بررسی مقادیر ضریب فشار القایی باد بر وجوه ساختمان‌هایی با پلان مربع

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه شهید بهشتی

2 بخش تاسیسات مکانیکی و الکتریکی-مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی-تهران-ایران

چکیده

مطالعه ضریب فشار باد بر روی سطوح ساختمان‌ها از منظر سازه‌ای و تهویه حائز اهمیت است زیرا ضریب فشار مثبت و منفی مسبب نیروی فشاری و مکشی باد پیرامون ساختمان‌هاست. در این پژوهش جریان باد بر روی 20 نمونه ساختمانی، شامل 5 نمونه با ضریب ارتفاع به عرض بین 5/0 تا 5/2 در 4 زاویه °0، °15، °30 و °45، با پلان مربع در مقیاس 1:100 به شیوه عددی شبیه‌سازی شده و ضریب فشار بر روی سطوح خارجی مورد بررسی قرار گرفته اند. شبیه‌سازی باد به کمک روش میانگین‌گیری از رینولدز معادلات ناویر- استوکس (RANS) در حالت پایا انجام و جریان‌های آشفته توسط معادلات RNG k-ε مدلسازی شده است. بعلاوه از تاثیر لایه بندی حرارتی نزدیک به زمین بر حرکت هوا صرف نظر و جهت اعتبارسنجی، نتایج عددی با نتایجِ تجربیِ منتشر شده توسط پژوهشگران پیشین، مقایسه گردیده است. نتایج حاکی از این است که تغییر زاویه‌ی چرخش تاثیر مستقیمی بر میزان ضریب فشار القایی باد به ساختمان دارد و همچنین میزان تغییرات آن بر روی نمای ساختمان با افزایش نسبت ارتفاع به عرض (H/D)، بیشتر می‌شود. تا زاویه‌ی چرخش °15 همچنان تنها یک جبهه ساختمان (جبهه رو به باد) فشار مثبت را تجربه می‌کند ولی با افزایش بیشتر این زاویه هر دو وجه رو به باد، فشار مثبت را تجربه خواهند کرد.

کلیدواژه‌ها


بررسی مقادیر ضریب فشار القایی باد بر وجوه ساختمان­هایی با پلان مربع

سیده حمیده موسوی1*، شهرام دلفانی2

 1. کارشناسی ارشد، فناوری معماری، دانشگاه شهید بهشتی، تهران

2. دانشیار، مهندسی مکانیک، مرکز تحقیقات راه،‌ مسکن و شهرسازی، تهران

* تهران، کدپستی 1983969411، hamideh.moosavi17@gmail.com

 

چکیده 

مطالعه ضریب فشار باد بر روی سطوح ساختمان­ها از منظر سازه­ای و تهویه حایز اهمیت است. زیرا ضریب فشار مثبت و منفی مسبب نیروی فشاری و مکشی باد پیرامون ساختمان‌هاست. در این پژوهش، جریان باد بر روی 20 نمونه ساختمانی،  شامل 5 نمونه با ضرایب ارتفاع به عرض بین 5/0 تا 5/2 در 4 زاویه °0، °15، °30 و °45،  با پلان مربع در مقیاس 1:100 به شیوه عددی شبیه­سازی شده و ضریب فشار بر روی سطوح خارجی مورد بررسی قرار گرفته‌اند. شبیه­سازی باد به کمک روش میانگین­گیری از رینولدز معادلات ناویر- استوکس (RANS) در حالت پایا انجام و جریان­های آشفته به وسیله معادلات RNG k-ε مدل‌سازی شده است. به‌علاوه، از تأثیر لایه‌بندی حرارتی نزدیک به زمین بر حرکت هوا صرفنظر و جهت اعتبارسنجی، نتایج عددی با نتایجِ تجربیِ منتشر شده توسط پژوهشگران پیشین، مقایسه گردیده است. نتایج حاکی از این است که تغییر زاویه­ی چرخش تأثیر مستقیمی در میزان ضریب فشار القایی باد به ساختمان دارد و همچنین، میزان تغییرات آن بر روی نمای ساختمان با افزایش نسبت ارتفاع به عرض (H/D)، بیشتر می­شود. تا زاویه­ی چرخش °15 همچنان تنها یک جبهه ساختمان (جبهه رو به باد) فشار مثبت را تجربه می­کند، ولی با افزایش بیشتر این زاویه هر دو وجه رو به باد، فشار مثبت را تجربه خواهند کرد. 

کلید‌واژگان

ساختمان، پلان مربع، باد، ضریب فشار، شبیه‌سازی عددی (CFD)

 

Evaluating the Amount of Wind Induced Pressure Coefficient on Square Plan Building’s Faces

Seyedeh Hamideh Moosavi1*, Shahram Delfani2

1. Urban and Architecture Department, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

2. Department of Mechanical Engineering, Road, Housing, and Urban Development Research Center, Tehran, Iran

* P.O. Box 1983969411, Tehran, Iran, hamideh.moosavi17@gmail.com

 

Abstract

Assessing wind pressure coefficient on building’s exterior surfaces is essential for studying natural ventilation and structural issues. Positive and negative pressure coefficients are the main reasons of generating pressure and suction on facades. In this study, wind flow has been numerically simulated on 20 building models with the scale of 1:100 and pressure coefficient has been computed on building’s exterior faces. Models were consisted of 5 different heights to width (H/D) ratios, ranging between 0.5 and 2.5 in 4 different angles: 0°, 15°, 30° and 45°. Wind simulation has been carried out based on Reynolds Average Navier-Stokes equations in steady state and turbulent flow has been modeled by RNG k-ε equations. The simulation has been done in isothermal condition and validation is performed by comparing the results with previous published data. Results illustrate that rotating angle has direct influence on the induced wind pressure coefficient of building’s surfaces and its variety domain expands as well as H/D increases. Until 15°, only one face experiences positive pressure but as the rotating angle gets further, two windward faces will experience positive pressure.

