基于LES方法的低层高架建筑风压受湍流强度影响的量化分析

《Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics》：LES-based quantification of turbulence intensity effects on the wind pressure on low-rise elevated buildings

　　王向杰|孙超|蔡C.S.•本文采用大涡模拟方法分析了湍流强度对低层高架房屋风压的影响。•当湍流强度增加30%时，均方根风压仅出现轻微变化（小于5%）。•而峰值风压则会受到湍流强度变化的显著影响。•湍流强度增加30%会导致建筑物不同部位的峰值风压增加超过36%。•这些研究数据可纳入风荷载数据库，为设计规范的修订提供依据。

引言计算流体动力学在计算风工程中得到了广泛应用，涵盖环境与结构领域（Potsis等人，2023年）。在结构应用方面，CFD被用于分析桥梁、高层/低层建筑及其他结构所受的风荷载（Tamura，1999年；Tamura，2008年；Daniels和Xie，2022年）。为捕捉流动的动态特性，大涡模拟通过显式求解大涡，并利用亚格子尺度模型处理小涡，是一种极具前景的方法。该方法被广泛用于描述热带气旋的中尺度（公里级）和微尺度（10米级）风速分布、湍流特征、时空一致性以及气动压力（Bryan等人，2017年；Wang等人，2024a年；Wang等人，2024b年；Chen等人，2022年；Y. Chen等人，2024年；L. Chen等人，2024年）。它有望提升基于解析或经验方法的风荷载估算精度（Zhu等人，2024年；Sun等人，2022年；Zhang等人，2024年；Wang等人，2023年；Wang等人，2021年），并帮助从流场特征角度理解荷载形成机制。然而，现有研究中仍存在LES结果与实验数据之间的差异。正如Potsis等人（2023年）所总结的，当使用LES模拟立方体或高层建筑的风压时，平均压力系数和均方根压力系数可能与实验数据的偏差高达40%。在不同实验中，立方体建筑上同一位置的平均压力系数也可能出现差异。不同LES结果之间也存在类似的变化。Fritz等人（2008年）指出，这些差异源于实验中风场条件的不同以及实验仪器的差别。在LES模拟中，不恰当的物理建模和数值离散化也会导致不同结果之间的差异。根据Yeo（2020年）的研究，包括空间和时间离散化方案在内的数值离散化是最大的误差来源。在所有影响因素中，风场的不确定性和差异性是导致模拟或实验结果变化的主要原因。随机风波动，包括湍流强度、积分湍流长度尺度以及功率谱密度，都是影响压力波动统计特性的关键因素。因此，为获得合理准确的结果，合适的入口条件对于物理实验和数值模拟都至关重要。Wu（2017年）总结了近年来入口生成方法的进展。近期研究已提升了生成方法的无散度条件及空间相关性。Cai等人（2023年）和Li等人（2024年）采用了矢量势概念来生成无散度入口流。Aboshosha等人（2015年）提出了CDRFG（一致离散随机流生成）技术，通过对DSRFG方法进行改进，以更好地满足目标谱要求并提升空间相关性。Yu等人（2018年）提出了NSRFG（窄带合成随机流发生器），通过同时满足三个方向的空间相关性要求，并用简洁的显式参数方程替代数值迭代，进一步提升了精度。Melaku和Bitsuamlak（2021年）通过质量通量校正来确保入口处的无散度条件。Chen等人（2022年）、Lingwei Chen等人（2024年）以及Melaku和Bitsuamlak（2021年）的研究也提升了入口流的空间相关性。此外，L. Chen等人（2024年）还分析了不同入口生成方法带来的人为压力波动。过去几十年中，大量研究通过风洞试验和CFD模拟探讨了湍流强度和积分湍流长度尺度的影响。Ricci等人（2017年）对5:1比例的矩形截面进行了风压模拟，研究了两种湍流强度——弱流动条件下的2.9%和强流动条件下的13.6%。研究发现，湍流强度越大，剪切层不稳定性越靠近前缘，或者分离泡越短。这一结论与后续研究的结果一致（Weilin Li等人，2021年），即在16%湍流强度条件下，平滑流动时的分离泡长度仅为前者的一半。同时，矩形截面上压力的标准差会发生显著变化，而平均压力则仅有轻微影响。Weilin Li等人（2021年）还研究了三种各向同性的湍流强度，分别为1.5%、5.5%和16%。此外，他们还通过将积分湍流长度尺度减半或加倍来研究其影响，发现压力波动对湍流长度尺度并不敏感。Daniels等人（2016年）通过对弹性安装的矩形圆柱体周围流动进行LES模拟，发现当湍流强度加倍时，桥梁的振荡幅度，包括共振响应和发散响应，都会显著降低，这一结果与McLean和Gartshore（1992年）的实验结果一致。相比之下，当积分湍流长度尺度加倍时，桥梁振荡仅发生适度变化。McLean和Gartshore（1992年）建议未来研究应采用更大的积分湍流长度尺度。虽然Daniels等人（2016年）发现当积分湍流长度尺度加倍或减半时，或者Yang等人（2022年）发现将其增加三倍时，压力分布并无明显变化，但当积分湍流长度尺度进一步增大时，压力波动会更加明显。Saathoff和Melbourne（1997年）通过实验研究了具有矩形横截面的二维平板的气动特性。他们发现，当积分湍流长度尺度增加5倍时，最大压力波动的值增加了73.7%，而最大压力出现的位置并未改变。这可能是由于积分湍流长度尺度增大后，分离泡的频率稳定性下降所致。此外，Chen等人（2023年）发现，当湍流强度增加6倍，积分湍流长度尺度增加16倍时，平均压力分布也会发生明显变化。Ming Li等人（2021年）通过对大跨度悬索桥的抖振分析得出，随着湍流长度尺度与桥墩半宽之比的增加，从0.1增加到5，抖振升力的均方根值会呈线性上升。除了针对建筑物在风荷载作用下的结构分析研究（He等人，2017年）、利用CFD确定风压的研究（Thordal等人，2019年）以及风洞模拟研究（Tieleman，2003年）外，现有文献还报道了湍流强度和积分湍流长度尺度对建筑物风压的影响。Daniels等人（2013年）通过比较高层建筑高度23%处的压力均方根值，研究了湍流强度的影响。他们发现，当湍流强度加倍时，迎风面的压力均方根值会增加约61%，而背风面的值则几乎翻倍。Daniels等人（2013年）的发现与Li等人（2020年）的实验研究结果一致，即在顺流向湍流强度大致加倍时，高层建筑迎风面的峰值压力会增加85%，背风面则增加40%。同时，研究还发现，随着顺流向湍流强度的增加，峰值压力出现的位置也会发生变化——湍流强度越大，峰值压力出现的位置越靠近迎风面。Ong等人（2020年）在13%和20%的湍流强度条件下，通过LES模拟了低层建筑的风压，发现吸力存在显著差异。Morrison和Kopp（2018年）在保险业商业与家庭安全研究所的研究中心通过全尺寸实验测试后得出结论：并非单纯的湍流强度，而是特定频率范围（0.1
控制方程通过大涡模拟对湍流风场以及风-结构相互作用进行模拟。不可压缩空气流的les过滤后的纳维-斯托克斯方程如下：??u?=0 ρ?u??t+u???u?=??p?+μ?2u????τsgs+ρg其中u?为过滤后的速度向量，ρ为空气密度，p?为压力，μ为粘度系数，g为重力加速度，τsgs表示亚格子尺度应力张量。在本研究中，采用了壁面自适应局部涡粘性模型。

