空氣幕在U型競技場地中防風效果的數值模擬研究

柳方園, 劉 衎,2,3, 王澤遠, 崔會敏, 劉慶寬,2,3

(1.石家莊鐵道大學 土木工程學院,河北 石家莊 050043;2.石家莊鐵道大學 省部共建交通工程結構力學行為與系統安全國家重點實驗室,河北 石家莊 050043;3.河北省風工程和風能利用工程技術創新中心,河北 石家莊 050043;4.石家莊鐵道大學 數理系,河北 石家莊 050043)

0 引言

為解決上述問題,使用空氣幕與擋風墻的組合形式來降低冬奧比賽場地的風速。李家樂等[3]研究了不同高度擋風墻在不同來流風速下的防風效果,證明擋風墻的設置可有效削減近地表風速,明顯改善了近地表風場。楊偉超等[4]將不同形態下高鐵擋風墻的氣動性能做了對比,得出了防風效果較好的擋風墻形態?？諝饽荒壳霸谏虉?、廠房、冷庫等建筑中應用尤其廣泛[5]。劉榮華等[6]對空氣幕不同出口角度下工作面氣流流場及空氣幕兩側呼吸性粉塵濃度分布進行數值模擬,分析空氣幕出口角度對其隔塵效果的影響,找到了隔塵空氣幕工作效率較高的角度范圍?？諝饽挥糜诠I中的除塵降噪[7-9]等應用證明了空氣幕廣泛的適用性以及可用性。也有學者證明了使用空氣幕可以在室外的場地中對一定目標區域的流場起到干預[10],其區域內風速可能會有較大的改變。研究擬建立空氣幕與U型競技場地精細化物理模型及網格模型,采用CFD數值仿真方法,通過研究擋風墻高度、空氣幕射流角度與U型競技場地流場特性的關系,最終得出最佳的空氣幕及擋風墻設計方案。

1 物理模型及數值方法

1.1 物理模型

圖1 二維物理模型(單位:m)

研究對象為U型競技場地與空氣幕、擋風墻多體系統?？紤]到賽場來流風為單向以及流場特性的復雜,擋風墻采用單側布置。U型競技場地剖面長為20.00 m,深度6.70 m,U型競技場地底部由2個半徑為6.70 m的1/4圓以及1條長6.60 m的平坦直線構成。距離U型競技場地左側3.50 m處設置一堵擋風墻,墻高為h,墻上中央位置放置空氣幕,空氣幕射流速率為v,射流角度為α,來流速率為U=10.0 m/s。二維物理模型如圖1 所示。三維模型可看作通過二維模型在Z方向拉伸得到,拉伸長度為6 m,模型平面尺寸與二維一致。

1.2 計算方法

數值計算采用計算流體力學(CFD)軟件FLUENT,二維情況下的湍流模型采用SSTk-ω湍流模型。k-ω模型在近壁面采用k-ω方程計算,在湍流充分發展處采用k-ε方程[11],由于本次數值模擬要研究U型競技場地周圍一定區域內流場穩定下的風速,后續也會對場地近壁面處的流場特性進行研究,綜合考慮,最終選用k-ω的衍生模型SSTk-ω湍流模型。三維情況下采用LES模型。湍動能與比耗散率均采用二階迎風格式,動量方程采用有限中心差分,速度與壓力耦合方式采用二階有限隱式方法。計算采用SIMPLEC格式求解壓力速度耦合方程組。

1.3 邊界條件及工況設置

1.3.1 邊界條件

模擬風吹過擋風墻和空氣幕組合的流體計算流域,為保證湍流風的充分發展,依據經驗選取二維流域尺寸為400 m×1 200 m。邊界條件設置情況如圖2所示:(1)流域入口以及空氣幕設置為速度進口,速度分別為U和v,對于湍流邊界條件,采用湍動能k和比耗散率w參數組合。(2)因為出口接近湍流充分發展情況,故出口邊界采用壓力出口。(3)流域上側設置為對稱邊界條件。(4)地面,擋風墻空氣幕組合以及U型競技場地采用無滑移邊界條件。三維情況下除前后面為周期性邊界條件之外,其余設置與二維情況下一致,如圖3所示。

圖2 二維邊界條件(單位:m)