Keywords

Building, Square Plan, Wind Pressure Coefficient, Computational Fluid Dynamics

 

 

 

 

1-  مقدمه

بررسی توزیع فشار بر روی سطوح خارجی ساختمان از منظر سازه­ای و تهویه مطبوع حایز اهمیت است [1, 2]. تهویه طبیعی فرآیندی است که طی آن هوا از فضای بیرون به درون اتاق یا ساختمان راه پیدا می‌کند و درون فضا گسترش می­یابد [3]. این امر رویکردی مهم برای بهبود کیفیت هوای فضای داخلی، ‌آسایش حرارتی ساکنان و کاهش مصرف انرژی به‌شمار می­رود [4, 5] و در نتیجه­ی اثر نیروی شناوری که مبنای آن اختلاف فشار است،‌ ایجاد می‌شود [6]. تهویه طبیعی یک طرفه یا عرضی در ساختمان­ها از جمله دغدغه­های امروزی پژوهشگران در ساخت ساختمان­های سبز و محیط­های شهری پایدار است [7-10]. نرخ تهویه طبیعی تحت تأثیر عوامل زیادی مثل سرعت باد مبنا،‌ هندسه بازشوها، مشخصات محیط پیرامونی و محل قرارگیری در طبقات ساختمان، قرار دارد [7, 11, 12].

توزیع فشار بر روی دیواره­های خارجی ساختمان نیز تا حد زیادی وابسته به هندسه ساختمان،‌ جهت وزش باد و شرایط محیطی بستر هستند [1, 13]. در این راستا، منتظری و همکارش [1] به بررسی تأثیر حضور بالکن­ها در نمای ساختمان و بر الگوی توزیع فشار روی وجوه ساختمانی بلندمرتبه پرداخته­اند. نتایج به دست آمده نشان می­دهد حضور بالکن­ها تأثیر به‌سزایی در توزیع فشار القایی به ساختمان و در نتیجه، آسایش ساکنان در بالکن خواهد داشت. مطالعات عددی و تجربی لی و همکارانش [14] بر توزیع فشار سطحی ِ مدل­هایی با پلان­های مستطیل شکل در ارتفاع ثابت و زوایای مختلف حاکی از این است که تغییر نسبت اضلاع و زاویه­ی برخورد باد به طور مؤثری بر جریان باد پیرامون نمونه­ها و متوسط ضریب فشار روی سطوح ساختمان­ها تأثیرگذار است. به نحوی ‌که تغییر زاویه­ی 30 درجه­ای باد می‌تواند ضریب فشارِ ناحیه­ای را از مثبت به منفی یا بالعکس تغییر دهد. به‌علاوه، تغییرات اندازه­ی وجهی از ساختمان که در معرض وزش باد است بر رژیم جریان پررنگ­تر و مؤثرتر است و هرچه این اندازه بزرگتر باشد، فشار مکشی سطح بر روی سقف و دیواره­های اطراف بیشتر خواهد بود. این پژوهش همچنین می­تواند مرجع مفیدی برای مقایسه­ی داده­های عددی با نتایج آزمایشگاهی در نسبت­های طول به عرض متفاوت باشد. هانگ و همکارش [15] نیز به بررسی تجربی تأثیر هم‌زمان تغییر فشار بر روی وجوه مختلف دو ساختمان با پلان مربع به ارتفاع 20 و 50 طبقه در 3 زاویه پرداخته‌اند. هدف از این پژوهش بررسی تغییرات فشار بر عملکرد سازه­ای ساختمان بوده است. اختلاف فشار بین سطوح مختلف ساختمان و یا حتی توزیع نامتوازن و لحظه‌ای فشار بر روی وجوه ساختمان­های بلند مرتبه­ی انعطاف‌پذیر  (مقاوم در برابر زلزله) سبب حرکات ارتعاشی در جهت وزش باد خواهد شد [15, 16]  که خود زمینه‌ساز بسیاری از مشکلات سازه­ای و مخل آسایش ساکنان است. سااو و همکارانش [17] نیز در پژوهشی اثر گردباد و فشار القا شده توسط بادهای شدید بر سقف مسطح و شیبدار ساختمان­های کوتاه مرتبه را مورد مطالعه قرار دادند و به این نتیجه رسیدند که توزیع فشار القایی باد به ساختمان به هنگام وقوع گردباد در مقایسه با حالت عادی بسیار متفاوت بوده و اندازه و نحوه توزیع فشار باد پیرامون ساختمان بسیار وابسته به هندسه ساختمان و فاصله­ی آن از مرکز گردباد است. هاتم و همکارش [18] فشار القایی باد را بر سقف ساختمان­های کوتاه مرتبه­ی وسیع با پلان مربع، در حالی‌که اضلاع نمونه­ها بین 60 متر تا 180 متر انتخاب شده بود، در چندین جهت وزش باد بررسی کردند. نتایج این پژوهش نشان داد که میزان فشار القایی باد بر روی سقف ساختمان­های کوتاه مرتبه با ابعاد وسیع، در مقایسه با ساختمان­های متداول بسیار متفاوت است و اندازه پلان ساختمان نقش مهمی را ایفا می­کند. نگارندگان این پژوهش توصیه می­کنند قوانین متداول بارگذاری باد باید برای ساخت چنین ساختمان­هایی اصلاح شود، چرا که اعمال قوانین متداول کنونی به چنین سازه­هایی منجر به ارایه طرحی بسیار  غیراقتصادی و بیش از حد سختگیرانه به لحاظ سازه­ای می­گردد.