湍流强度对风压影响的分析。在研究了第2节中的数值风洞模型后，如图2所示，将建筑模型置于x=5hb位置，以模拟风的作用。通过旋转计算域内的建筑模型，模拟了0°、45°和90°三种风向下的情况，相关结果如图8、图9所示。 v<2）内的湍流强度才会对低层建筑屋顶的压力波动产生实质影响，其中f为频率，h为建筑高度，v为平均参考风速。此外，顺流向湍流强度是导致压力放大的主要因素。jafari等人（2019年）通过风洞试验发现，fc v=0.01到fc/V=1范围内的湍流波动是影响压力波动的关键因素，其中c为与前述H类似的特征长度尺寸。尽管湍流强度和积分湍流长度尺度对低层建筑的压力波动起着重要作用，但接近地面处积分湍流长度尺度的变化并不显著。根据ESDU 85020标准（esdu，2008年），在10米高度处平均风速为30米 秒时，三种方向中最大的顺流向积分湍流长度尺度与粗糙度长度z0相比变化并不明显，如图1所示。因此，研究湍流强度对压力波动的影响更为重要。然而，据作者所知，关于湍流强度对高架低层建筑风压的全面影响的文献相对较少。与非高架低层建筑相比，高架房屋不仅在屋脊和迎风面边缘会出现气流分离，楼板下方也会出现分离现象。这会形成额外的离散涡旋，在建筑下方产生显著的局部负压力（吸力）。在研究湍流强度对非高架低层建筑的影响时，现有文献通常通过将湍流强度加倍、减半，甚至增加十倍来分析其影响。这类湍流强度的变化会导致les模拟或实验结果出现较大差异。同时，以往研究主要关注顺流向湍流强度，通常会同时改变三个方向的湍流强度，但不同方向上湍流强度的独立影响及其综合效应尚未被充分了解。因此，为弥补现有研究的不足，本文旨在研究不同方向上的湍流强度对低层高架房屋风压的总体影响及单独影响。通过采用wang等人（2024a年）提出的入口生成方法，可以分别或同时调整湍流强度的大小。本文共分为四部分：第一部分简要回顾了湍流强度对桥梁以及高层 低层建筑压力波动的影响；第二部分介绍了les的基本数值设置，包括计算域尺寸、网格细化方法、入口生成参数以及数值空风场的统计特性；第三部分展示了在三种风向、不同湍流强度组合条件下的les风压模拟结果，包括压力分布特征、沿特定采样线的压力系数，以及通过汇流区平均压力系数对不同湍流强度下压力变化的量化分析；第四部分给出了最终结论。 控制方程通过大涡模拟对湍流风场以及风-结构相互作用进行模拟。不可压缩空气流的les过滤后的纳维-斯托克斯方程如下：??u?=0 ρ?u??t+u???u?=??p?+μ?2U????τSGS+ρg其中U?为过滤后的速度向量，ρ为空气密度，p?为压力，μ为粘度系数，g为重力加速度，τSGS表示亚格子尺度应力张量。在本研究中，采用了壁面自适应局部涡粘性模型。 湍流强度对风压影响的分析。在研究了第2节中的数值风洞模型后，如图2所示，将建筑模型置于x=>
控制方程通过大涡模拟对湍流风场以及风-结构相互作用进行模拟。不可压缩空气流的les过滤后的纳维-斯托克斯方程如下：??u?=0 ρ?u??t+u???u?=??p?+μ?2u????τsgs+ρg其中u?为过滤后的速度向量，ρ为空气密度，p?为压力，μ为粘度系数，g为重力加速度，τsgs表示亚格子尺度应力张量。在本研究中，采用了壁面自适应局部涡粘性模型。

