第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 气动噪声模拟及其在横琴发展大厦的应用 区彤，张艳辉，许伟.
，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：对横琴发展大厦特殊的百叶系统的典型布局，进行了常态风作用下的稳态流场模拟分析，获得百叶周围 区域流场情况及噪声源-用大涡模型和FW-H方程模拟声音的产生与传播，利用谱分析得到幕墙的总声压级和A计 权声压级，从而对其气动噪声的影响进行评价，指导工程设计.
关键词：气动噪声：数值模拟：横琴发展大厦；A计权声压级 1引言 气动噪声是在气体在流动过程中由于自身消流发展或气体与固体的相互作用而产生的一种噪声，其目 前在汽车工业、航空航天及交通运输等方面得到了重视和深入研究，在建筑领域研究和应用的还较少[1].
但随着高层建筑外立面的复杂多样化，特别是幕墙、百叶等的大量使用，气动噪声有时会给使用者造成不 舒适感.
因此有必要对气动噪声对建筑使用功能的影响进行深入研究，以优化建筑设计和提高使用舒适性.
本文针对横琴发展大厦外立面的特殊百叶系统，进行了常态风作用下的稳态流场模拟分析，获得百叶 及其周围区域流场的分布情况：分析风致噪声产生的原因，从而获得气动噪声源.
在此基础上结合LES和 FW-H方程模拟声音的产生与传播，并通过谱分析得到幕墙的总声压级和A计权声压级，对噪声进行评价 分析.
2气动噪声数值模拟 气动噪声的数值模拟是将计算流体力学与声学结合并采用数值计算方法的一门交叉学科，目前模拟方 法有：1）直接计算法：不需要任何声学模型，可直观和清晰地研究气流中的涡旋与势流以及涡旋之间的 相互关系、声波能量的形成和转换以及流体内部的发声机理.
但其计算量大对硬件要求高，还应用的较少 2）CFD结合莱特希尔声类比方法，其将声源的产生与传播分开计算，明显提高计算效率和减小工作量.
本文采用后者.
根据分步求解思想，先需要对目标物体周边通过N-S方程进行外流场的计算，即可获得目标表面的压 力脉动，再应用声学方程计算得到气动噪声.
获得非定常流场解的CFD技术主要有DNS、RANS和LES， 但前两者具有诸多局限性，而LES在计算量和计算精度上都具有优势，可捕捉到旋涡脱落、消流脉动等的 流场特征，能满足气动噪声模拟中的流场计算.
根据CFD模拟结果可得到目标物周围的声源的强度及分布规律，应用基于FW-H方程的积分外推法计 算远场（监测关注点）噪声的声压级频谱和总的声压级.
但仅局限于声波在自由空间传播，不能考虑障碍 物影响及波的反射散射.
3应用研究
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 3.1项目简介 横琴发展大厦位于珠海市横琴岛，南望天沐河，北靠小横琴山.
主楼建筑高度100m，建筑平面外轮廊 从3层开始竖向外挑12.5m.
在建筑外立面悬挑端悬挂安装有装饰百叶系统，典型宽度为750，百叶到内幕 墙的典型间距为2600，竖向布置典型间距为400~1100不等.
3.2典型百叶系统算例的选取 综合建筑立面效果，根据百叶系统的构造以及楼板、横梁、立柱的布局，按照最不利的原则，选取 15F~16F（共20F）楼层间一个标准柱距内的百叶作为模拟对象.
典型几何尺寸及模型建立图1所示.
000 2600 a)建筑立面效果图 b）百叶典型布置示意图 c)噪声监测点示意图 图1建筑立面效果及百叶布置示意图 3.3稳态流场模拟 3.3.1计算模型建立 根据百叶实际外形尺寸和间距建立几何模型，对门式造型流场进行稳态计算，合理创建网格，实现对 计算区域的离散化.
网格划分见图2所示.
图2百叶表面及其周围网格划分 选取RNGk-e淄流模型，取各风向上最大月平均风速换算至建筑顶部后，设定入口和出口的边界条 件，并对流场进行初始化设置，设定整个流场的初始化情况，进行流场的数值模拟计算.
3.3.2噪声源模拟结果 在最大月平均风速作用下，百叶系统表面声功率级分布见图3所示，百叶系统周围噪声源分布见图4所 示.
从图可以看出，百叶系统周围的噪声源主要来自百叶形状本身引起的流动分离，并与百叶条间的间隔 2
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 有关.
最大声源功率级分布在从上至下第二百叶条，同时主要的声源功率级分布在第一、第二、第八百叶 条.
这是因为气流在角部发生分离，形成涡脱落，形成声压，百叶间距突变时在较小间距处流动加速， 使得声压较大.
后续气动噪声模拟时将确定全部百叶条作为噪声源.
el0 图3百叶系统表面声功率级分布（dB） 图4百叶系统横断面上声功率级分布（dB) 3.4气动噪声模拟 3.4.1计算模型建立 以稳态流场分析结果作为初始条件，选定全部百叶条作为噪声源.
对流场进行大涡模拟（LES）获得 非稳态计算结果，进行非稳态模拟时，时间步设为5×10-6s，以捕捉人体敏感的主要声音频段.
总共进行 了30000个时间步的计算.