شبیه­سازی جریان باد به شیوه‌های: 1) اندازه‌گیری واقعی، 2)‌ آزمایش‌های تونل باد و 3) با استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی  انجام می­پذیرد. امروزه شیوه عددی شبیه­سازی جریان باد، به شیوه­ای متداول برای محاسبات پارامتریک تبدیل شده است. دقت قابل قبول این شیوه، دسترسی آسانتر، فراهم کردن داده­های بیشتر و هزینه کمتر نسبت به انجام دادن آزمایش­های تجربی مانند تونل باد از عوامل محبوبیت این روش هستند. در میان روش­های متداول شبیه‌سازی جریان به کمک دینامیک سیالات محاسباتی،‌ روش میانگین­گیری از رینولدز معادلات نویر- استوکس، فراگیرتر است [1, 19, 20].  هرچند دقت این شیوه نسبت به دیگر روش­های عددی مانند شبیه‌سازی مستقیم عددی[1] و شبیه­سازی گردابه­های بزرگ[2]،‌ کمتر است ولی به دلیل صرف زمان و هزینه محاسباتی کمتر به شیوه­ای متداول و مورد قبول بین پژوهشگران علوم ساختمانی تبدیل شده است.

با توجه به اهمیت موضوع ضریب فشار باد در علوم ساختمان، در این پژوهش 20 بلوک ساختمانی با پلان مربع به طور مجزا در مقابل جریان باد با سرعت مبنای m/s 4 قرار گرفته­اند و سپس الگوی توزیع ضریب فشار بر روی وجوه خارجی ساختمان­ها محاسبه و ارایه گردیده است. به این منظور نسبت ارتفاع به عرض (H/D) ساختمان­های متداول ملاک عمل بوده و لذا نمونه‌هایی با نسبت ارتفاع به عرض 5/0، 0/1، 5/1، 0/2 و 5/2 در 4 زاویه­ی چرخش °0، °15، °30 و °45  مورد بررسی قرار گرفته­اند.

2-       مدلسازی عددی

متغیرها در این پژوهش نسبت ارتفاع به عرض (عرض عمود به جهت جریان باد)‌ و زاویه چرخش ساختمان است که به ترتیب با علامت اختصاری H/D و Ɵ معرفی شده‌اند (شکل1). مقدار H/D‌ نمونه‌ها بین 5/0 تا 5/2 با فاصله 5/0،‌ متفاوت و زاویه­های مورد بررسی °0، °15، °30 و °45 در نظر گرفته شده است. در مرحله بعد، اثر جریان بادی با سرعت مبنای  m/s4 در ارتفاع 10 متری از سطح زمین (در مقیاس واقعی) بر روی 20 نمونه ساختمانی ‌توسط روش دینامیک سیالات محاسباتی شبیه‌سازی شده و در پایان اثر جریان باد بر روی نمونه­های مختلف توسط مقدار ضریب فشار (Cp) مقایسه گردیده است.

نوآوری این پژوهش از این حیث است که با محدود کردن هندسه­ی پلان به شکل مربع، درصدد بررسی دقیق­تر تأثیر H/D و زاویه­ی چرخش بر توزیع فشار القایی بر نمای ساختمان است؛ ایجاد این محدودیت امکان بررسی دو متغیر را در طیف وسیع­تری فراهم کرده است. شایان ذکر است محدوده­ی انتخابی برای نسبت H/D، در گستره­ی ساختمان­های متداول (ساختمان­های کوتاه مرتبه و میان مرتبه) قرار می­گیرد.  

 

شکل 1 معرفی متغیرهای مسأله

2-1- دامنه حل

بر اساس دستورالعمل­های معتبر در زمینه بررسی عددی جریان هوا در معماری و شهرسازی [21, 22] اندازه این محدوده بر مبنای ارتفاع ساختمان تعیین می­شود. در صورتی که ارتفاع ساختمان را H در نظر بگیریم، ساختمان باید از مقطع ورودی باد، کناره‌ها و صفحه­ی بالایی حداقل به میزان  H5 و از مقطع خروج باد 6 تا 10 برابر ارتفاع فاصله داشته باشد. این کمینه­ی فاصله­ها به این دلیل است تا اثر دیواره­ی محدوده دامنه­ی شبیه­سازی، بر روی جسم مورد مطالعه به حداقل برسد.

2-2- معادلات حاکم

معادلات نویر استوکس، معادلات حاکم بر حرکت سیال، شامل سه معادله بقای جرم، بقای ممنتوم و بقای انرژی هستند. در این پژوهش از تأثیر لایه‌بندی حرارتی هوا در نزدیکی زمین صرفنظر شده، لذا نیازی به حل معادلات بقای انرژی در پیش­بینی حرکت سیال نیست. برای پیش­بینی رفتار توربولانسی باد علاوه بر معادلات مذکور به معادله­ی کمکی دیگری موسوم به مدل توربولانسی نیاز است. در مطالعات ایرودینامیکی ساختمان­ها و فضای شهری مدل­های توربولانسی متنوعی به‌کار برده شده است، اما مدل k-ε RNG  در مقایسه با دیگر مدل­ها، نتایج دقیقتری در تحلیل ساختمان­های مجزا، ارایه داده است [23]. k بیانگر انرژی جنبشی توربولانس و e بیانگر میزان اتلاف انرژی توربولانس است. همچنین، معادلات مورد استفاده برای شبیه‌سازی عددی جریان باد بر مبنای جریان آشفته، ‌پایا[3] و تراکم‌پذیر انتخاب شده است.

2-3- شرایط مرزی

قدم بعدی در شبیه‌سازی عددی جریان هوا،‌ مشخص کردن شرایط مرزی برای دیواره­های دامنه حل است. به ورودی جریان،‌ شرط مرزی سرعت ورودی[4] اختصاص داده شده است. به دلیل اینکه در محیط طبیعی سرعت باد با فاصله گرفتن از سطح زمین افزایش می­یابد، اعمال پروفیل باد در مقطع ورودی جریان، شرایط شبیه­سازی را به شرایط طبیعی نزدیکتر می­کند (شکل 2). 

