建筑结构风荷载与风环境数值模拟仿真研究与工程应用(1)
几种典型布局住宅小区风环境数值模拟研究
几种典型布局住宅小区风环境数值模拟研究一、本文概述随着城市化进程的加速，住宅小区作为城市居住空间的重要组成部分，其规划与设计日益受到人们的关注。
在住宅小区的规划中，风环境的考虑对于提升居住舒适度和居住环境质量具有重要意义。
本文旨在通过数值模拟的方法，对几种典型布局的住宅小区风环境进行深入研究，以期为住宅小区的规划与设计提供科学依据。
本文将简要介绍风环境对住宅小区的重要性，以及数值模拟在风环境研究中的应用。
接着，将概述国内外在住宅小区风环境数值模拟方面的研究进展，分析现有研究的不足，并指出本文的研究目的和意义。
在此基础上，本文将选取几种典型的住宅小区布局作为研究对象，包括行列式、围合式、点群式等布局形式。
通过建立数值模型，运用计算流体力学（CFD）等方法，对不同布局形式下的住宅小区风环境进行模拟分析。
研究将重点关注风速、风向、风压等关键指标，分析不同布局形式对住宅小区风环境的影响规律。
本文将总结研究成果，提出优化住宅小区风环境的建议和措施，为住宅小区的规划与设计提供有益的参考。
通过本文的研究，旨在推动住宅小区风环境研究的深入发展，为创造更加宜居的城市居住环境做出贡献。
二、研究背景和意义随着城市化进程的加速，住宅小区作为城市的重要组成部分，其规划与设计对城市居民的生活质量和城市微气候环境产生了深远影响。
风环境作为住宅小区微气候环境的关键因素之一，对居民的舒适度、建筑能耗及空气质量等方面都具有重要影响。
对住宅小区风环境的研究具有重要的现实意义和理论价值。
近年来，随着计算流体力学（CFD）技术的发展，数值模拟方法在住宅小区风环境研究中的应用越来越广泛。
通过数值模拟，可以准确地预测和评估住宅小区的风环境状况，为小区规划和建筑设计提供科学依据。
随着绿色建筑和低碳生态城市理念的提出，对住宅小区风环境的研究也提出了更高的要求。
本研究旨在通过数值模拟方法，对几种典型布局的住宅小区风环境进行深入研究。
通过对比分析不同布局形式对风环境的影响，揭示住宅小区风环境的分布规律和影响因素，为优化小区规划和建筑设计提供理论支撑和实践指导。
北京当代MOMA风载及风环境数值模拟研究
土木工程学报 ＣＨＩＮＡ ＣＩＶＩＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＪＯＵＲＮＡＬ
Ｖ０１．４１ Ｍａｒ．
Ｎｏ．３ ２００８
北京当代ＭＯＭＡ风载及风环境 数值模拟研究
符龙彪１夏育颖２ 肖从真·
（１．中国建筑科学研究院，北京１０００１３；２．北京航空航天大学，北京１０００８３）
ｐ等＋ｐ叼等２彬一等＋ｉｘ∞０２ｄｕｉｉ （１）
对此方程取时间平均得：
ｐ等＋ｐａｊ蔷＝面一簧＋去（Ｉｘ等一ｐ五ｉ）（２）
此即是湍流时均的运动方程，亦称雷诺方程…。
（２）湍流模型
湍流模型采用标准七一ｓ两方程模型…：
学＋掣＝击№旦ｏｒｋ）等Ｏｘ］＋
ａ￡
ａ戈ｉ
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ｉＪ
Ｇ々十Ｇ６—ｐ占一ｙＭ＋Ｓ≈
建筑物的阻挡，会造成下游建筑物迎风表面压力值的减少，局部的风速加剧又会加大周围建筑物表面压力值；在
