風(fēng)荷載數(shù)值模擬的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)際上對(duì)建筑表面風(fēng)壓及周圍風(fēng)環(huán)境的數(shù)值模擬研究大致開(kāi)始于 80 年代中

期，當(dāng)時(shí)的研究對(duì)象主要是立方體建筑受法向來(lái)流時(shí)的流動(dòng)現(xiàn)象，采用的網(wǎng)格為

直角坐標(biāo)格式，湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)的雙方程模型[20]。90 年代初，模擬不同風(fēng)向作用

下的立方體建筑，矩形截面高、低層建筑的風(fēng)載問(wèn)題已經(jīng)出現(xiàn)，采用的網(wǎng)格多為

結(jié)構(gòu)化直角坐標(biāo)網(wǎng)格或簡(jiǎn)單代數(shù)生成的貼體坐標(biāo)網(wǎng)格。

除矩形截面建筑外，對(duì)其他體型建筑物的數(shù)值模擬相對(duì)較少。例如瑞典的Haggkvist 

等(1989)、法國(guó)的 Delaunay 等(1995)對(duì)一高坡屋頂?shù)蛯臃课莘謩e進(jìn)行了

數(shù)值模擬，對(duì)斜坡屋面分別采用了直角階梯網(wǎng)格和貼體坐標(biāo)網(wǎng)格，結(jié)果表明后者

效果比較理想。對(duì)于群體建筑的風(fēng)載及風(fēng)環(huán)境問(wèn)題，目前的研究更少些。日

本的 Murakami 等(1990)、Baskaran 等(1990)采用直角坐標(biāo)網(wǎng)格及標(biāo)準(zhǔn)k ?ε 模型，

分別對(duì)四幢和六幢單體型的群體建筑作了數(shù)值模擬，模擬得到的建筑周圍風(fēng)速分

布與試驗(yàn)值間的最大誤差約為 30%。

近幾年來(lái)國(guó)外在這方面的研究主要集中在各種湍流模型精度對(duì)比以及 CFD

數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比上。Colorado State University 的 R.B.Meroney 等

運(yùn)用 FLUENT4.4.8（美國(guó)著名 CFD 商業(yè)軟件），分別采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化

網(wǎng)格劃分方法，分別對(duì)四個(gè)基本的建筑形狀，一個(gè)二維的街道峽谷、兩個(gè)矩形棱

柱、一個(gè)立方體建筑同時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)k ?ε 模型，改進(jìn)型的k ?ε 模型和 RSM 模型進(jìn)

行了測(cè)試，并與風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了比較。證明了，數(shù)值模擬風(fēng)壓的方法是相

當(dāng)理想的，即使在流場(chǎng)條件不完全相同的情況下，數(shù)值模擬結(jié)果跟實(shí)際的結(jié)果也

基本吻合，這表明平均風(fēng)壓對(duì)湍流模型的選取并不敏感；這些模型能夠模擬鈍體

迎風(fēng)面、側(cè)面以及頂部的流場(chǎng)，但是鈍體背面的尾流區(qū)域模擬的結(jié)果有些偏大；

RSM 模型相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn) 模型和改進(jìn)型的 模型來(lái)說(shuō)能去模擬出更好的結(jié)果；合理的

網(wǎng)格劃分能夠使數(shù)值模擬的結(jié)果更加準(zhǔn)確。加拿大的 University of Waterloo 的 Y. 

Cheng，F(xiàn).S. Lien 等對(duì)矩形立方體型狀的建筑物周圍的流場(chǎng)采用 LES 方法和標(biāo)

準(zhǔn) 模型方法進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，LES 方法鈍體流場(chǎng)的模擬的各個(gè)方面都要

比標(biāo)準(zhǔn) k ?ε 模型方法更準(zhǔn)確更有效，但是，LES 的計(jì)算時(shí)間約是標(biāo)準(zhǔn) k ?ε 模型

的 100 倍。

國(guó)內(nèi)關(guān)于 Computational Wind Engineering (CWE)的研究是最近幾年逐步開(kāi)展

起來(lái)的。由于數(shù)值模擬技術(shù)的眾多優(yōu)越性及其巨大潛力，CWE 技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)

用和發(fā)展十分迅速，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)科學(xué)工作者正在投入到這項(xiàng)研究中來(lái)。

五年前，國(guó)內(nèi)的 CWE 研究主要集中在數(shù)值模擬計(jì)算一些簡(jiǎn)單立方體結(jié)構(gòu)的

風(fēng)場(chǎng)和壓力場(chǎng)，計(jì)算精準(zhǔn)度較低；近幾年隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的提升以及國(guó)外一

些成熟的 Computational Fluid Dynamics (CFD)商業(yè)軟件在國(guó)內(nèi)的發(fā)行，CWE 的研

究已經(jīng)轉(zhuǎn)向了運(yùn)用 CFD 軟件來(lái)模擬實(shí)際建造的具有復(fù)雜形體的建筑結(jié)構(gòu)物風(fēng)場(chǎng)

