低矮双坡建筑屋面流固耦合作用研究

高歌1

摘要：为研究单体低矮双坡建筑屋面的流固耦合作用，基于LSDYNA建立了数值仿真模型，分析了风荷载作用与流固耦合作用对稳定流场特性、屋面风荷载与动力响应的影响规律。结果表明：非流固耦合阶段的稳定风速场在竖向体现分层特性，将建筑上空区域化划分层三个流速区，该阶段内流体仅在建筑四周较小范围产生绕流，绕流区域外侧风速增大；流固耦合阶段的稳定风场在来流方向体现分区特性，流体不仅在建筑前侧产生较大的绕流，并在建筑后侧形成湍流，湍流外部风速较大，内部风速较小，且湍流沿来流方向逐渐耗散，即流固耦合作用下的风场特性更符合实际情况。非流固耦合阶段，屋面板的风吸荷载波动较大，整体幅值较大，但其风致振动位移平稳波动，两者变化趋势不一致；流固耦合阶段内屋面板的风致振动位移变化趋势与荷载变化趋势一致，幅值均呈现先减小波动，后逐渐趋于平稳的趋势，即流固耦合作用计算的荷载与位移变化规律更接近实际情况。

关键词：低矮建筑；双坡屋面；流固耦合；流场，风荷载，动力响应

1.引言

近年来，随着计算机的快速发展，计算流体动力学(CFD)的数值模拟技术因其显著的优势，在风工程领域的研究得到了广泛应用，并取得了深入发展，但其计算结果的准确性和数值精度仍是广大学者关注的重点。

曾锴[1]等从数值风洞大小的选取、湍流物理模型、网格和对流项适值阶数等几个关键因素分析计算风工程结果的精度，给出了合理选取建筑数值风洞大小、最好采用SSTk-ω或BSL雷诺应力湍流物理模型及在建筑模型中的不同区域应按不同的网格尺度要求划分网格的建议。王沾祎[2]等采用CFD数值风洞技术，验证其可靠性并研究低矮建筑双坡屋面表面风压在不同风向角下的分布特点，同时根据规范讨论高度对正多边形建筑整体阻力系数的影响。金微[3]采用CFD数值风洞方法，研究低矮建筑标准模型表面风压在不同风向角的分布特性以及压力系数变化特性，结果表明，斜风来流是对结构抗风更不利的工况，尤其对于局部的围护结构湍流模型对计算结果影响很大，标准x-模型模拟高雷诺数钝体绕流的计算结果不是很理想，RSM模型计算结果较接近试验值，但在流动分离区，二者都过高地预测了负压值。彭兴黔[4]等采用剪切应力输运(SST)k-ω模型，对门式刚架屋面风场和表面风压进行数值模拟分析，结果表明，低矮建筑的屋面分压分布与屋面的长宽比、高宽比及主导风向均有很大的关系；随着高宽比和长宽比的增大，屋面分区的风荷载体型系数的变化呈先平缓后增加的趋势，而屋面坡度变化对风荷载体型系数的影响较小，在门式刚架抗风设计时，高宽比和长宽比最优选择分别为0.38和2.5。戴益民[5]等采用数值模拟与风洞试验对比的方式，验证了数值风洞模拟技术在分析低矮房屋表面风压的可靠性。

风工程的研究主要是对风的作用规律和结构在风作用下的响应的研究。定常风的静力作用下，人们主要关心结构强度和稳定性问题；在非定常风的动力作用下，传统上习惯上用等效静力风荷载来考虑，然而由于风致振动起来的结构反过来又可能改变气流流场和气动力，对于很多风敏感结构，必须考虑结构响应与风载荷的耦合作用[6-8]；如果仅仅把风作为一种荷载，而忽略结构对风的耦合作用，将会导致与事实之间较大的差别[9]。因此，本文基于LS-DYNA中ICFD模块的强FSI功能，通过对比分析的方式，揭示风与结构耦合作用的规律，为结构工程设计提出更可靠的实用方法，防止结构的重大灾变。