به صورت تئوری، پروفیل باد از معادله 1 تبعیت می­کند. این پروفیل بر اساس یک سرعت مرجع و α که ضریبی برای بیان میزان زبری سطح است، تعریف می­شود [24].

 

(۱)          

 

در این معادله Z ارتفاع مشخص از سطح زمین و Vᴢ سرعت باد در ارتفاع Z ، Vz10 سرعت در ارتفاع ده متری (Z10) است. α معیاری از ناهمواری زمین است که در اینجا برابر با 27/0 در نظر گرفته شده است. پروفیل انرژی جنبشی توربولانس (k) نیز منطبق با پروفیل تونل بادِ نمونه­ی مرجع (نمونه­ای که برای اعتبارسنجی از آن استفاده شده است) انتخاب و پروفیل اتلاف انرژی توربولانس بر اساس معتبرترین دستورالعمل­ها در حوزه ایرودینامیک ساختمان [21، 22] با استفاده از معادله 2 محاسبه گردیده است.

 

(۲)    

 

 

 

شکل 2 مراحل پیشرو در شبیه‌سازی عددی جریان باد

 

 

در معادله 2  میزان اتلاف انرژی توربولانس در ارتفاع مورد نظر z،  عدد ثابت در مدل k-e (معمولا برابر با 09/0 در نظر گرفته می­شود)،  سرعت مرجع (معمولا در بالادست جریان در نظر گرفته می­شود)،  ارتفاع سرعت مرجع و  ضریب بیان‌کننده میزان ناهمواری زمین است [22] که در این پژوهش برابر با 27/0 در نظر گرفته شده است (پروفیل سرعت باد و انرژی جنبشی توربولانس نیز با همین ضریب α ارایه شده­اند [25]). در ادامه، شرط مرزی در خروجی جریان به‌گونه­ای در نظر گرفته می­شود که گرادیان کلیه متغیرها (از جمله فشار) در جهت جریان برابر با صفر است. برای دیوارهای اطراف و همچنین سقف دامنه­ی حل شرط مرزی متقارن[5] اعمال گردیده است. این شرط مرزی زمانی به‌کار برده می­شود که انتظار می­رود صفحات انتخابی با الگوی عمومی جریان باد در دامنه حل هم‌راستا باشند، این شرط مرزی اثر دیواره بر جریان هوا را به حداقل می­رساند. برای دیگر مرزها شامل کف و دیواره­های ساختمان از شرط مرزی دیواره[6] یا شرط عدم لغزش[7] استفاده شده است. در این حالت سرعت باد بر روی مرز برابر با صفر در نظر گرفته می­شود و به تناسب زبری سطح و اثر متقابل آن بر رژیم جریان باد، با فاصله گرفتن از دیواره سرعت باد افزایش می­یابد [26] (شکل 3).

 

 

شکل 3 پروفیل­های ورودی جریان باد [25[

 

2-4- حل عددی

از نرم‌افزار ANSYS FLUENT 17 برای حل معادلات حاکم بر حرکت سیالات موسوم به معادلات نویر- استوکس استفاده شده است. شیوه­ی حل مبتنی بر فشار و همچنین برای حل معادلات بقای جرم و ناویر- استوکس از الگوریتم سیمپل[8] (روش نیمه ضمنی برای حل معادلات مرتبط با فشار) استفاده شده است؛ سیال جاری، هوا با چگالیm3/kg 225/1 و گرانروی m.s/kg 5-10 × 789/1 است. درون‌یابی متغیرها تا مرتبه دوم ادامه می­یابد و جهت بررسی همگرایی، تکرار حل تا جایی ادامه پیدا می­کند که خطای محاسبات معادلات فوق، به طور میانگین به کمتر از 3-10 کاهش یابند.

2-5- اعتبارسنجی

به هنگام استفاده از روش عددی برای پیش­بینی رفتار سیال، اعتبارسنجی و مقایسه داده‌های حاصل با نمونه­های تونل باد الزامی است؛ این امر به منظور  اطمینان پیدا کردن از صحت کدهای نرم‌افزار صورت می­گیرد [28]. مرجع مقایسه در این مقاله، اطلاعات به‌دست آمده از آزمایش تونل باد لایه مرزی پیرامون مدلی مکعبی شکل با نسبت ارتفاع: طول: عرض برابر با 2: 1: 1 است [29]. همان‌طور که در شکل 4 نمایان است، میانگین انحراف نتایج عددی حاصل از شبیه­سازی توسط نگارندگان مقاله و نتایج تونل باد منتشر شده، در محدوده‌ای قابل قبول قرار می­گیرد.

 

 

 

شکل 4 مقایسه نتایج تونل باد و نتایج عددی نگارندگان مقاله

 

 