及建筑物群的風(fēng)環(huán)境問(wèn)題，取得了不少成果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院在這

方面做了大量研究工作。秦云，張耀春等使用 FLUENT 軟件研究了高層開(kāi)洞

建筑、獨(dú)立支撐廣告牌等結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬技術(shù)，并討論了兩高層建筑間的風(fēng)致干

擾效應(yīng)。武岳、沈世釗等建立了一種適用于索膜結(jié)構(gòu)流固耦合風(fēng)振分析的數(shù)值

模擬方法，并編制了相應(yīng)的有限元程序 MFSI。孫曉穎，沈世釗等運(yùn)用

FLUENT 軟件討論了風(fēng)向角、跨高比、屋面坡度、來(lái)流條件、地面粗糙度等因素

對(duì)大跨度平屋面風(fēng)壓力的分布情況的影響，與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。同濟(jì)大學(xué)

在 CWE 方面也做了不少研究工作。楊偉，顧明用 FLUENT 軟件采用混合網(wǎng)格

劃分技術(shù)，選用標(biāo)準(zhǔn) 及 Realizable 兩種湍流模型計(jì)算了單棟高層建筑的三維定

常風(fēng)流場(chǎng)，得出了結(jié)果符合工程精度的要求。周大偉、黃本才等32利用 CFX5.5

數(shù)值模擬了上海金茂大廈周圍的風(fēng)流場(chǎng)和其壁面平均風(fēng)壓，研究了金茂大廈周圍

另外兩棟超高層大廈對(duì)其風(fēng)環(huán)境的影響，并分析了大廈街區(qū)的步行風(fēng)適應(yīng)性分

析。張昕、齊輝等對(duì)廈門國(guó)際會(huì)展中心建筑物進(jìn)行數(shù)值模擬，多角度風(fēng)向下的

平均風(fēng)壓分布，取得了和風(fēng)洞試驗(yàn)相近的結(jié)果。汪叢軍、林穎儒等[34]數(shù)值模擬了

越南國(guó)家體育場(chǎng)屋蓋平均風(fēng)壓及風(fēng)環(huán)境影響。清華大學(xué)的陳建國(guó)、錢煒祺等[35]采

用標(biāo)準(zhǔn)k ?ε 湍流模型對(duì)北京海淀區(qū)藍(lán)旗營(yíng)住宅樓群的二維和三維風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了數(shù)

值模擬，對(duì)該區(qū)住宅樓的風(fēng)載荷進(jìn)行了頻譜分析。浙江大學(xué)陳水福，孫炳楠等[36]

采用數(shù)值模擬方法對(duì)聯(lián)體型高層建筑“之江大廈”的表面風(fēng)壓進(jìn)行了計(jì)算，并在邊

界層風(fēng)洞中對(duì)大廈的風(fēng)壓作了模型試驗(yàn)測(cè)定。數(shù)值模擬基于 N-S 時(shí)均方程，運(yùn)用

了一種擴(kuò)展的 k ?ε 湍流模型；由有限體積法實(shí)現(xiàn)了控制微分方程的離散，

SIMPLEC 算法實(shí)現(xiàn)了非線性離散化方程的迭代求解。計(jì)算得到的風(fēng)壓值與風(fēng)洞

試驗(yàn)值作了比較，結(jié)果表明數(shù)值模擬較好地反映了聯(lián)體型高層建筑各表面風(fēng)壓的

分布情況，由其得到的風(fēng)壓系數(shù)與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)有較好的吻合。北京大學(xué)顧志福

等對(duì)大坡度膜結(jié)構(gòu)屋面進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)得出了以下結(jié)論：對(duì)于大坡面膜結(jié)構(gòu)屋

面，坡度的隨緩和風(fēng)向角的不同對(duì)風(fēng)荷載的影響很大。在多數(shù)情況下作用在屋面

上的風(fēng)荷載是負(fù)壓，即向上的吸力。另外屋脊和屋檐部分的風(fēng)荷載往往是最大

的，特別是靠近屋脊部分屋面的風(fēng)壓變化很大。處于背風(fēng)部分的屋面作用是較為

均勻的負(fù)壓，但其數(shù)值有時(shí)相當(dāng)大。大坡度屋面的風(fēng)壓最大值和局部風(fēng)壓分布最

大值往往出現(xiàn)在風(fēng)向斜對(duì)屋面時(shí)。

綜上可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)近年來(lái)利用 CFD 模擬建筑風(fēng)荷載效應(yīng)的成果是顯著的，并

且得到了比較實(shí)用的結(jié)論，為今后 CFD 模擬的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)也

能看到，對(duì)于膜結(jié)構(gòu)這種輕型建筑類型，風(fēng)荷載的控制至關(guān)重要，設(shè)計(jì)人員對(duì)于

此類結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載效應(yīng)的指導(dǎo)類資料也非常需要的，但是相關(guān)資料和研究比較缺

乏。即使有學(xué)者研究膜結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載方面的模擬，體型局限性太大，不能很好滿足

現(xiàn)有膜結(jié)構(gòu)體型設(shè)計(jì)的要求。