風荷載數(shù)值模擬的國內外研究現(xiàn)狀

國際上對建筑表面風壓及周圍風環(huán)境的數(shù)值模擬研究大致開始于 80 年代中

期，當時的研究對象主要是立方體建筑受法向來流時的流動現(xiàn)象，采用的網(wǎng)格為

直角坐標格式，湍流模型為標準的雙方程模型[20]。90 年代初，模擬不同風向作用

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

結構化直角坐標網(wǎng)格或簡單代數(shù)生成的貼體坐標網(wǎng)格。

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

等(1989)、法國的 Delaunay 等(1995)對一高坡屋頂?shù)蛯臃课莘謩e進行了

數(shù)值模擬，對斜坡屋面分別采用了直角階梯網(wǎng)格和貼體坐標網(wǎng)格，結果表明后者

效果比較理想。對于群體建筑的風載及風環(huán)境問題，目前的研究更少些。日

本的 Murakami 等(1990)、Baskaran 等(1990)采用直角坐標網(wǎng)格及標準k ?ε 模型，

分別對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速分

布與試驗值間的最大誤差約為 30%。

近幾年來國外在這方面的研究主要集中在各種湍流模型精度對比以及 CFD

數(shù)值模擬和風洞試驗結果對比上。Colorado State University 的 R.B.Meroney 等

運用 FLUENT4.4.8（美國著名 CFD 商業(yè)軟件），分別采用結構化網(wǎng)格和非結構化

網(wǎng)格劃分方法，分別對四個基本的建筑形狀，一個二維的街道峽谷、兩個矩形棱

柱、一個立方體建筑同時采用標準k ?ε 模型，改進型的k ?ε 模型和 RSM 模型進

行了測試，并與風洞試驗的結果進行了比較。證明了，數(shù)值模擬風壓的方法是相

當理想的，即使在流場條件不完全相同的情況下，數(shù)值模擬結果跟實際的結果也

基本吻合，這表明平均風壓對湍流模型的選取并不敏感；這些模型能夠模擬鈍體

迎風面、側面以及頂部的流場，但是鈍體背面的尾流區(qū)域模擬的結果有些偏大；

RSM 模型相對于標準 模型和改進型的 模型來說能去模擬出更好的結果；合理的

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

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

準 模型方法進行了模擬。結果表明，LES 方法鈍體流場的模擬的各個方面都要

比標準 k ?ε 模型方法更準確更有效，但是，LES 的計算時間約是標準 k ?ε 模型

的 100 倍。

國內關于 Computational Wind Engineering (CWE)的研究是最近幾年逐步開展

起來的。由于數(shù)值模擬技術的眾多優(yōu)越性及其巨大潛力，CWE 技術在國內的應

用和發(fā)展十分迅速，越來越多的國內科學工作者正在投入到這項研究中來。

五年前，國內的 CWE 研究主要集中在數(shù)值模擬計算一些簡單立方體結構的

風場和壓力場，計算精準度較低；近幾年隨著計算機硬件技術的提升以及國外一

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

究已經(jīng)轉向了運用 CFD 軟件來模擬實際建造的具有復雜形體的建筑結構物風場

及建筑物群的風環(huán)境問題，取得了不少成果。哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院在這

方面做了大量研究工作。秦云，張耀春等使用 FLUENT 軟件研究了高層開洞

建筑、獨立支撐廣告牌等結構的數(shù)值模擬技術，并討論了兩高層建筑間的風致干

擾效應。武岳、沈世釗等建立了一種適用于索膜結構流固耦合風振分析的數(shù)值

模擬方法，并編制了相應的有限元程序 MFSI。孫曉穎，沈世釗等運用

FLUENT 軟件討論了風向角、跨高比、屋面坡度、來流條件、地面粗糙度等因素

對大跨度平屋面風壓力的分布情況的影響，與風洞試驗結果吻合良好。同濟大學

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，選用標準 及 Realizable 兩種湍流模型計算了單棟高層建筑的三維定

常風流場，得出了結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流場和其壁面平均風壓，研究了金茂大廈周圍

另外兩棟超高層大廈對其風環(huán)境的影響，并分析了大廈街區(qū)的步行風適應性分

析。張昕、齊輝等對廈門國際會展中心建筑物進行數(shù)值模擬，多角度風向下的

平均風壓分布，取得了和風洞試驗相近的結果。汪叢軍、林穎儒等[34]數(shù)值模擬了

越南國家體育場屋蓋平均風壓及風環(huán)境影響。清華大學的陳建國、錢煒祺等[35]采

用標準k ?ε 湍流模型對北京海淀區(qū)藍旗營住宅樓群的二維和三維風環(huán)境進行了數(shù)

值模擬，對該區(qū)住宅樓的風載荷進行了頻譜分析。浙江大學陳水福，孫炳楠等[36]

采用數(shù)值模擬方法對聯(lián)體型高層建筑“之江大廈”的表面風壓進行了計算，并在邊

界層風洞中對大廈的風壓作了模型試驗測定。數(shù)值模擬基于 N-S 時均方程，運用

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

SIMPLEC 算法實現(xiàn)了非線性離散化方程的迭代求解。計算得到的風壓值與風洞

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

分布情況，由其得到的風壓系數(shù)與風洞試驗數(shù)據(jù)有較好的吻合。北京大學顧志福

等對大坡度膜結構屋面進行了風洞試驗得出了以下結論：對于大坡面膜結構屋

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

上的風荷載是負壓，即向上的吸力。另外屋脊和屋檐部分的風荷載往往是最大

的，特別是靠近屋脊部分屋面的風壓變化很大。處于背風部分的屋面作用是較為

均勻的負壓，但其數(shù)值有時相當大。大坡度屋面的風壓最大值和局部風壓分布最

大值往往出現(xiàn)在風向斜對屋面時。

綜上可見，國內近年來利用 CFD 模擬建筑風荷載效應的成果是顯著的，并

且得到了比較實用的結論，為今后 CFD 模擬的發(fā)展奠定了堅實的基礎。同時也

能看到，對于膜結構這種輕型建筑類型，風荷載的控制至關重要，設計人員對于

此類結構風荷載效應的指導類資料也非常需要的，但是相關資料和研究比較缺

乏。即使有學者研究膜結構風荷載方面的模擬，體型局限性太大，不能很好滿足

現(xiàn)有膜結構體型設計的要求。