摘 要

随着中国经济的快速发展，城市建筑正在往更大、更高、更复杂的方向前进。建筑愈高，其抗侧刚度愈小，风荷载对其的影响也就愈大。在高层建筑的结构设计中，风荷载往往成为起决定作用的方面之一。目前而言，我国的建筑荷载规范对于超高层建筑的风荷载取值还未给出详尽的规定，因此，有必要利用风洞试验或者数值模拟来对高层建筑的风荷载取值给出建议。此外，风环境是影响城市居住空间以及生活质量的重要因素，不合理的建筑群布局可能导致局部风速较大，造成行人不适甚至发生事故。因此，预测建筑表面风压及周边风环境对于结构设计和城市建筑的布局都非常重要。

本文基于CFD(计算流体力学)模型，利用计算流体力学软件FLUENT，对武汉地区某教学楼建筑的风场进行模拟分析，并模拟不同风向角下建筑表面风压与周边风环境。主要研究内容如下：

（1）建立武汉某教学楼周边直径500米范围建筑群全尺寸的数值模型，并在Fluent中对其风场进行数值模拟，得到建筑在不同风向角下的风压云图，进而分析得出武汉某教学楼表面风压规律，为设计提供表面风荷载，评估其抗风安全性。

（2）通过对武汉某教学楼周围行人风环境与微气候状况的模拟，得到行人高度风速分布云图，避免由于建筑单体设计和群体布局不当，导致局部风速过大而对行人产生一系列负面影响。

通过以上研究，不仅验证了数值模拟方法对高层建筑绕流风场计算的有效性，而且为超高层建筑结构风荷载规范的完善提供参考依据，为该类建筑的环保评价和维护结构的安全设计进行了新的探索。

关键词：高层建筑；数值模拟；风压系数；行人风环境；计算流体力学

Abstract

With the rapid development of China's economy, urban architecture is developing in a larger, higher and more complex direction.The higher the building is, the smaller its lateral stiffness is and the greater the influence of wind load on it.In the structural control design of high-rise buildings, wind load often becomes one of the most important aspects.At present, China's building load code has no clear provisions on the wind load value of super-high-rise buildings, so it is necessary to use wind tunnel test or numerical simulation to give Suggestions on the wind load value of high-rise buildings.In addition, wind environment is an important factor affecting urban living space and quality of life. Unreasonable building complex layout may lead to excessive local wind speed, causing discomfort and even danger to pedestrians.Therefore, it is very important to predict the wind pressure on the building surface and the surrounding wind environment for structural design and urban building layout.

Based on CFD(computational fluid dynamics) model, this paper USES the CFD software FLUENT to simulate and analyze the wind field of a teaching building in wuhan area, and to simulate the wind pressure on the building surface and surrounding wind environment under different wind directions.The main research contents are as follows:

(1) to establish a teaching building of wuhan diameter of 500 metres of buildings surrounding the full-size numerical model, and the wind field in the Fluent software to carry on the numerical simulation, obtaining a construction under different wind Angle, the wind pressure distribution of cloud and analysis a teaching building surface wind pressure distribution, wuhan to provide design surface wind load, the wind resistance safety assessment.

(2) by simulating the pedestrian wind environment and micro-climate conditions around a teaching building in wuhan, the cloud map of pedestrian height and wind speed distribution was obtained to avoid a series of negative effects on pedestrians caused by excessive local wind speed due to the improper design of single building and group layout.

The above analysis not only verified the applicability of the numerical simulation method in calculating the wind flow around high-rise buildings, but also provided suggestions to improve the wind load specification of high-rise buildings, as well as to make a new exploration of environmental evaluation and structural design of this type of buildings.

Key words: High-rise building, Numerical simulation, Wind pressure coefficient, Pedestrian wind environment, Computational fluid dynamic