圖4 目標降風區域(單位:m)

1.3.2 工況設置

(1)v=4U,α=30°,擋風墻高h為0、0.5H、0.75H、H、1.5H(H=2 m)。

(2)h=H,v=4U,射流角度α為20°、30°、40°、50°、60°、70°。

死體可燃物含水率(Y)與降水(X1)、相對濕度(X3)、連旱天數(X4)、風速(X5)、蒸發量(X6)之間的數學模型為：

1.4 模型驗證

1.4.1 網格無關性驗證

重點關注U型競技場地內及其上空的風速,風向等,目標降風區域如圖4所示。采用ICEM進行網格劃分,二維及三維網格劃分如圖5所示。為了保證精度以及提高計算速度,對此區域內進行了網格加密處理。

圖5 二維及三維網格

圖6 監測點位置

二維模型網格量為1.2×105左右,三維模型網格量為1.54×106左右。選取3×104、1.2×105、4.6×105這3種網格量來進行網格無關性驗證,以圖6中1、2、3點第500 s時的瞬時速率作為評判標準。從表1可以看出,發現當網格量從3×104增加到1.2×105時P1速率變化幅度較大,當網格量由1.2×105增加到4.6×105時,3點的速率增幅均在5%以下,考慮計算時長以及計算結果的準確性,選擇1.2×105網格量的網格進行計算。

表1 網格無關性驗證

1.4.2 時間步長無關性驗證

選取0.01、0.004、0.001 s 3個時間步長來進行時間步長無關性驗證,同樣以1、2、3點第500 s時的瞬時速率作為評判標準。從表2可以看出,當時間步長由0.01 s減小到0.004 s時,P1點速率增幅較大,當時間步長由0.004 s減小到0.001 s時,3點速率增幅均在5%以下,選擇0.004 s的時間步長進行計算。

表2 時間步長無關性驗證

針對二維模型,監控了1、2、3點的瞬時速率,當計算到500 s時,3點的瞬時速率均已基本穩定,證明此時計算已經收斂,認為500 s為最終的發展演化狀態。

2 結果分析

2.1 二維與三維情況對比

首先進行URANS湍流模型和LES湍流模型的比較, 2種方法下由Q準則表示的漩渦結構如圖7所示,可以看出,使用URANS湍流模型發現在軸向上沒有明顯的渦分離現象,而LES湍流模型可以捕捉到更多的渦結構,所以三維情況采用LES湍流模型進行。

圖7 URANS模型以及LES模型由Q準則表示的漩渦結構

圖8 二維和三維情況下y/H=1處風速比

采用LES湍流模型進行了三維情況下的計算,v=4U,h=H,α=30°。比較s=0.5H、s=1.5H、s=2.5H這3個截面與二維情況下在y/H=1高度上的風速比,并將這3組風速比取平均值,與二維情況下在y/H=1高度上的風速比進行對比,如圖8所示,發現2組數據相差很小,所以本模型的3D效應并不是很明顯,接下來主要針對二維模型進行研究。

2.2 空氣幕及墻的組合對流場特性的影響

圖9 不同情況下的風速比云圖及流線圖

如圖9(a)可以看出,在來流風的作用下,流域上側的速度梯度很小,其風速大致與未受到擋風墻干擾的來流風速相同,此區域為外部流動層。U型競技場地內形成了一個天然的庇護區,庇護區內的風速較小,大部分在0.35U之下,同時由于負壓還引起了一個順時針方向的回流漩渦。但由于U型場地兩側上方的風速較大,所以必須采取一定的措施來降低此區域內的風速。如圖9(b)所示,在U型場地前方設置一堵2 m高的擋風墻,在流域上側仍然存在外部流動層,來流風在墻頂向上抬升形成上部繞流,與上方速度梯度較小的來流風相互作用,導致風速增大。在墻背處形成了負壓回流區,從圖9可看到明顯漩渦。隨著距離的增加,剪切層逐漸降低,由于上部高風速和下部低風速的逐漸匯合,尾流層不斷擴張,最終墻后風速脫離墻的影響,恢復至墻前未受擾動的初始狀態。目標降風處內仍然存在風速較大的區域,并未達到防風目標。如圖9(c)所示,放置空氣幕于墻體之上,給予其一定的射流角度以及射流速度,來流風受墻體的阻擋以及空氣幕射流的影響向上抬升,形成繞流并且風速增加,由于空氣幕的存在,剪切層的高度得到提升,低風速區域變大,并且U型場地上方形成了一個較大的回流漩渦。隨著墻后距離的增加,尾流層同樣不斷擴張,最終墻后風速脫離墻的影響,恢復至墻前未受擾動的初始狀態。但是,相比較墻上未安裝空氣幕的情況,需要更遠的距離才能恢復至初始狀態,也就是放置了空氣幕之后,對流場的影響范圍變得更大。