2-6- شبکه‌بندی دامنه حل

اساس کار بیشتر نرم‌افزارهای شبیه­ساز جریان هوا، روش حجم محدود[9] است که برای گسسته‌سازی معادلات حاکم، دامنه­ی حل را به شبکه­های ریز تقسیم می­کنند، در نتیجه نتایج داده­ها به میزان زیادی وابسته به نوع و کیفیت شبکه­بندی است. لذا تعداد شبکه­ها باید به حدی دقیق باشد که در نواحی مد نظر، بتوان مقادیر فیزیکی را با تعداد مناسبی از معادلات حل و حدس زد. جهت مقایسه تعداد شبکه‌ها، و اثبات این موضوع که اندازه­ی شبکه‌بندی تأثیر قابل‌توجهی در نتایج نهایی ندارد، باید حداقل سه شبکه با اندازه‌های متفاوت بررسی شود. در بیشتر مسایل مهندسی اگر 75% تا 85% نتایج یکسان باشند، مش بزرگتر، به دلیل صرفه‌جویی در زمان و هزینه شبیه‌سازی مورد قبول خواهد بود. خاطر نشان می­شود که ریزترین سلول­ها پیرامون دیواره­ی ساختمان­ها و زمین (پیرامون اجسام صلب) قرار می­گیرند. همچنین، یکای بدون بعد دیواره، موسوم به +y مبنای اندازه‌گذاری کوچکترین سلول (اولین سلول نزدیک به مدل مورد مطالعه)  است که مقدار بهینه­ی آن در شبیه­سازی باد پیرامون ساختمان­ها بین 30 تا 100 در نظر گرفته می­شود [30]. هرچه مقدار +y  کاهش یابد، اندازه شبکه‌بندی نیز کاهش می­یابد. همچنین کاهش مقیاس در محاسبات عددی سبب افزایش دقت نتایج [30] و کاهش قابل توجه زمان اجرا می­شود.

 جهت اثبات عدم وابستگی نتایج به تعداد سلول­های دامنه­ی حل، 3 شبکه: 1) شبکه درشت با 592¸163 سلول 2) شبکه متوسط با 402¸336 سلول و شبکه ریز با 360¸653 سلول مورد بررسی قرارگرفته‌اند. همان‌طور که در شکل 5  مشاهده می­شود، مقایسه بین داده­های حاصل از سه شبکه فوق حاکی از انحراف ناچیز بین نتایج شبکه ریز و متوسط است. لذا شرایط شبکه‌بندی متوسط به دیگر نمونه‌ها اعمال گردیده است. در هر نمونه ریزترین سلول­ها در نزدیکی سطوح صلب– دیواره جسم و سطح زمین- قرار می­گیرند.

 

 

شکل 5 مقایسه نتایج شبکه‌بندی­های متفاوت

 

3- نتایج

ضریب فشار (Cp) بر روی صفحات خارجی ساختمان از طریق معادله ۳ محاسبه می­گردد [31].

 

(۳)       

 

 

در معادله شماره 3، P فشار موضعی، P0 فشار استاتیکی مرجع (در این پژوهش برابر با صفر در نظر گرفته شده است)، ρ چگالی هوا در دامنه­ی حل، برابر با kg/m3  ۲۲۵/۱ و U سرعت بالادست جریان باد در پروفیل ورودی و برابر با m/s ۶/۷ تعیین شده است. خاطر نشان می­گردد ضریب فشار منفی مسبب نیروی مکشی و ضریب فشار مثبت مسبب نیروی فشار بر روی وجوه ساختمان است.

به هنگام برخورد باد به ساختمان، در جبهه رو به سمت باد فشار دینامیکی جریان هوا پس از برخورد به ساختمان در نقطه رکود تبدیل به فشار استاتیکی شده که این امر موجب تقسیم جریان باد به دو ناحیه می‌گردد (شکل 6). به همین دلیل انتظار می­رود ضریب فشار در جبهه رو به سمت باد مثبت بوده و در نقطه رکود بیشترین مقدار را داشته باشد. زیر نقطه رکود جریان هوا به سمت پایین و به صورت چرخشی می­شود. بالای نقطه رکود جریان هوا به سمت بالا حرکت کرده و هنگام رسیدن به تراز بام پدیده جدایش[10] رخ داده و ناحیه­ی جریان چرخشی بر فراز بام و همچنین در ناحیه پشت به سمت باد به‌وجود می­آید [32].  به دلیل اتلاف‌های اصطکاکی و لزجتی، فشار جریان افت نموده و به همین دلیل در تراز بام، اطراف ساختمان و همچنین جبهه پشت به سمت باد فشار به شدت کاهش پیدا کرده و مقادیر ضریب فشار منفی می­شود.

 

 

شکل 6 رژیم جریان باد اطراف ساختمان به صورت شماتیک [33]

 

شکل شماره 7 نقاط هم­ارز ضریب فشار باد روی جبهه­های مختلف ساختمان با پلان مربع را در حالتی ‌که °0=θ و نسبت H/D نمونه-های A تا E به ترتیب برابر با 5/0، 0/1، 5/1، 0/2 و 5/2 است، نشان می­دهد. در این وضعیت تنها یک وجه ساختمان دارای ضریب فشار مثبت است. لذا تهویه همواره به‌گونه­ای صورت می­پذیرد که هوا از جبهه شماره 1 وارد ساختمان می­شود و از 3 جبهه دیگر خارج می­شود. همچنین، نتایج نشان می­دهد با افزایش نسبت H/D، شاهد افزایش مقادیر ضریب فشار روی سطح رو به سمت باد خواهیم بود به نحوی‌که در 5/0 =H/D بیشترین مقدار ضریب فشار برابر با 3/0 و در 5/2 =H/D برابر با 8/0 است. همان‌طور که در شکل 7 مشاهده می‌شود، تراز نقطه رکود معمولا بین 7/0 تا 8/0 ارتفاع ساختمان است [23]. به‌علاوه، توزیع فشار منفی در دو وجه 2 و 4 به صورت متقارن شکل گرفته است (شکل 7).

