建筑风工程的研究具有节约时间、节省试验成本、计算精度较高等特点，可以被广泛地应用到实际工程的研究中。
参考文献
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论文作者:王雪峰,白笑天,马子彦,王雪青,徐佳,白润山
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年3期
论文发表时间:2019/5/28
标签：数值论文; 模型论文; 湍流论文; 风洞论文; 建筑论文; 高层建筑论文; 网络论文; 《建筑学研究前沿》2019年3期论文;