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 结构风工程研究方法 1

1.2.1 理论分析 2

1.2.2 现场测试 2

1.2.3 风洞试验 2

1.2.4 数值模拟 3

1.3 数值模拟研究现状 3

1.3.1 国外研究现状 3

1.3.2 国内研究现状 4

1.4 本文主要研究工作和意义 4

第2章 风的特征及其流体特性 6

2.1 风的特性 6

2.1.1 平均风剖面 6

2.1.2 基本风压 7

2.1.3 脉动风的湍流强度 7

2.1.4 风绕建筑物流动的特性 7

2.2 湍流的数值模拟方法 7

2.2.1 直接数值模拟方法 (DNS) 8

2.2.2 大涡模拟 (LES) 8

2.2.3 Reynolds 平均法（RANS） 9

第3章 高层建筑风场数值模拟 10

3.1 工程概况 10

3.2 计算工况 11

3.3 分析区域 12

3.4 模型建立 12

3.4.1 几何模型 12

3.4.2 计算域设置 14

3.4.3 网格划分 15

3.5 模拟设置 18

3.5.1 湍流模型 18

3.5.2 计算方法的设定 18

3.5.3 边界条件的设定 18

第4章 高层建筑风场数值分析 24

4.1 建筑表面风压结果分析 24

4.1.1 0°风向角风压系数 24

4.1.2 90°风向角风压系数 27

4.2 行人风环境结果分析 30

4.2.1 0°风向角风速系数 31

4.2.2 90°风向角风速系数 32

4.3 章节小结 33

第5章 总结与展望 35

5.1 本文工作总结 35

5.2 展望 35

参考文献 37

致 谢 38

绪论

引言

风是一种常见的自然现象。空气的密度会随着温度的变化而变动，温度升高将导致空气的密度变小，气压也会变小，反之气压则会变大[1]。当空气从气压高的地方流向气压低的地方，就形成了我们熟知的风。气流吹到结构物并被结构阻挡时，在结构上产生风压，引起结构的变形和振动。如果抗风结构设计不合理，可能引起建筑局部产生较大的变形，造成使用者的不适，甚至可能发生损坏和倒塌。

风害是人类面临的主要灾害之一。katrina飓风于2005年8月在Bahamas群岛附近形成，增强为飓风后，以小型飓风的形式登陆Florida州。在8月28日越过Mexico湾后加强为5级飓风。后来肆虐了Louisiana 州、Mississippi 州和Alabama 州。据后来统计，katrina飓风至少造成了750亿美元经济损失和1800人左右的死亡人数，成为美国历史上造成损失最大的飓风之一。人们越来越重视风，希望通过准确地计算来对结构进行合理的抗风设计，把结构建的更可靠，减小风灾给人们带来的损失。此外，涡流过多、过快会使行人感到不舒服，甚至会造成事故。如何对城市建筑进行合理的布局，以避免因规划不当而导致建筑群局部地区风速过大，也成为人们日益关注的问题。

因此，通过计算分析得到拟建建筑物的表面风压与周边风环境特性是十分有必要的。

结构风工程研究方法

1940年11月7日，美国Washington州Tacoma悬索桥由于自激颤振作用在八级风力作用下发生结构损毁，这起事故让人们意识到，即使不是很强的风力，在某些条件下，也会成为致使结构破坏的罪魁祸首，从而认识到研究风工程的必要性。这起震惊工程界的事故，开启了土木工程风致振动研究的新纪元，并在此基础上发展了几十年，演变成了一门新兴学科——风工程学[1]。风工程是包含气象学、空气动力学、弹性力学、结构力学等多学科交叉的一门新兴学科。而计算风工程是结构风工程中一个很有发展前途的领域。

目前，结构风工程研究方法总结起来主要有以下四种：（1）理论分析；（2）现场测试；（3）风洞试验；（4）数值模拟。

数值模拟

理论分析

风洞试验

现场测试

图1‑1 结构风工程的四种研究方法

理论分析

结构风工程的理论基础建立在概率统计学和随机振动理论之上。结构风工程理论的关键是人工模拟随机风荷载，同时考虑风荷载的时间性和空间性以及建筑结构的动力特性等因素，利用振型叠加法和时程分析法等进行结构运动方程的求解，最终获得结构风荷载及其动力响应。理论分析方法的优点在于所得的结果具有普遍性，是验证新的数值计算方法和指导实验研究的理论基础[5]。其缺点在于，对于大多数非线性流动来说，是无法求得其解析解的，这就体现出理论分析的局限性。理论分析方法主要用于指导实践，但尚未完全应用于实际工程。

现场测试

现场测量是最为直观的研究方法，利用仪器对现场的风速、风压进行实测，得到的结果令人信服。但是现场实测与风洞试验和数值模拟相比，既要耗费大量的人力、物力、财力，也因实际操作存在困难而无法测得所有的点。此外，现场实测只能对已有建筑物进行测量，而无法测量拟建建筑，也就无法利用现场测量的数据对建筑的设计施工给出建议。因此该方法具有一定的局限性，没有被广泛应用[3]。

风洞试验

1960年代初，加拿大WesternOntario大学和美国Colorado大学建造了结合湍流边界层模型的风洞，随之而后的数以百计的边界层风洞在世界各地建成。风洞试验是在风洞试验室中，建立建筑的缩尺模型，模拟建筑在真实风场中的情况，通过在模型上及其周围布置测量仪器来获得试验数据。风洞试验在建筑及建筑周围风环境的研究中占有重要地位，但风洞试验还存在着许多不足之处。试验中必须采用几何缩尺模型，不能很好地反映出风力作用对建筑细部的响应。测试要求必须满足相似性原则。然而，在传统的试验条件下，有些情况是无法实现的。例如，高雷诺数流动和绕流脉动特性在风洞内难以较好模拟出。同时，由于在近地面风具有较大的湍流度和随机性，边界层湍流结构较复杂，难以在风洞中进行准确的模拟，因此试验结果与实测值必然存在一定的差异[4]。另外，风洞施工成本高、试验过程成本高、周期长，在结构设计中需要比较多种方案。由于风洞试验的局限性和计算机技术的飞速发展，数值模拟方法逐渐成为继风洞试验后，模拟建筑表面风压，周围风环境及其湍流特性的一种有效方法。

