第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 白云二期航站楼风洞试验及风压数值模拟研究 区彤，刘润富，张夏萍，谭坚 （1.广东省建筑设计研究院，广州510010；2广东省建筑科学研究院.
广州510500） 提要：广州白云机场二号航站楼屋盖属于大跨空间结构，且体型复杂，风荷载对其影响比较大，对其进行风洞 试验很有必要性.
同时，随着计算机的发展，计算流体力学数值模拟（CFD)在风工程中逐渐成为风洞试验的辅助 计算途径.
本文采用风洞模型试验和计算机数值模拟相结合的方法，对主航站楼屋盖的风荷载分布进行了系统研 究，为建筑结构设计提供有用的设计依据.
关键词：白云机场二号航站楼：复杂体型：风荷载：计算流体力学：风工程 1前言 新白云国际机场二号航站楼位于广州市花都区广州新白云国际机场，其南侧为已建成使用的一期航站 楼.
本工程包含白云机场二号航站楼主楼、指廊、主楼入口膜结构、交通中心GTC.
其中主楼、指廊属于 大跨空间屋盖，主楼平面大致呈矩形，屋盖结构采用预应力网架的形式，主楼入口雨棚为大跨膜结构，膜 面跨度18m，含指廊整体尺寸（含规划东西四指廊）约1080m×900m，主楼最大高度为43.5m，屋盖悬挑 长度约21米.
由于建筑屋盖具有大跨、曲面、大悬挑的特殊结构造型，对风具有很高敏感度的原因，风荷载成为此 类结构设计的主要控制荷载之一，因此须对建筑进行风洞试验，获取建筑的风致数据，为建筑结构的设计 提供重要的指导性依据.
另一方面，CFD数值模拟的快速发展，可方便的将建筑周围的流场可视化，同时 也使得抗风研究成本更低，效率更高.
在近十年，CFD数值模拟已经成为风洞试验很好的辅助手段.
图1白云机场俯瞰图 图2白云机场侧视图 本文针对新白云机场二号航站楼、指廊及交通中心GTC（由于GTC高度较主航站楼屋面低，数值模 拟中暂不考虑）采用风洞试验及CFD数值模拟两套方法对建筑的表面的风压分布进行研究，并通过比较 对CFD数值模应用于复杂造型建筑工程的可行性研究评价.
本文主要有两部分构成：（1）风洞试验，刚 性模型动态风压试验.
（2）经典CFD软件FLUENT对主航站楼部分进行平均风压的数值模拟.
2风洞试验
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 2.1试验设备和模型 风洞试验在广东省建筑科学研究院CGB-1大气边界层风洞内进行，采用了刚性模型多点同步测压试 验技术对模型立面及顶面上的风压时程进行测量.
模型的几何缩尺比为1:400.
试验采用我国建筑荷载规 范（GB50009-2012）中的B类风剖面.
模型在风洞中照片见图3.
本次试验0风向角定义为来流与指北向，以10为间隔逆时针旋转共测试了360°风向角范围内下的36 个工况，风洞试验风向角定义见图4.
-8 17 图3模型试验照片 图4模型方位与试验风向角 2.2实验数据处理 本次模型试验中各测点风压系数按下式计算： C=P-P =P-P (1) 式中，C是建筑物表面某测点i的风压，P为模型上测i的压力平均值，P.
和P分别为参考点处（本 试验为建筑高度43.5m处）的总压和静压平均值，P-P即参考点处来流平均风压，C为测点i的平均 风压与参考点处平均风压之比，称为风压系数平均值.
体型系数可由测点的平均风压系数计算得到 μe= (Z /h)²o (2) 其中μ均称为测点i处的体型系数，Z为测点i所处的高度，a为地貌粗糙度指数，B类地貌a取 0.16. 2.3实验数据分析 2.3.1结构整体风压分布特性 由于来流分离、濮涡脱落以及再附等因素，屋面风压分布较复杂，图5给出了正交风向下结构上表面 的平均风压系数云图分布.
从图中可以看出：①屋面以负压为主，局部因为气流淡涡回流，在屋面形成下压状态，但压力较小： ②在迎风屋面边缘附近出现了高负压区，且平均风压系数的变化梯度较大，在其他区域变化相对平缓，这 说明来流在迎风屋面前缘严重分离，180°风向下，指廊区域屋盖迎风边缘上表面平均风压系数达到1.7： ③由于自身形状较对称，屋面风压系数在0°及180°风向下也基本呈左右对称分布.
本建筑屋盖其他区域，如立面最大正压为迎风立面，最大负压出现在立面转角部位，数据结果与理论 分布符合.
