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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 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 气流在大气边界层中的流动属湍流，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、环绕和涡等因此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，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。 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。 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，国内数值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，受到了工程界和结构设计人员的欢迎 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 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。 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