2.数值模拟

2.1几何模型

低矮双坡建筑模型的几何尺寸为长×宽×高=6m×3m×4.5m，屋面倾角12°，为研究大风天气下空气流体与屋面板的流固耦合作用，将屋面板划分为8个区域，见图2.1所示。

图2.1 建筑几何模型示意图

参考文献[10]，单体建筑的流域尺寸为长×宽×高=（15h+B）×（L+10h）×6h，流域的几何模型见图2.2所示。

图2.2 流域几何尺寸示意

2.2关键参数

入口边界条件为入口流速（inlet-velocity），设置流域入口风速，流速沿竖向呈梯度变化。出口边界条件为出口压力（outlet-pressure），设置出口压力为零。侧壁和顶壁边界条件为自由滑移边界（free-slip），以模拟大气边界。结构和地面边界条件为无滑移边界（nonslip）。流域边界条件设置见图2.3所示。

图2.3 流域边界条件示意

LS-DYNA不可压缩流求解器（ICFD）基于N-S方程解决完全耦合的FSI流-固耦合问题，其中结构部分采用拉格朗日模型，所有FSI流-固耦合边界都是拉格朗日变形，其结构允许精确地施加边界条件。通过激活结构力学的隐式求解器，从而实现强FSI流-固耦合分析。本文采用其FSI分析中的Boundary_FSI与Control_FSI关键字实现双向耦合分析，让流体将荷载传递给结构，结构将位移传递给流体，从而解决完整的非线性问题。模型计算时长为10s，通过Control_FSI关键字设置第5s开始流固耦合分析，从而在同一模型中实现两种不同的分析，对比前后计算结果即可研究低矮双坡建筑屋面板的流固耦合作用。

3.计算结果

3.1流场特性

图3.1为流场的风速剖面图，0~5s为非流固耦合分析阶段，5~10s为流固耦合分析阶段。非流固耦合分析阶段，结构迎风侧屋面处出现风速极值区域，该区域逐渐向上向外扩散，最终形成帽子形区域，见图3.1（c）所示。流域内结构上方形成三个风速区域，其中顶部的风速逐渐增大形成顶部风速极值区，该区域沿来流方向逐渐向下扩散。同时，该阶段内结构前侧流域内的风场快速趋于稳定，但其后侧流域内风场的零风速区域逐渐脱离结构，并沿来留方向逐渐远离结构，见图3.1（a）~图3.1（c）所示。

T=5s时，模型开始进行流固耦合分析。该阶段内，结构迎风侧屋面上的风速极值区域逐渐消散，顶部风速极值区域先纵向扩散，再向下延升，最终与结构顶部风速极值区域融合，将结构上空流场从中隔断划分为两个流速区域。此外，该阶段内结构的前后侧零风速区域均逐渐扩大，见图3.1（c）~图3.1（e）所示。

 

（a）T=1s                          （b）T=2.5s

（c）T=5s                      （d）T=7.5s

（e）T=10s

图3.1 流场风速分布图

图3.2为流场的流线分布图。非流固耦合阶段，流体仅在结构周围产生绕流，但未在结构背面形成紊流区域，结构顶部的绕流强度随时间逐渐增大，且绕流区域风速大于周围区域的风速，见图3.2（a）~图3.2（c）所示。流固耦合分析阶段，流体遇见结构障碍后从底部向外扩散，并在结构背侧形成紊流区域，该区域外侧风速较大，内侧风速较小甚至趋于零，且该区域随时间逐渐向上向前扩散，该现象与流域内风速场变化规律一致，见图3.2（c）~图3.2（e）所示。

 

（a）T=1s                          （b）T=2.5s

 