2.3 不同墻高對場地的影響

圖10 風環境系數物理量示意圖(單位:m)

為了更好地評價場地的防風效果,定義圖10所示的風環境影響系數來量化空氣幕擋風性能,在比賽中,當運動員滯空時,很容易受到風的影響失去平衡,所以重點關注運動員滯空時,也就是A、B處的風壞境系數。公式如下

(1)

式中,U為來流風速;Ues為等效風速;具體定義如下

(2)

擋風效率定義為

η=1-λ

(3)

擋風墻高設置為0、0.5H、0.75H、H、1.5H,此時v=4U,α=30°。對比不同墻高下的風速比云圖,如圖11所示。h=0時在U型場地右側運動員即將騰空時出現了高風速區域,而當擋風墻存在時,此區域內的高風速區域消失,并且此時U型場地內部風速更小,低風速區域面積占比更大。隨著墻高的增加,U型場地內部的低風速區域也就越大,同時U型場地右側的高風速區域也有向右移動的趨勢。同時,由圖12可以看出,墻高從0.5H增加到1.5H的過程中,A、B處的擋風效率越來越高。所以墻高為1.5H時對風的折減效果最好,但是考慮到賽場的美觀以及比賽轉播的問題,擋風墻的高度不宜過高,選擇墻高為H。

圖11 不同墻高下的風速比云圖

圖12 不同墻高下的擋風效率

2.4 不同射流角度對場地的影響

設置h=H,v=4U,射流角度α設置為20°、30°、40°、50°、60°、70°來研究當射流角度不同時場地的流場特性。由圖13可以看出,當α=20°時,U型場地上方剪切層的高度較低,低風速區域的面積較小。隨著空氣幕射流角度的增加,當α從30°增加到60°的過程中,可以看出U型場地上方低風速區域面積越來越大,而當α繼續增加到70°時,上方剪切層高度又有降低的趨勢。U型場地右側運動員即將騰空處存在風速在0.3U～0.35U的區域,隨著α由20°增加到50°的過程中,此區域向右移動,當α繼續增加到70°的過程中,此區域出現向左移動的趨勢。同時根據圖14可以看出,隨著α的增加,擋風效率也有逐漸降低的過程,所以空氣幕的射流角度不宜過大,在50°～60°之間最適宜。

圖13 不同射流角度下的風速比云圖

圖14 不同射流角度下的擋風效率

3 結論

通過CFD數值模擬的方法對U型競技場地在不同擋風墻高,不同空氣幕射流角度情況下的流場特性進行了研究,研究發現:

(1)用空氣幕加擋風墻的組合可以為U型競技場地提供滿足比賽要求的風環境。當只有一堵擋風墻時,會在墻頂形成明顯的邊界層分離現象,能夠提供一定的低風速區域,但是墻高較小時,U型場地風速并不能達到比賽要求,而當使用空氣幕后會對風速起到很好的折減作用,風速能夠達到比賽要求。

(2)空氣幕射流角度一定的情況下,選擇擋風墻高度為2 m。擋風墻和空氣幕組合能對來流風起到阻擋和能量耗散的作用,在墻后形成剪切層,在空氣幕射流角度一定的情況下,墻高越高,剪切層的高度越大,庇護距離也就越遠。但考慮到實用性,最終選擇墻高為2 m。

(3)擋風墻高度為2 m時,選擇空氣幕射流角度為50°～60°。當墻高一定時,剪切層高度隨射流角度的增大呈先上升后降低的趨勢,綜合考慮擋風效率,空氣幕射流角度為50°～60°時的效果最佳。