产生流动分离和涡脱落的区域风速较高，而背风区域的风向与来流风向有较大差异。数值模拟获得的结果为建筑 群的优化设计提供了重要参考。
关键词：ＣＦＤ；数值风洞；风荷载；风环境
中图分类号：ＴＵ３１２＋．１
文献标识码：Ａ
土木工程学报
２００８焦
图１北京当代ＭＯＭＡ Ｆｉｇ．１ Ｂｅｉｊｉｎｇ ＭＯＭＡ
图２塔楼编号 Ｆｉｇ．２ Ｔｏｗｅｒ ｎｕｍｂｅｒｉｎｇ
风荷载研究包括四个方面的内容：①各个风向 整个拟建建筑群表面压力的分布情况；②各个风向 整个拟建建筑群表面压力系数的分布情况；③综合 各个风向整个拟建建筑群表面压力的分布情况；④综 合各个风向角情况下整个拟建建筑群表面压力系数的 分布情况。
摘要：根据计算流体动力学（ＣＦＤ）的基本原理，基于计算流体力学软件Ｆｌｕｅｎｔ平台，对当代ＭＯＭＡ工程的建筑
某小区建筑风环境数值模拟分析研究
Ｎｏ６ １ ０ ｆｏａ Ｎｏ２ ４． １ ９ ． ｉ ２ １１ Ｔ ｔｌ １ ．４ Ｖｏ． ） ３
建 筑 节 能
‘。 一
■ 暖 通 ｆ空 调 ｊ
ＨＥ ＡＴＩ Ｇ． Ｎ ＶＥ ＮＴＩ ＴＩ ＬＡ ＮＧ ＆ ＡＩ Ｒ ＣＯＮＤＩ Ｉ ＯＮＩ Ｆ ＮＧ
Ｗ ｉ ｄ Ｅ ｖ ｒ ｍ ｅ ｔＳｉ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ Ｒ ｓ ｄ ｎ ｉ Ｉ ｓ ｒｃ ｎ ｎ ｉｏｎ ｎ ｍ ｌ ｔｏ ｆ Ａ ｅ ｉ ｅ ｔａ ｔ ｉｔ Ｄｉ
Ｃ ＨＥＮ ｅ Ｊ ＮＧ ｉｇ Ｗ ｉ．， Ｊｎ
（ Ｃ ｉａ ｂｌ Ｃ ｍｍｕ ｉａ ｏ ｓ ｏ ｐＧｕｚ ｏ ｏ Ｌ ｄ， ｉａ ｇ５ ０ ０ ， ｈｎ ； １ ｈｎ Ｍｏ ｉ ｏ ｅ ｎｃ ｔ ｎ ｕ ｉ ｕＣ ． ｔ Ｇｕｙ ｎ ５ ０ １ Ｃ ｉａ ｉ Ｇｒ ｈ
Ｋｅ ｏ ｄｓ ｗｉｄｅ ｖｒ ｎ ｅ ｔｓｍ ｕａｉｎ ｂ ｉ ｉｇｌｙ ｕ ｙｗ ｒ ： ｎ ｎ ｉｏ ｍ ｎ ； ｉ ｌｔｏ ； ｕｌ ｎ ｏ ｔ ｄ ａ
０ 引 言 随着 科 学技术 的高速 发 展和城 镇化 进程 的 加快 ， 建 筑单 体 的形式越 来越 多样 化 ， 建筑 群 的布 局也 愈加
简 化 处 理 ， 照 同一 高 度 处理 （ １中 ｚ轴 负方 向为 按 图 正北方 向） 。
随 着计算 机技 术 的发展 ， 人们 研究 室外 气流 流动 的手段 已经不 仅仅 满足 于采 用风洞 试验 的方 法 ， 近年
来 快速 发 展 的 Ｃ Ｄ（ ｏ ｕａ ｏ ａ ＦｕｄＤｙ ａ ｃ） Ｆ Ｃ ｍｐ ｔ ｉｎ ｌ ｌｉ ｎｍｉ 计 ｔ ｓ
摘要： 以桌小区为例， 对其风环境进行 了数值模拟计算与分析 ， 引入梯度风的概念， 出了小 区内建筑分布对 小区风场的影 响。为住 指 宅小 区建筑布局 的规划建设 及建筑室内通风效果预测提供 了指导和优化途径 。
小区风环境数值模拟
4.湍流的数值模拟 4.湍流的数值模拟
（1）数值模拟方法： 数值模拟方法： 直接数值模拟方法(Direct Numerical Simulation) “所谓的DNS模拟方法就是直接求解瞬时 湍流控制方程” 非直接数值模拟方法 “对湍流作某种程度的近似和简化处理”