声音计算时，采用FW-H方程模拟声音的产生与传播，这个方程中采用了Lighthil的声学近似模型.
在 用FW-H方程通过积分计算声音压强时，用"前向时间投射法（forward-time projection）"将声音从发射到接 收之间的时间延迟考虑进去，从而可以在非定常流场计算的同时计算声音压强，从面获得声压级.
在进行非稳态计算时，声模拟时将百叶和门式造型上部各壁面设置为噪声源，每200个时间步保存一 次声压信号文件，计算完成后可以得到一系列的声压时程数据，为了分析百叶周围流场产生的噪声，分别 在百叶后方的玻璃幕墙上布置了一系列声压接收点，以获取不同部位的声压等级，接收点具体位置如上图 1所示.
3.4.2模拟结果 将声源在接收点处产生的声压级进行累加，可获得各接收点的总声压级：在计算A计权声级度时， 在低频率及高频率的声压级值加在一起之前，声压级值会根据公式减低.
声压级值加在一起后所得数值的 单位为dB（A），表1给出了各接收点处的总声压级和A计权声级.
表1不同接收点处声压级 接收点 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 总产压级(dB) 85. 4 88.6 86. 1 86. 8 90.4 88.1 84.6 88.2 85.5 计权声压级（dB(A)) 58. 5 62.2 9°65 09 64.2 61.9 58 61.8 59. 3 3.5结果分析 3.5.1噪声评价 正常人耳能听到20Hz~20000Hz频率的声音（人耳可听声范围"）.
对于2500Hz到3000Hz的声音，人类耳 朵的反应最灵敏，而对低频率的声音，敏感度则较低.
总声压级并不能全面反映人类耳朵对声音频率的非 线性反应.
相对于而言，A计权声级度更能准确地反映人类耳朵对频率的反应.
对噪声的评价一般采用的 是A计权声级度指标叫 从表1中可以看出，百叶后方幕墙中部接收点声压大于两侧，最大点为5号监测点，最大总声压级为 90.4dB，A计算声压级在64dB左右.
参考《住宅设计规范》GB50096-2011中7.3条，起居室（厅）等效连续A声级不应大于45dB，且在建筑 设计中要求建筑幕墙的隔声量大于等于45dB.
因此本结果作为为在建筑外墙面处的室外噪声，室外噪声受 3
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 到幕墙、墙体的阻隔，会有较大的衰减，而且本文模拟中没有考虑声波在传播过程中发散及障碍物的阻挡 等作用.
所以考虑以上有利因素后，室内噪声等级能够满足办公楼使用要求.
3.5.2接收点噪声频谱分析 通过频谱分析可得到接收点R1~R9各点在各频率时的声压级以及1/3倍频程声压级分布情况.
图5和图6 为5号点的结果，从图中可以看出：各接收点声压频谱图排列密集且连续、平坦，未出现特定频段上的能 量集中，表明建筑周围未出现单频风致啸叫.
0 700e01 Prsn 1002 10ted 00 1(±(5 Awegies Densty 1te 20tedr 1.0erer te-94 1e043-04 Pe04 D64 er04 Frequency (Hz) (ZH) pueg enepO-C/1 e04 图5R5点声压级频域分布曲线 图6R5点A计权声压级频域分布曲线 3.6设计建议 基于以上数值模拟结果，对本项目提以下几点建筑设计建议： （1）百叶系统的百叶条间隔在满足建筑立面效果前提下，间距尽量均匀布置，减少突变和百叶条外 形避免尖角出现，线条流畅，以利于流场发展，减少激涡出现，从而减弱噪声源.
（2）本项目的百叶系统与幕墙之间的建筑功能为检修马道和阳台且间距较大，建议可进行绿化处理， 对噪声的传播起到阻挡和发散的作用，减小室内噪声.
（3）建议对幕墙采用较高的隔音技术措施，在幕墙上不设置常开启的门窗.
4结论 本文针对横琴发展大厦的百叶系统的典型布局，分别进行了常态风作用下的稳态流场噪声源模拟和非 稳态的气动噪声模拟分析，可以得到如下结论，并提出建筑设计建议.
（1）百叶系统周围的噪声源主要来自百叶形状本身引起的流动分离，并与百叶条间的间隔有关.
最 大声源功率级分布在第二百叶条.
（2）百叶后方墙面处中部接收点声压大于两侧，最大总声压级为90.4dB，A计算声压级在64dB左右.
考虑障碍物、幕墙隔音等有利因素，室内噪声等级满足办公楼使用要求.
（3）各接收点声压频谱图排列密集且连续、平坦，未出现特定频段上的能量集中，表明建筑周围未 出现单频风致啸叫.
参考文献 [1] Becker S kaltenbacher M Ali I. Aeroacoustic investigation of the flow around cylinder geometries - a benchmark test case[C]// 13th AIAA/CEAS Aeroacoustics conference (28th AIAA Aeroacoustics Conference). Rome Italy: AIAA Inc 2007. 1-14.AIAA-2007-3511. [2] Fluent A. 12.0/12.1 Documentation[J]. Users Guide Manual Ansys Inc 2009. [3]蒋国荣，王季清厅堂中总声压级的修正计算[J].应用声学，1998（17） [4]GB 50096-2011住宅设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.
