复杂树状结构与树木挡风效应的数值模拟研究

摘要

为了创造更为舒适的生活居住环境，一般会通过种植绿色植被或者树木来改善房屋周边的风环境以及热环境。当近地风流经树木的过程中，其下游区域气流的能量逐步损失，来流风速会逐步减小，同时其湍流强度会有所增加。在结构风工程以往的研究中一般都忽略建筑物附近树木对其所受风荷载的影响，而是将这种挡风效应划分到不同的场地类别加以考虑，这点针对超高层建筑和大跨度屋盖结构是合理的，但对于低矮房屋，尤其是当其与附近树木植被距离较近，高度相当的时候，树木对低矮房屋的影响就不应被忽视了。同样，树木的存在也会对群体建筑的风环境情况产生一定的影响。鉴于此，研究人员有必要采用某种恰当的手段对实际树木的挡风性能进行研究。首先，本文主要采用CFD数值模拟方法对一新型的复杂树状结构进行了数值模拟，探讨了数值模拟方法模拟实际工程的可行性与精确性。同时，对树木的挡风性能在结构风工程中的应用进行了系统的研究。
　　(1)以珠海市华发艺术馆为工程背景，对工程中的复杂树状结构进行了风洞试验与CFD数值模拟对比研究。数值模拟中着重对其中两个典型树状结构树冠部分的平均风压分布进行了研究分析，研究结果表明:数值模拟计算方法能够较为准确地预测复杂结构平均风压的分布，且单体与群体工况的风洞试验与数值模拟结果都显示各树树冠部分的风压分布受附近树状结构以及艺术馆的干扰较大。同时，结合珠海市多年气象资料对艺术馆主楼的风环境进行了研究，结果可知:艺术馆整体风环境情况较好，仅在部分区域由于“狭管效应”出现了风速比较大的情况。
　　(2)为了研究树木对低矮房屋挡风性能的影响，采用编译UDF的方法修改了动量、湍动能和湍流耗散率方程中的附加源项来模拟风经过树木后的绕流情况，结果表明:附加源项方法可以较好地预测近地风流经树木后的绕流情况，虽然在树木下游区域的某些位置模拟值与实测值存在一定的差异，所得结果的精度已经能够满足实际要求。同时，通过控制树木与房屋的距离、树木的高度和树木的透孔率等参数，系统地研究了树木对一低矮房屋挡风性能的影响，结果显示:树木对低矮房屋屋面迎风区域所受风荷载的影响较大，背风区域的影响较小;从屋面的划分情况来看，低矮房屋的屋脊区域较屋面其他区域而言，受附近树木的影响较小。总体而言，树木对低矮房屋的挡风效应是较为显著的，对减小屋面风荷载具有积极的意义。
　　(3)对某高层住宅小区的风环境情况进行了数值模拟研究，采用合理种植树木的方法对该住宅小区的风环境情况进行优化设计研究，模拟过程中将树木定义为多孔介质域，以此来解决划分网格的难度问题，结果表明:植被的存在合理地增加了小区内部的气流流动的复杂程度，有效地降低行人通道内的强风区域的面积，从而达到改善风环境的目的。
　　(4)本文的最后对全文所做的研究工作进行了总结和展望，本文的相关成果也可以为实际工程的抗风设计提供有价值的参考。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 大气边界层的风特性

1．2．1 大气边界层

1．2．2 平均风速剖面

1．2．3 脉动风特性

1．2．4 风对建筑结构的作用

1．3 结构风工程的主要研究方法

1．3．1 现场实测(Field Measurement)

1．3．2 风洞试验(Wind Tunnel Test)

1．3．3 数值模拟(Numerical Simulation)

1．4 本文研究的主要工作

1．4．1 国内外的研究现状

1．4．2 本文的研究意义和创新工作

1．4．3 本文主要的研究内容

第2章 计算风工程理论与方法

2．1 计算风工程简介

2．2 流体基本控制方程及其通用形式

2．2．1 质量守恒方程(mass conservation equation)

2．2．2 动量守恒方程(momentum conservation equation)

2．2．3 能量守恒方程(energy conservation equation)

2．2．4 控制方程的通用形式

2．2．5 对控制方程的进一步讨论

2．3 数值模拟过程中控制方程的离散

2．3．1 离散化的目的

2．3．2 离散时所使用的网格

2．3．3 常用的离散化方法

2．4 数值模拟过程中的常用离散格式

2．4．1 中心差分格式(central differencing scheme)

2．4．2 一阶迎风格式(first order upwind scheme)

2．4．3 二阶迎风格式(second order upwind scheme)

2．4．4 QUICK格式(QUICK scheme)

2．4．5 各离散格式的性能对比

2．5 流场的数值算法

2．5．1 SIMPLE算法

2．5．2 SIMPLEC算法

2．5．3 SIMPLER算法

2．5．4 PISO算法

2．6 湍流的数值模拟方法

2．6．1 直接数值模拟法(DNS)

2．6．2 大涡模拟法(LES)

2．6．3 Reynolds平均法(RANS)

2．7 计算流体软件FLUENT平台

2．7．1 数值平台的构成

2．7．2 FLUENT适用对象

2．7．3 FLUENT求解步骤

2．7．4 UDF概述

2．8 本章小结

第3章 复杂树状结构的风洞试验与数值模拟研究

3．1 风洞试验及数据处理

3．1．1 工程背景

3．1．2 风洞试验简介

3．1．3 数据处理

3．1．4 结果分析

3．2 数值模拟

3．2．1 计算模型的建立和边界条件的设置

3．2．2 网格的划分及其他参数设置

3．2．3 物理湍流模型的选取

3．2．4 数值模拟与风洞试验结果的对比与讨论

3．3 艺术馆风环境及行人舒适度分析

3．4 本章小结

第4章 树木对低矮房屋挡风性能的模拟研究

4．1 树木挡风性能的模拟方法

4．2 树木挡风性能的数值验证

4．2．1 计算模型的建立

4．2．2 网格划分和边界条件的设置

4．2．3 求解方式和计算参数的设置

4．2．4 湍流模型的选择及数值验证

4．3 附近树木对低矮房屋屋面风荷载的影响

4．3．1 计算模型的建立

4．3．2 网格划分和边界条件的设置

4．3．3 数据处理

4．3．4 树木与房屋距离的影响

4．3．5 树木高度的影响

4．3．6 树木透孔率的影响

4．4 本章小结

第5章 高层住宅小区建筑风环境的数值模拟及优化设计研究

5．1 住宅小区风环境生态性评价体系的建立

5．1．1 不均匀系数

5．1．2 风速改变系数

5．1．3 建筑风环境生态性评价及优化设计的工作流程

5．2 湍流模型的验证

5．2．1 单个建筑物流场的模拟值与风洞试验值的比较

5．2．2 群体建筑物流场的模拟值与风洞试验值的比较

5．3 住宅小区风环境数值模拟及优化设计

5．3．1 住宅小区风环境的模拟研究

5．3．2 住宅小区风环境的优化设计

5．4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所发表的论文