（c）T=5s                      （d）T=7.5s

（e）T=10s

图3.2 流场分布图

3.2建筑表面风荷载

图3.3为迎风侧屋盖中间屋面板的竖向风荷载时程曲线。风荷载在非流固耦合阶段波动较大，在流固耦合阶段波动逐渐趋于平稳，风荷载全程为负值，即屋面板受风吸压力作用。图3.4为风荷载时程曲线的滤波曲线，流固耦合开始之前，表面风荷载达到波峰，具有趋于平稳的趋势；流固耦合开始后，表面风吸荷载出现短暂波动后快速减小，该阶段风吸荷载小于前一阶段。

图3.3 屋面板竖向风荷载时程曲线

图3.4 时程曲线滤波

3.3结构动力响应

图3.5为屋面板中心节点竖向位移时程曲线，图3.6为其滤波曲线。0~5s时，屋面板首先在自重作用下产生向下的初始位移，然后在该初始位置呈现规律的风致振动。T=5s时，模型开始流固耦合分析，屋面板在该时刻产生较大的向上位移，随后逐渐逐渐趋于稳定，其风致振动位移与表面风吸荷载变化规律一致。

图3.5 屋面板节点竖向位移时程曲线

图3.4 时程曲线滤波

4.结论

根据上述分析，可得如下结论：

（1）非流固耦合阶段的稳定风速场在竖向体现分层特性，将建筑上空区域化划分层三个流速区，该阶段内流体仅在建筑四周较小范围产生绕流，绕流区域外侧风速增大；流固耦合阶段的稳定风场在来流方向体现分区特性，流体不仅在建筑前侧产生较大的绕流，并在建筑后侧形成湍流，湍流外部风速较大，内部风速较小，且湍流沿来流方向逐渐耗散，即流固耦合作用下低矮双坡建筑的风场特性更符合实际情况。

（2）非流固耦合阶段，屋面板的风吸荷载波动较大，整体幅值较大，但其风致振动位移平稳波动，两者变化趋势不一致；流固耦合阶段内屋面板的风致振动位移变化趋势与荷载变化趋势一致，幅值均呈现先减小波动，后逐渐趋于平稳的趋势；即流固耦合作用的计算结果更接近荷载与位移的变化规律，且两者吻合良好。

参考文献

[1]曾锴，汪丛军，黄本才等.计算风工程中几个关键影响因素的分析与建议[J].空气动力学学报，2007(04):504-508..

[2]王沾祎，钟涛，陈祺等.数值风洞技术与风荷载规范研究[J].工程建设与设计，2020(19):12-13.DOI:10.13616/j.cnki.gcjsysj.2020.10.004.

[3]金微.典型低矮建筑表面风压数值模拟研究[J].建筑技术开发，2019，46(11):7-9.

[4]彭兴黔,刘春艳,徐刚.低矮建筑屋面风荷载体型系数的数值模拟[J].华侨大学学报(自然科学版),2011,32(05):579-583.

[5]戴益民,闫旭光.低矮房屋屋面局部平均风压数值模拟与分析[J].建筑结构,2014,44(19):34-39+56.DOI:10.19701/j.jzjg.2014.19.007.

[6]张兆顺. 湍流理论与模拟[M]. 北京: 清华大学出版社, 2005.

[7]Knight D, Sakel L. Recent advances in DNS and LES[M]. Netherlands: Kluwer Academic Publishers, 1999: 99-110

[8] Kim W, Menon S. Application of the localized dynamic sub-grid-scale model to turbulent wall-bounded ows[C]. Technical Report AIAA-97-0210, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 35th Aerospace Sciences Meeting, Reno,NV, 1997. 

[9]Kolmogorov, Andrey Nikolaevich. Dissipation of energy in locally isotropic turbulence[J]. Proceedings of the USSR Academy of Scienees, 1941, 32: 16-18.

[10]R. Yoshie，A. Mochida，Y. Tominaga，H. Kataoka，K. Harimoto，T. Nozu，T. Shirasawa. Cooperative project for CFD prediction of pedestrian wind environment in the Architectural Institute of JaPan[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics，2007，95(9).