大涡模拟(LES) Reynolds平均法(RANS)
Reynolds平均法(RANS)：瞬时的N Reynolds平均法(RANS)：瞬时的N-S方程的非线性使 平均法(RANS) 得用解析方法精确地描述湍流的全部参数极为困难， 得用解析方法精确地描述湍流的全部参数极为困难， 从应用性看重要的是湍流所引起的平均流场的变化， 从应用性看重要的是湍流所引起的平均流场的变化， RANS就是将瞬态的脉动量通过某种模型在时均化方 RANS就是将瞬态的脉动量通过某种模型在时均化方 程中体现出来。 程中体现出来。
在国内，近年来随着我国各中心城市 的人口集中和城市规模扩大，住宅小区 室外的风环境涉及到行人的安全和舒适、 小区气候、居民健康、绿色建筑与节能、 污染物的扩散与空气自净等问题，因此 对住宅小区室外风环境的研究越发显得 重要，已经有一些国内的专家做过这方 面的研究。
国内研究案例举例：
• 华南理工大学对江南新苑住宅小区单体自然通 风进行了数值分析。 • 李晓峰等人研究了围和式住宅小区的微气候， 提出：对于不利于自然通风的围合式楼群，采 用合理的建筑构造和开口位置可以达到强化通 风和降低区域温差的良好效果。 • 林波荣等人使用Phoenics软件对传统四合院居 民风环境进行过数值模拟，通过分析比较，讨 论了院落进深、面宽、楼层高度等建筑细节对 四合院民宅周围及院内风环境的影响。
计算机数值模拟：
在计算机上对建筑物周围风流动所遵循的动力学方 程进行数值求解，通常称为计算流体力学(简称 CFD，Computation Fluid Dynamics)，从而仿真实际 的风环境。利用CFD模拟方法可以方便地仿真不同 自然条件下的风环境。 数值模拟方法最大的缺陷在于其可靠性，即仿真 结果的可信程度，这往往可通过先验性的研究解决， 即对同类流动采用合适的数学物理模型进行模拟， 并和试验对比确定其可靠性，然后将经过验证的程 序用于类似的小区气流流动模拟，从而保证模拟结 果的相对可靠性。
建筑工程中的风洞实验与模拟
建筑工程中的风洞实验与模拟建筑工程中，风洞实验与模拟是非常重要的技术手段，用于评估和预测建筑物在风载荷下的性能。
这些实验和模拟可以帮助工程师和设计师优化建筑物的结构和外形，确保其在各种气候条件下的安全性、稳定性和舒适度。
本文将探讨建筑风洞实验和数值模拟的应用，并介绍它们在建筑工程中的重要性和优势。
一、风洞实验的应用风洞实验是通过模拟真实的大气环境，对建筑物在风载荷下的响应进行测试和研究的一种方法。
风洞实验通常使用缩比模型，在实验室中通过提供风力和气流来模拟不同气候条件下的风场。
这些实验可以测量建筑物的力学性能、应力分布和振动特性，从而评估其结构的可靠性和安全性。
风洞实验可以用于多个方面的研究和测试，如下所示：1. 风荷载评估：通过测量建筑物所受到的风力和力矩，评估其在不同风速和风向条件下的稳定性和性能。
2. 结构优化：通过测试不同结构和外形的模型，找到最优的设计方案，提高建筑物的稳定性和抗风性能。
3. 振动和舒适度评估：通过测量建筑物在风荷载下的振动和波动，评估其对居住者和使用者的舒适度和安全性的影响。