شکل شماره 8 نقاط هم­ارز ضریب فشار باد القایی به ساختمان را  هنگامی ‌که ساختمان نسبت به جریان باد زاویه­ای برابر با °15 درجه دارد، نشان می­دهد. هر چند ساختمان در موقعیتی زاویه­دار نسبت به جریان باد قرار گرفته ولی همچنان بر روی یک وجه، ضریب فشار مثبت دیده می­شود که نظیر شکل 7 با افزایش ارتفاع مقادیر بیشتری می­یابد. از مقایسه شکل‌های 7 و 8 مشهود است منطقه‌ای که در آن بیشترین ضریب فشار مثبت رخ می‌دهد، در زاویه چرخش °15 متقارن نبوده و به سمت گوشه ساختمان متمایل شده است. همچنین مشاهده می­شود که نقطه رکود در ترازی برابر با 7/0 تا 8/0 ارتفاع ساختمان رخ می­دهد. در اینجا نیز مانند شکل شماره 7، افزایش ارتفاع سبب بزرگتر شدن گردابه­های پشت به جهت باد شده و به دنبال آن مقادیر فشار مثبت نیز افزایش می­یابد (شکل 8).

شکل شماره 9 نقاط هم­ارز ضریب فشار باد را در وضعیتی که زاویه چرخش ساختمان برابر با °30 است، نشان می­دهد. در این حالت دو وجه شماره 1 و 2 دارای ضریب فشار مثبت و دو وجه دیگر دارای ضریب فشار منفی هستند، ولی ناحیه رکود و حداکثر میزان فشار مثبت بر روی وجه شماره 2 تشکیل شده است. باید توجه داشت که نصب دودکش یا هواکش در دیواره­های با ضریب فشار منفی، عملکرد این اجزا را مختل خواهد کرد (شکل 9).

شکل شماره 10 توزیع ضریب فشار القایی باد بر روی ساختمانی با زاویه چرخش °45 را نشان می­دهد. در این حالت به دلیل اینکه دو وجه شماره 1 و 2 به صورت متقارن در مقابل جریان باد قرار می­گیرند، خطوط توزیع ضریب فشار نسبت به محل برخورد دو وجه 1 و 2 به صورتی متقارن می­باشد. انتظار می­رود به دلیل اینکه دو جبهه ساختمان فشار منفی و دو جبهه دیگر فشار مثبت را تجربه می­کنند، تهویه طبیعی در ساختمان­های با زاویه چرخش °45 به صورت کارآمدتری انجام پذیرد (شکل 10).

 

 

 

 

 

 

شکل 7 نقاط هم ارز ضریب فشار باد بر روی نمونه­ها - °0=θ

 

 

 

شکل 8 نقاط هم ارز ضریب فشار باد بر روی نمونه­ها - °15=θ

 

 

 

 

 

 

شکل 9 نقاط هم ارز ضریب فشار باد بر روی نمونه­ها - °30=θ

 

 

 

 

شکل 10 نقاط هم ارز ضریب فشار باد بر روی نمونه­ها - °45=θ

4- نتیجه­گیری

در این پژوهش، تأثیر رژیم جریان باد بر روی 4 جبهه­ی 20 نمونه ساختمانی در 4 زاویه متفاوت (°0، °15، °30، °45) و 5 نسبت H/D (5/0، 0/1، 5/1، 0/2 و 5/2 ) به کمک شیوه RANS، شبیه‌سازی و مورد بررسی قرار گرفته است. این شبیه‌سازی به صورت 3 بعدی، در حالت پایا و بدون در نظر گرفتن اثر لایه‌بندی حرارتی انجام گرفته و همچنین، از مدل توربولانسی k-ε RNG برای شبیه‌سازی جریان آشفته استفاده شده است. علت بررسی عامل ضریب فشار در این پژوهش، اهمیت این عامل در مطالعات تهویه مطبوع و بررسی آسایش فیزیکی ساکنان ساختمان برای معماران و مهندسان ساختمان است. نتایج حاصل از بررسی نمونه­های متفاوت به صورت موردی در ذیل ارایه می‌شود:   

1-      الگوی توزیع ضریب فشار کاملا وابسته به جهت قرارگیری ساختمان است.

2-      همچنان که افزایش نسبت H/D سبب پیدایش گردابه­های بزرگتر در جبهه پشت به باد ساختمان می­گردد، سبب افزایش میزان ضریب فشار در جبهه رو به باد نیز می­گردد.

3-      در زاویه چرخش °15 همچنان یک جبهه ساختمان فشار مثبت را تجربه می­کند. ولی در زاویه چرخش °30، دو جبهه ساختمان تحت تأثیر ضریب فشار مثبت قرار می­گیرند.

4-      الگوی توزیع ضریب فشار منفی در دو وجه کناری ساختمان در °0=θ  به صورت متقارن است.

5-      در ساختمان­های با پلان مربع، هنگامی‌که ساختمان نسبت به جهت وزش باد زاویه­ای بیش از °30 داشته باشد، تهویه طبیعی بهتر صورت می­پذیرد.

6-      نقطه رکود در ترازی برابر با 7/0 تا 8/0 ارتفاع ساختمان رخ می‌دهد.

7-      با افزایش نسبت ارتفاع، در جبهه رو به باد ساختمان، مقادیر ضریب فشار افزایش می­یابد.

5- مراجع

[1]           H. Montazeri, B. Blocken, CFD simulation of wind-induced pressure coefficients on buildings with and without balconies: Validation and sensitivity analysis, Building and Environment, 60, p. 137-149, 2013.

[2]  H. Montazeri, F. Montazeri, CFD simulation of cross-ventilation in buildings using rooftop wind-catchers: Impact of outlet openings, Renewable Energy, 118, p. 502-520, 2018.

[3]  H. Awbi, Ventilation of buildings, Taylor and Francis, 2003.

[4]  L. Yang, B. J. He, M. Ye, Application research of ECOTECT in residential estate planning, Energy and Buildings, 72, p. 195-202, 2014.

[5]  D. Zhao, X. B. J. He, Effects of architectural shapes on surface wind pressure distribution: Case studies of oval-shaped tall buildings, Building Engineering, 12, p. 219-228, 2017.  

[6]  Y. Jiang, Q. Chen, Study of natural ventilation in buildings by large eddy simulation, Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 89(13), p. 1155-1178, 2001.