根据测点的脉动风压系数可知迎风屋面边缘脉动风压较屋面中间部位大，一般平均风压较大的区域脉 动风压一般也较大，所以在结构设计时，要采取必要的构造措施，防止围护结构破坏，本项目风压不利区
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 域出现在指廊屋面边缘悬挑区域.
(a) 0° (b) 90° (a) 180° (b) 270° 图5屋盖表面风压系数分布 2.3.2典型区域体型系数分布 如图6所示，区域1为结构横向指廊，区域2为主楼屋盖，区域3为结构竖向指廊.
分别分析0°风 向下区域1和区域2的体型系数分布，90°风向下区域3的体型系数分布.
(a)区域1 (b)区域2 (c)区域3 图6屋盖典型区域示意图 图7和图9分别给出了区域1和2在0°风向下的体型系数分布，由图可知，区域1在迎风边缘上表 面体型系数达到了1.8，此处为悬挑区域，和下表面体型系数叠加后边缘体型系数可达到2.1，为结构体型 系数最不利的位置，其他指廊在对应风向下体型系数分布与其相似，呈阶梯状分布：区域2在迎风边缘体 型系数为1.2，小于区域1的迎风边缘体型系数，主要是由于交通中心GTC的遮挡，其悬挑底部为很小的 负压，叠加后体型系数为1.1，后部区域体型系数变化平缓，大面积的区域体型系数为0.4.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 图70风向下区域1体型系数分布 图8区域3横截面图 10.0 图90°风向下区域2体型系数分布 图1090”风向下区域3体型系数分布 图8给出了区域3竖向指廊的横截面图，由图可知，屋面呈不规则的曲面形状，内侧为沿立面弧形过 渡至屋面，在顶部形成最高点后再向外侧延伸，从图10给出的体型系数分布图，屋面内侧圆弧边缘体型 系数较小，由于曲屋面最高点处气流分离较强烈，出现较大的负压，其最大体型系数可达到-1.4，外侧区 域气流渐趋平稳，故体型系数较为均匀地分布在-0.4~-0.6之间.
该体型系数分布符合其建筑造型特点.
其 余竖向指廊区域体型分布与此相似.
3CFD数值风洞模拟 3.1计算模型建立及网格划分 白云机场二期项目的屋盖由流线性曲面组成，由于曲面不是由特定的数学方程确定，因而提高了屋面 模型建立的难度.
为了能最大程度的模拟出屋面的建筑造型，同时又保证计算精度，本文采用犀牛软件进 行模型的初步建立实体模型.
犀牛软件建模，能使曲面的模拟精度大大提高.
完整的数值模型如图11(a).
(a)侧视图 (b)网格划分图 图11CFD计算模型
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 本模型采用TGIRD（立面体）单元进行网格划分，这是由于该单元能在容易满足网格划分的协调性的 同时，又能保证模拟计算的精度.
由于在建筑表面的风场比较复杂，本模型在建筑表面的一定范围内采用 了细网格划分，这样就能对建筑表面的风场进行更好的模拟，网格划分如图11(b)所示.
3.2边界条件设置 数值模拟的边界条件与风洞试验相同，边界范围取22Dx15Dx5H，其中D为建筑物的宽度或直径，H为 建筑物总高度.
计算模型放置与距离入口边界为7D的位置处.
入口边界：设置为速度入口（velocity-inlet），模拟B类大气边界层风剖面，采用Fluent提供的UDF编 程与Fluent作接口实现.
出口边界：设置为压力出口（presure-outlet），变量的梯度均为零（充分发展流动）.
计算域顶壁及侧壁边界：设置为滑移壁面.
建筑物壁面和地面：设置为无滑移壁面.
3.3计算结果分析以及与风洞试验对比 本文给出本建筑在典型风向角下三维风压系数分布图，具体如下列图示： (a)0度 (b) 180 度 (c) 90°和 270° 图12典型风向角下模拟计算风压系数 对比风洞试验、CFD数值模拟得到的风压系数云图，可知两种方法得到风压分布规律基本一致，指廊 部位最大风压系数出现位置及数值也基本一致.
由于数值模拟忽略了机场交通中心GTC，所以主楼悬挑部 位在迎风状态下CFD模拟数值大于风洞试验数值.
详细研究图13所示区域在各风向角下的平均风压系数.
图14给出了数值模拟和风洞试验分别得到的区 域平均风压系数随风向变化图，由试验结果数据可以看出，两种数据基本上都呈对称分布，虽然数值上存 在着一定误差，但总体的变化趋势是相符合，相一致，出现数值误差的原因一部分是因为网格的划分，因 为在负压区，气流激涡大小可以达到分米数量级，而在网格划分时只能达到米数量级，因此在选代过程中 存在着误差的积累，另一原因是数值模拟未考虑交通中心GTC的影响所致.
至于其他区域的数据，与试验