二、风洞实验的优势风洞实验有以下几个重要的优势，使其成为建筑工程中不可或缺的研究手段：1. 真实性：风洞实验可以在控制环境中模拟真实的风载荷和气流条件，提供准确和可靠的数据和结果。
2. 可视化：通过使用透明或半透明的模型，可以观察和记录建筑物在风场中的动态响应和结构变形。
3. 缩时效果：由于实验时间相对较短，风洞实验可以在短期内进行多次测试和调整，加快设计过程和优化方案的实施。
4. 可重复性：通过控制实验条件和参数，可以重复进行相同实验的多次测试，以验证结果的准确性和一致性。
三、数值模拟的应用除了风洞实验，数值模拟也是建筑工程中常用的方法之一。
数值模拟是通过计算机模型和数学算法，在虚拟环境中模拟建筑物在风场中的行为和响应。
数值模拟可以提供与风洞实验相似的结果，但具有更广泛的应用范围和更高的效率。
数值模拟可以用于以下方面的研究和分析：1. 风荷载预测：通过分析建筑物的几何形状、风场条件和气流特性，计算建筑物所受到的风力和力矩，预测其在不同风速和风向下的响应和稳定性。
大跨网壳屋盖风荷载的数值仿真研究
水 工 程丝
（ １ ）
流域 人 口边 界条 件 ： 选用 速度 入 口 ， 人 流 面 的法 向 风速 按式 （ ６ ） 取值 ， 切 向速 度取 零 ； 流 域 出 口边 界条 件： 选 用压 力 出 口 ， 压力 取 为 １ ． ０ １ ３ ×１ ０ Ｐ ａ； 建 筑物
表面及 地 面采用无 滑移 壁面 。
方程 。其表 达式 如下 ：
Ｏ ｐ ｋ
采 用 数 值 仿 真 方 法模 拟屋 盖结 构
＋ —
： ＝ ｌ 五
ｌ 十 【 Ｊ 十 Ｉ Ｄ ｅ
ｋ … ３ ）
周 围风场 ， 图２ 给 出 图２ 建筑物周 围风场速度矢量图
（ 下转 第 ４ ０页 ）
一
一
一
２６ 一
动量 方程 ：
Ｐ 一ｐ
确 定 地 面粗 糙 度 指 数 ＝０ ． １ ２， 离 地 面不 同高 度 处
的平 均风 速用 指数规 律描 述 ：
ｆ ３ ６ ． ４
５ ４． ７
≤ｌ ｏ ｅ ｒ
＞３ ０ ０ ｍ
（ ） 一 ｛ ［ ３ ６ ． ４ ｆ ／ １ ０ ） ｌ Ｏ ｅ ｒ ＜ ≤ ３ ０ ０ ｍ （ ６ ）
０ 前言
ａ ｐ ｅ
十
十
一
Ｏ （ ｐ ￣ ｕ ｉ ）
：
杀
Ｉ ＋ 十 譬 Ｔ Ｇ 一 ｃ 。 ２ ｓ Ｐ ｌ Ｄ （ ４ ）
网壳 屋盖属 于 薄壳结构 ， 振 型复 杂 ， 对 风荷 载作
用极 为敏 感 。考 虑 网壳屋 盖表 面 的风 荷载 直接 影响
（ ３ ） （ ４ ）网壳屋盖结构直径为 １ ２ ５ ｒ ｆ ｌ ， 高６ ３ ｎ ｌ 。计算区域
海岛超高层建筑风环境的数值模拟研究
为了更好 的研究行人高度 的风场 流动特性 以及 人对建筑
周 围 环 境 的舒 适 感 情 况 。我 们 取 建 筑 物 周 围一 定 范 围 内 的 空 间来 建 立 研 究 区域 ，即 以 人 员活 动 区 ２ 处 作 为 研 究 对 象 ， ｍ 从 而 分 析 建 筑 周 围 风 环境 对 人 的舒 适 性 影 响 。 （ ）东 向主 导 风 向下 的 压 力 场 、 速 度场 １
三 、 模 拟 计 算和 结 果分 析 １ 不 同主 导 风 向对 建 筑 外 表 面 压 力 场 、速 度 场 的影 响 ．
的重要 因素之一 ，随着海 岛城 市超高层建筑 的逐 渐增多 ，建
