所建立的数值风洞计算流体域采用862 m*320*192 m^[10],网格划分越靠近模型表面单元划分越细.划分网格后节点数为598 793,单元数为3 040 162.

边界条件的入口( inlet)输入平均风速剖面和湍流强度. 根据《建筑结构荷载规范GB 50009-2001》,根据“全国基本风压分布图”,可查得当重现期为100年时天津市地区的风压.由此推算得到基本风速31.6 m/s.根据站房所处的位置,其大气边界层应属D类地区,沿x方向的风速剖面为

V(z)=V_b( z/z_b)^α,

式中:V_b为标准参考高度处的平均风速(规范取z_b= 10 m),α=0.30.z为高度方向,自建筑物底部算起; y、z方向速度为零.

湍流强度I 是地面粗糙度类别和地高度z的函数,鉴于我国规范对湍流强度尚无明确规定,关于I 的表达式,参考日本规范^[11-12]取值为

图2 计算区域总体网格划分
Fig.2 Meshing of calculation zone

图3 网壳表面网格划分
Fig.3 Meshing of surface of lattice shell

式中:z_b取5; z_g取450; Ⅲ类地貌α取 0.20.

图4 竖向平均速度剖面图
Fig.4 Vertical profile of mean velocity

为进一步验证本文所选湍流模型的优越性,故在相同边界及网格划分条件下,采用不同的湍流模型对实际工程0°风向角进行模拟计算.将各个湍流模型所得结构表面风压系数结果以图表形式列出进行对比.

图5 站房网壳模拟风向示意
Fig.5 Schematic diagram of wind direction

图6 PLAIN1平面示意
Fig.6 Schematic diagram of PLAIN1

图7 各湍流模型结果与风洞试验结果对比
Fig.7 Comparison of results getting from each turbulence model and wind tunnel test

图8 漩涡结构
Fig.8 Structure of vortex

量纲为1的压强系数C_p定义为

C_P=(P-P_ref)

/1/2ρu²₀

式中:P_ref为参考静压力,取为一个大气压0.101 3 MPa; ρ为空气密度,取为1.225 kg/m³; u₀为参考风速.

以下分别为风向角为0°、180°时火车站站房网壳的风压系数等值线云图.

当风向角为0°时,如图9由于该结构的流线型造型,在网壳前端出现风压系数较小的正压区,反而是在网壳背部出现较大的正压区,这是该结构与一般结构的不同之处.气流在到达天窗之前出现分离点,在天窗附近负压达到最大,经过天窗之后上部气流与网壳两侧来流在网壳尾部汇集形成较大的正压区,在网壳前端出现正压区,另外网壳两侧气流向中间汇集是网壳前端出现正压区的原因.

当风向角为180°时,由图 10可以看出气流在到达天窗之前出现分离点,在天窗附近负压达到最大,经过天窗之后气流与网壳表面再附着,在网壳前端出现正压区,另外网壳两侧气流向中间汇集也是网壳前端出现正压区的另一原因.

图9 0°时站房网壳表面压强分布
Fig.9 Distribution of pressure on surface of shell with the wind angle 0°

图 10 180°PLAIN1平面压强分布
Fig.10 Distribution of pressure on PLAIN1 with wind angle 0°

将数值模拟结果与风洞试验结果^[14]进行对比进一步验证数值模拟的可靠性.以下分别为数值模拟结果与风洞试验结果的平均风压系数云图的对比.从下图可以看出数值模拟结果与风洞试验结果吻合较好,但是局部细节还是存在较大误差,造成误差的原因可能有:

(1)为建模的方便,在建模时简化了网壳局部的一些细部特征以及风洞试验未考虑天窗影响,所以会造成局部风压系数的误差;

(2)采用的湍流模型包含了湍流的各向同性假设,与实际不符,势必引起误差.这需要将来进一步研究更符合实际的湍流模型如大涡模拟^[11],以及不断提高的计算机运算能力来解决;

(3)风洞试验是在大缩尺比的情况下完成,与实际情况存在偏差.

图 11 120°时站房表面压强系数分布(模拟)
Fig.11 Distribution of pressure coefficient on surface of shell with wind angle 120°(numerical simulation)

图 12 120°时站房表面压强系数分布(试验)
Fig.12 Distribution of pressure coefficient on surface of shell with wind angle 120°(experiment)

图 13 各分区分布图
Fig.13 Distribution of each subarea

图 14 0°各分区压 强系数对比
Fig.14 Comparison of pressure coefficient at each subarea with wind angle 0°

图 15 120°各分区压强系数对比
Fig.15 Comparison of pressure coefficient at each subarea with wind angle 120°

为研究周围建筑物对结构表面风压的影响,在流体域中分别考虑位于建筑物正前方与正后方的截面尺寸为60 m*60 m*100 m和60 m*60 m*50 m的情况,建筑物与结构的距离分为150 m和75 m两种工况,在各工况下研究在建筑物影响下结构表面风压的影响,图 16为位于结构正前方75 m建筑高度为100 m的流场,可以看出,整个结构位于由于前方建筑扰动形成的漩涡之中,机构表面几乎全为负压,与不考虑周围建筑的情况完全不同,所以在结构的风载设计中要充分结合周围地势与建筑物分布情况,这对结构表面的风压分布将产生决定性作用.图 17为结构后方75 m建筑高度为100 m的流场,可以看出即使建筑物在结构顺风向下方,对结构表面的风压分布亦有很大影响,而所有结构都是出于一定的环境下,确定等效风载是需考虑周围环境的影响.

图 16 50 m高建筑物位于结构前方75 m风场
Fig.16 Wind fields of structure under the condition that 50meter's high building located in front with distance of 75 meters

图 17 100 m高建筑物位于结构前方150 m风场
Fig.17 Wind fields of structure under the condition that 100 meter's high building located in front with distance of 150 meters

图 18 100 m高建筑物位于结构后方75 m风场
Fig.18 Wind fields of structure under the condition that 50meter's high building located in rear with distance of 75 meters

通过工况1与工况2的对比可以发现,建筑物高度对结构表面的风压系数有很大影响.通过工况1与工况4的对比可以发现结构顺风向建筑对风压系数的影响会小于前方建筑,但其影响依然较大不可忽略.

图 19 不同周围环境下建筑物表面风压系数
Fig.19 Wind pressure coefficient with different environment around