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数值风洞在山地城市建设中的应用摘要 在山地地区，地形的影响使风场更加复杂化，高层建筑和大跨度桥梁对于风荷载又极其敏感，因此在结构设计时需要精确考虑山地对风荷载和风致响应的影响本文研究了数值风洞在山地城市建设中的应用，包括在高层建筑、桥梁工程抗风设计中应用，对数值风洞在未来城市规划和建设中的应用进行了展望关键词：山地城市；高层建筑；大跨度桥梁；数值风洞1. 引言 我国是多山国家，山地面积约600万平方公里，占中国国土面积的65%，山地城镇占全国城镇总数的一半西部12个省、市、自治区山地面积约400万平方公里，又占中国山地面积的65%左右，尤其是西南地区，是典型的山地地貌，地形高低起伏在山区环境中，由于地形诱导和热交换等因素，地形对气流作用产生的加速或风切变较为普遍，由此山区低空风场可能对建筑物产生不利的荷载作用同时，随着新的建筑材料不断应用以及设计，施工技术的飞速发展，使建筑物结构型式发生了变化，且跨度不断增大，高度不断增加，体型更趋复杂，风荷载已成为结构设计最主要的控制荷载之一，而风洞试验成为这些土木工程抗风性能研究的重要手段但是，风洞试验也存在以下两个问题：一是准备时间长、试验费用高；二是风洞试验模型的缩尺比一般在1/100以上，这样就存在风洞试验中的雷诺数与真实流场的雷诺数相差两个量级，目前，由于雷诺数效应引起的误差尚无法估计和克服。

气流在大气边界层中的流动属于湍流，同时风工程研究的重点是钝体空气动力学，虽然计算风工程领域经过许多学者的努力，已经取得了许多成就，但至今其研究还是属于比较困难的领域，表现在建筑物或结构物总是在地表边界层内流场中存在,成为风流动中具有“纯体”的障碍物纯体周围的流场很复杂，它由撞击、分离、回流、环绕和涡流等组成，因此数值风洞（也称为计算风工程）包含了当今世界上被认为是困难的所有流体动力学内容 尽管如此，数值风洞在城市和土木工程领域中的发展是很快的，由基础的研究开始逐步进入应用阶段，具体地表现在绕纯体流动的速度和压力场的分析、绕建筑物近地面步行风问题的分析、城市和区域气候分析、市区户外气候分析、绕建筑物或城区大气扩散分析，以及流体与结构气弹性耦合的基础研究等 数值风洞与实际风洞试验相比，具有如下的优点： 1）具有模拟真实风环境的能力，这样可以按实际的风环境进行仿真和模拟； 　　2）可以构建原型尺度的计算模型，避免了风洞试验只能进行缩尺实验的不足，避免了雷诺数效应 3）节省经费，时间投入短 数值风洞试验的关键问题是要选取合理的湍流模型以及湍流边界条件，其中在湍流边界条件中，湍动能和湍动能耗散率是两个重要的物理量。

目前，随着湍流物理模型的发展，加之计算技术和软、硬件的飞速进步，在结构风工程领域中，对刚体建筑物壁面的平均风压及其周围风流场进行数值模拟已成为现实，国内外已采用数值模拟方法完成了许多高层建筑（或高层建筑群）、大跨屋盖结构等风荷载的预测、建筑群风环境的模拟，数值风洞技术受到了工程界和结构设计人员的欢迎2. 数值风洞模拟复杂山地地貌近地风场在山地地区，地形的影响使风场更加复杂化，柔性的高层建筑对于风荷载又极其敏感，因此在结构设计时需要精确考虑山地对风荷载和风致响应的影响因此，山地风场的特性是工程师所关注的可利用商业流体力学模拟软件FLUENT对各个试验工况进行了数值模拟对不同高度、不同坡度、不同表面粗糙长度的山体，考虑了来流参数如平均风剖面、湍流度剖面等的影响，得到了山地风场分布的大致规律如图1所示 图1 风越山体的数值模拟3. 数值风洞在高层建筑抗风设计中的应用重庆亚太商谷北地块坐落于重庆市主城区南坪会展中心旁，它由4栋超高层住宅楼及2栋超高层综合楼组成其中，1号楼为住宅楼，结构计算高度为212.25米，最高层数为48层；2-4号楼为住宅楼，结构计算高度为121.75米，5-6号综合楼结构计算高度为100米，均为超高层住宅。

整个商业中心属于超高层建筑群，且项目场地及周边地形高差较大，1、5、6号楼与2-4号楼底部高差最大处近30米，建筑物整体和局部位置风荷载的取值缺乏规范依据数值风洞计算网格如图2所示图2 重庆亚太商谷地形与建筑几何模型的网格划分数值模拟中对不同的风向采用不同的地貌类别进行考虑当风从长江吹来时，地表较空旷，地表粗糙度类别可定为C类，取地表粗糙度指数；而当风从南坪中心城区吹来时，地表高层建筑较多，地表粗糙度类别可定为D类，取地表粗糙度指数，100年重现期的基本风压为0.45kN/m2，折算标准地貌下基准风速V10为： （1）空气的运动黏度ν=1.46×10-5 m2/s，特征长度取建筑物最大高度约200 m，据此估算雷诺数为： （2）该数值远远超出平板外部绕流的临界雷诺数，可采取湍流模型模拟流场数值风洞的结果在亚太商谷的设计中得到了应用4. 数值风洞在大跨度桥梁结构抗风设计中的应用重庆朝天门长江大桥总长4158m，全桥由江北立交、长江大桥、弹子石立交、黄桷湾立交及连接道路组成长江大桥主桥长932m，北引桥314m南引桥长495m，190m＋552m＋190m的三跨连续中承式钢桁系杆拱桥，在同类型桥梁中，主跨552m居世界第一。

重庆大学对该桥进行了系统的风洞模型试验和数值风洞试验研究如图3所示 图3 重庆朝天门长江大桥风洞试验在均匀流场的情况下，数值风洞模拟的结果与实际风洞试验结果吻合良好，但在湍流风场的情况下，数值风洞模拟的结果与实际风洞试验结果吻合程度较差，这表明，数值模拟中选择的湍流模型存在较大问题，这需要今后进一步的研究5. 数值风洞在未来城市规划中的应用展望随着世界各国对地球环境和节能减排的重视，城市污染物的扩散和控制在未来城市规划中将得到越来越重要的关注图4为日本对大气污染物PM2.5扩散过程的风洞试验图4 日本大气污染物PM2.5扩散过程的风洞试验我们相信，随着流体力学中湍流物理模型的发展，加之计算技术和软、硬件的飞速进步，数值风洞也会很快应用于我国各大城市大气污染物PM2.5以及其它污染物的扩散过程模拟分析中，并对未来城市建设和城市规划的决策中发挥越来越重要的作用参考文献[1] 日本建筑学会，建筑风荷载流体计算指南，中国建筑工业出版社，2010年12月[2] 李正良等;，山地超高层建筑风致响应研究，振动与冲击，2011 年第5 期[3] 王贤亮等，朝天门长江大桥运营状态气弹模型风洞试验抖振分析，四川建筑，2008年第3期[4] 王福军编著，计算流体动力学分析，清华大学出版社，2004年9月。