风荷载数值模拟的国内外研究现状

风荷载数值模拟的国内外研究现状

国际上对建筑表面风压及周围风环境的数值模拟研究大致开始于 80 年代中

期，当时的研究对象主要是立方体建筑受法向来流时的流动现象，采用的网格为

直角坐标格式，湍流模型为标准的双方程模型[20]。90 年代初，模拟不同风向作用

下的立方体建筑，矩形截面高、低层建筑的风载问题已经出现，采用的网格多为

结构化直角坐标网格或简单代数生成的贴体坐标网格。

除矩形截面建筑外，对其他体型建筑物的数值模拟相对较少。例如瑞典的Haggkvist 

等(1989)、法国的 Delaunay 等(1995)对一高坡屋顶低层房屋分别进行了

数值模拟，对斜坡屋面分别采用了直角阶梯网格和贴体坐标网格，结果表明后者

效果比较理想。对于群体建筑的风载及风环境问题，目前的研究更少些。日

本的 Murakami 等(1990)、Baskaran 等(1990)采用直角坐标网格及标准k −ε 模型，

分别对四幢和六幢单体型的群体建筑作了数值模拟，模拟得到的建筑周围风速分

布与试验值间的最大误差约为 30%。

近几年来国外在这方面的研究主要集中在各种湍流模型精度对比以及 CFD

数值模拟和风洞试验结果对比上。Colorado State University 的 R.B.Meroney 等

运用 FLUENT4.4.8（美国著名 CFD 商业软件），分别采用结构化网格和非结构化

网格划分方法，分别对四个基本的建筑形状，一个二维的街道峡谷、两个矩形棱

柱、一个立方体建筑同时采用标准k −ε 模型，改进型的k −ε 模型和 RSM 模型进

行了测试，并与风洞试验的结果进行了比较。证明了，数值模拟风压的方法是相

当理想的，即使在流场条件不完全相同的情况下，数值模拟结果跟实际的结果也

基本吻合，这表明平均风压对湍流模型的选取并不敏感；这些模型能够模拟钝体

迎风面、侧面以及顶部的流场，但是钝体背面的尾流区域模拟的结果有些偏大；

RSM 模型相对于标准 模型和改进型的 模型来说能去模拟出更好的结果；合理的

网格划分能够使数值模拟的结果更加准确。加拿大的 University of Waterloo 的 Y. 

Cheng，F.S. Lien 等对矩形立方体型状的建筑物周围的流场采用 LES 方法和标

准 模型方法进行了模拟。结果表明，LES 方法钝体流场的模拟的各个方面都要

比标准 k −ε 模型方法更准确更有效，但是，LES 的计算时间约是标准 k −ε 模型

的 100 倍。

国内关于 Computational Wind Engineering (CWE)的研究是最近几年逐步开展

起来的。由于数值模拟技术的众多优越性及其巨大潜力，CWE 技术在国内的应

用和发展十分迅速，越来越多的国内科学工作者正在投入到这项研究中来。

五年前，国内的 CWE 研究主要集中在数值模拟计算一些简单立方体结构的

风场和压力场，计算精准度较低；近几年随着计算机硬件技术的提升以及国外一

些成熟的 Computational Fluid Dynamics (CFD)商业软件在国内的发行，CWE 的研

究已经转向了运用 CFD 软件来模拟实际建造的具有复杂形体的建筑结构物风场

及建筑物群的风环境问题，取得了不少成果。哈尔滨工业大学土木工程学院在这

方面做了大量研究工作。秦云，张耀春等使用 FLUENT 软件研究了高层开洞

建筑、独立支撑广告牌等结构的数值模拟技术，并讨论了两高层建筑间的风致干

扰效应。武岳、沈世钊等建立了一种适用于索膜结构流固耦合风振分析的数值

模拟方法，并编制了相应的有限元程序 MFSI。孙晓颖，沈世钊等运用

FLUENT 软件讨论了风向角、跨高比、屋面坡度、来流条件、地面粗糙度等因素

对大跨度平屋面风压力的分布情况的影响，与风洞试验结果吻合良好。同济大学

在 CWE 方面也做了不少研究工作。杨伟，顾明用 FLUENT 软件采用混合网格

划分技术，选用标准 及 Realizable 两种湍流模型计算了单栋高层建筑的三维定

常风流场，得出了结果符合工程精度的要求。周大伟、黄本才等32利用 CFX5.5

数值模拟了上海金茂大厦周围的风流场和其壁面平均风压，研究了金茂大厦周围

另外两栋超高层大厦对其风环境的影响，并分析了大厦街区的步行风适应性分

析。张昕、齐辉等对厦门国际会展中心建筑物进行数值模拟，多角度风向下的

平均风压分布，取得了和风洞试验相近的结果。汪丛军、林颖儒等[34]数值模拟了

越南国家体育场屋盖平均风压及风环境影响。清华大学的陈建国、钱炜祺等[35]采

用标准k −ε 湍流模型对北京海淀区蓝旗营住宅楼群的二维和三维风环境进行了数

值模拟，对该区住宅楼的风载荷进行了频谱分析。浙江大学陈水福，孙炳楠等[36]

采用数值模拟方法对联体型高层建筑“之江大厦”的表面风压进行了计算，并在边

界层风洞中对大厦的风压作了模型试验测定。数值模拟基于 N-S 时均方程，运用

了一种扩展的 k −ε 湍流模型；由有限体积法实现了控制微分方程的离散，

SIMPLEC 算法实现了非线性离散化方程的迭代求解。计算得到的风压值与风洞

试验值作了比较，结果表明数值模拟较好地反映了联体型高层建筑各表面风压的

分布情况，由其得到的风压系数与风洞试验数据有较好的吻合。北京大学顾志福

等对大坡度膜结构屋面进行了风洞试验得出了以下结论：对于大坡面膜结构屋

面，坡度的随缓和风向角的不同对风荷载的影响很大。在多数情况下作用在屋面

上的风荷载是负压，即向上的吸力。另外屋脊和屋檐部分的风荷载往往是最大

的，特别是靠近屋脊部分屋面的风压变化很大。处于背风部分的屋面作用是较为

均匀的负压，但其数值有时相当大。大坡度屋面的风压最大值和局部风压分布最

大值往往出现在风向斜对屋面时。

综上可见，国内近年来利用 CFD 模拟建筑风荷载效应的成果是显著的，并

且得到了比较实用的结论，为今后 CFD 模拟的发展奠定了坚实的基础。同时也

能看到，对于膜结构这种轻型建筑类型，风荷载的控制至关重要，设计人员对于

此类结构风荷载效应的指导类资料也非常需要的，但是相关资料和研究比较缺

乏。即使有学者研究膜结构风荷载方面的模拟，体型局限性太大，不能很好满足

现有膜结构体型设计的要求。

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