[7]  Z. T. Ai, C. M. Mak, Wind-induced single-sided natural ventilation in buildings near a long street canyon: CFD evaluation of street configuration and envelope design, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 172, p. 96-106, 2018.

[8]  P. Karava, T. Stathopoulos, A. K. Athienitis, Airflow assessment in cross-ventilated buildings with operable façade elements, Building and Environment, 46 (1), p. 266-279, 2011.

[9] W. Guo, X. Liu, X. Yuan, Study on Natural Ventilation Design Optimization Based on CFD Simulation for Green Buildings, Procedia Engineering, 121, p. 573-581, 2015.

[10] H. Wang, Q. Chen, A new empirical model for predicting single-sided, wind-driven natural ventilation in buildings, Energy and Buildings, 54, p. 386-394, 2012.

[11]         A. Aflaki, et al., A review on natural ventilation applications through building façade components and ventilation openings in tropical climates, Energy and Buildings, 101, p. 153-162, 2015.

[12] C. F. Gao, W. L. Lee, Evaluating the influence of openings configuration on natural ventilation performance of residential units in Hong Kong, Building and Environment, 46(4), p. 961-969, 2011.

[13]         M. Hejazi, Ebrahim Afshari, Numerical simulation of wind interference effects around a group of tall buildings, Journal of solid and fluid mechanics, 5, 2015.

[14]         Young Tea Lee, S. L. B. Hee Chang Lim, Kunio Misutani, pressure distribution on rectangular buildings with changes in aspect ratio and wind directions, Wind and structures, 23, p. 465-483, 2016.

[15] G. Huang, X. Chen, Wind load effects and equivalent static wind loads of tall buildings based on synchronous pressure measurements, Engineering Structures, 29(10), p. 2641-2653, 2007.

[16] N. Lin, et al., Characteristics of wind forces acting on tall buildings, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 93(3), p. 217-242, 2005.

[17] S. Cao, M. Wang, J. Cao, Numerical study of wind pressure on low-rise buildings induced by tornado-like flows, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 183, p. 214-222, 2018.

[18] H. Alrawashdeh, T. Stathopoulos, Wind pressures on large roofs of low buildings and wind codes and standards, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 147, p. 212-225, 2015.

[19] Y. Toparlar, B. B. B. Maiheu, G. J. F. Van Heijst, A review on the CFD analysis of urban microclimate, Renewable and sustainable energy revies, 80, p. 1613- 1640, 2017.

[20] M. Lateb, C. M. T. Stathopoulos, C. Be´dard, Comparison of various types of k–e models for pollutant emissions around a two-building configuration, Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 115, 2013.

[21] COST, Best practice guideline for the CFD simulation of flows in the urban environment, 2007.

[22] Y. Tominagaa, A. M. Ryuichiro Yoshie, Hiroto Kataoka, Tsuyoshi Nozue, Masaru Yoshikawa, Taichi Shirasawac, AIJ guidelines for practical applications of CFD to pedestrian wind environment around buildings, Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 96, p. 1749-1761, 2008.

[23] Y. Tominaga, S. I. A. Takuya Kitahara, Yuki Arinami, Air flow around isolated gabled roof buildings with different roof pitches: Wind tunnel experiments and CFD simulations, Building and Environment, 84, p. 204- 2013, 2015.

[24] ASCE, Wind Tunnel Studies of Buildings and Structures, American Society of Civil Engineer, Reston, Virginia, 1999.  

[25] Y. Tominaga, A. M., Shuzo Murakami, Satoshi Sawaki, Comparison of various revised k-ε models and LES applied to flow around a high-rise building model with 1:1:2 shape placed within the surface boundary layer, Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 96,  p. 389- 411, 2008.

[26] A. YUNUS, J. M. C. ÇENGEL, Fluid mechanic fundamentals, America, New York, McGraw-Hill, 2006.

[27] B. Blocken, T. Stathopoulos, J. Carmeliet, CFD simulation of the atmospheric boundary layer: wall function problems, Atmospheric Environment, 41(2), 238-252, 2007.

[28] B. Blocken, T. S. J. P. A. J. Van Beeck, Pedestrian level wind conditions around buildings: Review of wind tunnel and CFD techniques  and their accuracy for wind comfort assessment, Building and Environment, 100, p. 50-81, 2016.

[29] Y. H. K. Meng, Turbulant measurements of the flow field around a high-rise building, wind eng. Jpn, 76, 1998.

[30] B. Blocken, J. C. Ted Stathopolos, CFD evaluation of wind speed conditions in passage between parallel buildings- effect of wall-function roughness modifications for the atmospheric boundary layer flow, wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 95, p. 941-962, 2007.

[31] B. Li, J. Liu, J. Gao, Surface wind pressure tests on buildings with various non-uniformity morphological parameters, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 137, p. 14-24, 2015.

[32] Environmental Wind Engineering and Design of Wind Energy Structures, Springer Wien, New York, 2011.

[33] R.. Jin, et al., Numerical investigation of wind-driven natural ventilation performance in a multi-storey hospital by coupling indoor and outdoor airflow, Indoor and Built Environment, 25(8), p. 1226-1247, 2016.