筑 风 环 境 已成 为 了影 响 人 对 环 境 舒 适 感 的一 个重 要 因 素 。 室 内 外 的 风 环 境 分 布 不 仅 影 响建 筑 周 围 的气 流 运 动 ，而 且会 在
２ 边 界 条 件 的 确 定 ．
一
、
近 年 来 ，建 筑风 环 境 已经 和 热 环 境 、声 环境 、 光 环境 一
样 ，越 来越 多 的 引 起 了人 们 的重 视 。风 是 构 成建 筑 室 外 环 境
入 口给 定速 度 入 口，风 速 为 ４ ｓ ｍ／ ，送 风 温 度 为 ３ Ｏ ０ Ｋ； 出 口给 定 压 力 出 口 ， 外 大 气 压 为 １ １３ ５ ａ 室 Ｏ ，２ Ｐ ，相 对 压 力值 为 ０；建 筑 壁 面 为 固体 壁 面 ，各 围护 结 构 的 传 热 系 数 设 为 ０８ ６ ／ （ａ ． ；建 筑 周 围计 算 空 问为 流 体 。 ．９ ｗ ｒ Ｋ） ２
摘
要 ：随 着 海 岛城 市 高 层 建 筑兴 建量 的 与 日俱 增 ， 由此 而 产 生 的风 环 境 已不 可 轻 视 。文 中 主 要 选 用 ｋ § 流 模 型 ， 一湍
土木工程随机风场数值模拟研究的进展
土木工程随机风场数值模拟研究的进展前言土木工程是应用力学原理和材料力学理论等基础理论，通过工程技术手段，设计、建造、改造和维护各种土木工程，包括建筑物、桥梁、隧道、码头等。
而在土木工程领域中，风荷载是一种重要的载荷形式，对于工程的安全性和稳定性有着重要的影响。
因此，研究土木工程中的风荷载，尤其是随机风荷载，具有重要意义。
一、土木工程中随机风荷载的定义广义上，随机风荷载可以定义为风速在短时间内发生随机波动，所引起的土木工程物体的风力系数和风荷载系数所对应的随机振动。
这种荷载属于非定常荷载，具有随机性、不可预测性、不确定性等特点。
在土木工程设计中，准确描述和考虑这种荷载对工程的影响是至关重要的。
二、随机风荷载的数值模拟研究为研究土木工程中的随机风荷载，数值模拟研究是一种常用的手段。
数值模拟可以通过计算机模拟大气流场和风荷载，分析研究风荷载的统计特性、随机特性以及对土木工程结构的影响等。
这种研究方法具有较高的可重复性、可靠性以及工程实践意义。
1、数值模拟方法目前，常用的数值模拟方法主要有三种：直接数值模拟方法、随机对流体模拟方法和地表风场数值模拟方法。
（1）直接数值模拟方法（DNS）直接数值模拟方法是通过计算大气流场的Navier-Stokes方程，求解其粘性层和惯性层的一系列参数，着重考虑了大气流场的各种细节。
这种方法可以提供精细的风荷载和风速分布信息，但由于计算规模的限制，只适用于小范围内模拟。
（2）随机对流体模拟方法（LES）随机对流体模拟方法将大气分为小的空气单元，通过对单元的运动和相互作用进行数值模拟，可以求解出空气流场的参数，从而计算出风荷载和风速分布。
该方法既考虑了大气流场的基本特性，又考虑了流场的波动特性，适用于模拟中等尺度的大气流场。
（3）地表风场数值模拟方法（RANS）地表风场数值模拟方法是对大气流场进行平均化，将其分为两个区域：动底层和稳定层，运用现有的流动模型进行数值模拟。
该方法时间效率高，适用范围广，是工程设计中最常使用的方法之一。