湍流强度对风压影响的分析。在研究了第2节中的数值风洞模型后，如图2所示，将建筑模型置于x=5hb位置，以模拟风的作用。通过旋转计算域内的建筑模型，模拟了0°、45°和90°三种风向下的情况，相关结果如图8、图9所示。>距离建筑物表面0.5Hb范围内的网格（图3(c)中的2区）通过将网格尺寸减半来进一步细化。在建筑物表面，网格则被进一步细化。结论：湍流强度是影响低层建筑压力波动的控制因素之一。基于经过验证的基于LES的CFD模型，本文对一座高架低层建筑上的风压进行了多轮深入的LES研究，可得出以下结论：(1) 通过采用改进的DSRG入流生成方法，可以生成不同的入流，以匹配三个方向上规定的目标湍流强度。后续的数值模拟……CRediT作者贡献声明：王向杰：写作——初稿撰写、可视化、验证、软件使用、研究分析、正式分析、数据整理。孙超：写作——审稿与编辑、监督、资源提供、项目管理、方法设计、资金获取、数据整理、概念构建。蔡C.S.：写作——审稿与编辑、监督、概念构建。利益冲突声明：作者声明没有已知的可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系。致谢：本研究得到了路易斯安那州立大学经济发展助学金、路易斯安那州教育委员会RCS计划（LEQSF(2024-25)-RD-A-14）、美国国家科学基金会（#2401026）以及美国国家科学院、工程院和医学院海湾研究计划青年研究奖学金（SCON-10000557）的支持。模拟工作是在路易斯安那州立大学的高性能计算资源上完成的。作者们对所有支持者表示感谢。