数值模拟

计算流体动力学是计算风工程方法（Computational Wind Engineering，简称 CWE）的核心内容，利用计算机对建筑周围的流场遵循的流体力学方程进行求解，并将数据图形化，以便更加直观地分析。相比于现场测量，数值模拟方法不受环境影响，计算周期短，且各个位置的数据都能测得，其优点归纳为：1．成本低；2．速度快；3．数据丰富，可以得到整个风场中各个物理量（如速度、压力、湍流动能等），并对其进行全面的分析研究；4．具有模拟真实条件的能力，能够按照1：1的比例建立数值模型，模拟实际的风环境，避免在风洞试验中由于缩尺效应引起的误差；5．能够随时改变各种条件进行模拟计算，十分的方便^[2]。CWE 技术在传统的风洞试验所不能解决的问题上具有广阔的前景，数值模拟方法还有更广阔的发展空间[6]。

基于数值模拟方法的优点，本文运用计算流体力学知识，采用计算风工程方法对建筑物周围风流场进行分析研究。

数值模拟研究现状

得益于计算机技术的迅速发展，数值模拟方法在全球各地学者的研究之下日益完善，其在实际工程中的应用也越来越广泛。

国外研究现状

在20世纪40年代初期，就有英国学者Thom利用手摇式计算机对二维的流体力学偏微分方程进行求解，在当时，将流体力学理论与计算机技术结合起来的伟大创举，引起了全世界范围内的关注，标志着计算流体力学这门学科的诞生。到了80年代中期左右，计算机技术有了突飞猛进的发展，人们开始对建筑物表面风压及周边行人风环境进行数值模拟研究，如Murakami等就曾使用k-ε模型数值模拟立方体建筑模型的绕流风场和表面风压。1989年，Stathopoulos[8]等采用标准k-ε模型对数个方形建筑组成的建筑群的风环境进行数值模拟计算，并得到相关风速场的特性，但他们研究还只是体型较为简单建筑的风速场。四年后，S.Murakami通过对比k-ε、LES和ASM三种湍流模型，比较了三种模型在模拟相同风场时计算出的不同结果，并与风洞实验测得的数据相互验证，发现k-ε模型在模拟钝体绕流风场时比较有优势，而LES和ASM模型在预测表面风压和湍流分布时模拟效果较好。1995年，Tamura.T将二维不可压缩Navier-Stokes方程的高阶有限差分计算应用于涡旋运动与圆柱扭转振动之间的动态相互作用[9]。2004年，F.S.Lien等以一排长方体建筑为研究对象，采用不同湍流模型模拟其周边风环境，通过对比试验数据发现k-ε模型对此类建筑更加适用[1]。

国内研究现状

我国到八十年代后期才逐步开始对建筑物进行了探索性的数值模拟研究，限于当时计算流体力学理论和计算机技术的发展水平，大量学者只能以简单外型结构的单体模型为研究对象进行数值模拟，其中绕立方体的流动问题已经成为数值计算中的经典问题，为后世积累了大量的数据。1990年，汤广发和张维等对二维建筑物进行了数值模拟，得到建筑物绕流速度场及其表面的风压分布，然后将结果与风洞试验的结果相比较，初步形成了对建筑风压与周围风环境的研究思路。1994年，汤广发等以一栋立方体建筑为研究对象，采用k-ε模型对其进行数值模拟，获得建筑压力分布图和建筑周边的风速矢量图，与试验结果基本一致，验证了数值模拟方法的可行性。三年后，浙江大学陈水福等以一立方体建筑为研究对象，对其表面风压分布进行了研究，并给出了风压系数C_p。2000年，同济大学黄本才、郑本辉[10]等对一栋高层建筑进行数值模拟，计算结果与风洞试验结果相比之后，发现除背面的压力系数不够均匀外，其余部分与试验结果大体一致。2006年，苏国等以一栋体型复杂的高层建筑为模拟对象，依次采用标准k-ε模型和RNG k-ε模型对其绕流风场进行数值计算，得到其表面风压分布，发现建筑物迎风面风压系数沿水平方向的变化趋势与规则体型建筑基本一致。2013年，林金贤等对台中市七期重划区与台北市中山区进行风环境数值模拟分析，发现标准k-ε紊流模式的收敛性比RNG k-ε紊流模式好，且LES紊流模式模拟的风速扰动量比风洞试验低得多。

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