 

 



[1] DNS

[2] LES

[3] Steady

[4] Velocity Inlet

[5] Symmetry

[6] Wall

[7] No Slip

[8] SIMPLE

[9] Finite Volume

[10] Separation

مراجع
[1]           H. Montazeri, B. Blocken, CFD simulation of wind-induced pressure coefficients on buildings with and without balconies: Validation and sensitivity analysis, Building and Environment, 60, p. 137-149, 2013.
[2]  H. Montazeri, F. Montazeri, CFD simulation of cross-ventilation in buildings using rooftop wind-catchers: Impact of outlet openings, Renewable Energy, 118, p. 502-520, 2018.
[3]  H. Awbi, Ventilation of buildings, Taylor and Francis, 2003.
[4]  L. Yang, B. J. He, M. Ye, Application research of ECOTECT in residential estate planning, Energy and Buildings, 72, p. 195-202, 2014.
[5]  D. Zhao, X. B. J. He, Effects of architectural shapes on surface wind pressure distribution: Case studies of oval-shaped tall buildings, Building Engineering, 12, p. 219-228, 2017.  
[6]  Y. Jiang, Q. Chen, Study of natural ventilation in buildings by large eddy simulation, Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 89(13), p. 1155-1178, 2001.
[7]  Z. T. Ai, C. M. Mak, Wind-induced single-sided natural ventilation in buildings near a long street canyon: CFD evaluation of street configuration and envelope design, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 172, p. 96-106, 2018.
[8]  P. Karava, T. Stathopoulos, A. K. Athienitis, Airflow assessment in cross-ventilated buildings with operable façade elements, Building and Environment, 46 (1), p. 266-279, 2011.
[9] W. Guo, X. Liu, X. Yuan, Study on Natural Ventilation Design Optimization Based on CFD Simulation for Green Buildings, Procedia Engineering, 121, p. 573-581, 2015.
[10] H. Wang, Q. Chen, A new empirical model for predicting single-sided, wind-driven natural ventilation in buildings, Energy and Buildings, 54, p. 386-394, 2012.
[11]         A. Aflaki, et al., A review on natural ventilation applications through building façade components and ventilation openings in tropical climates, Energy and Buildings, 101, p. 153-162, 2015.
[12] C. F. Gao, W. L. Lee, Evaluating the influence of openings configuration on natural ventilation performance of residential units in Hong Kong, Building and Environment, 46(4), p. 961-969, 2011.
[13]         M. Hejazi, Ebrahim Afshari, Numerical simulation of wind interference effects around a group of tall buildings, Journal of solid and fluid mechanics, 5, 2015.
[14]         Young Tea Lee, S. L. B. Hee Chang Lim, Kunio Misutani, pressure distribution on rectangular buildings with changes in aspect ratio and wind directions, Wind and structures, 23, p. 465-483, 2016.
[15] G. Huang, X. Chen, Wind load effects and equivalent static wind loads of tall buildings based on synchronous pressure measurements, Engineering Structures, 29(10), p. 2641-2653, 2007.
[16] N. Lin, et al., Characteristics of wind forces acting on tall buildings, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 93(3), p. 217-242, 2005.
[17] S. Cao, M. Wang, J. Cao, Numerical study of wind pressure on low-rise buildings induced by tornado-like flows, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 183, p. 214-222, 2018.
[18] H. Alrawashdeh, T. Stathopoulos, Wind pressures on large roofs of low buildings and wind codes and standards, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 147, p. 212-225, 2015.
[19] Y. Toparlar, B. B. B. Maiheu, G. J. F. Van Heijst, A review on the CFD analysis of urban microclimate, Renewable and sustainable energy revies, 80, p. 1613- 1640, 2017.
[20] M. Lateb, C. M. T. Stathopoulos, C. Be´dard, Comparison of various types of k–e models for pollutant emissions around a two-building configuration, Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 115, 2013.
[21] COST, Best practice guideline for the CFD simulation of flows in the urban environment, 2007.
[22] Y. Tominagaa, A. M. Ryuichiro Yoshie, Hiroto Kataoka, Tsuyoshi Nozue, Masaru Yoshikawa, Taichi Shirasawac, AIJ guidelines for practical applications of CFD to pedestrian wind environment around buildings, Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 96, p. 1749-1761, 2008.
[23] Y. Tominaga, S. I. A. Takuya Kitahara, Yuki Arinami, Air flow around isolated gabled roof buildings with different roof pitches: Wind tunnel experiments and CFD simulations, Building and Environment, 84, p. 204- 2013, 2015.
[24] ASCE, Wind Tunnel Studies of Buildings and Structures, American Society of Civil Engineer, Reston, Virginia, 1999.  
[25] Y. Tominaga, A. M., Shuzo Murakami, Satoshi Sawaki, Comparison of various revised k-ε models and LES applied to flow around a high-rise building model with 1:1:2 shape placed within the surface boundary layer, Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 96,  p. 389- 411, 2008.
[26] A. YUNUS, J. M. C. ÇENGEL, Fluid mechanic fundamentals, America, New York, McGraw-Hill, 2006.
[27] B. Blocken, T. Stathopoulos, J. Carmeliet, CFD simulation of the atmospheric boundary layer: wall function problems, Atmospheric Environment, 41(2), 238-252, 2007.
[28] B. Blocken, T. S. J. P. A. J. Van Beeck, Pedestrian level wind conditions around buildings: Review of wind tunnel and CFD techniques  and their accuracy for wind comfort assessment, Building and Environment, 100, p. 50-81, 2016.
[29] Y. H. K. Meng, Turbulant measurements of the flow field around a high-rise building, wind eng. Jpn, 76, 1998.
[30] B. Blocken, J. C. Ted Stathopolos, CFD evaluation of wind speed conditions in passage between parallel buildings- effect of wall-function roughness modifications for the atmospheric boundary layer flow, wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 95, p. 941-962, 2007.
[31] B. Li, J. Liu, J. Gao, Surface wind pressure tests on buildings with various non-uniformity morphological parameters, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 137, p. 14-24, 2015.
[32] Environmental Wind Engineering and Design of Wind Energy Structures, Springer Wien, New York, 2011.
[33] R.. Jin, et al., Numerical investigation of wind-driven natural ventilation performance in a multi-storey hospital by coupling indoor and outdoor airflow, Indoor and Built Environment, 25(8), p. 1226-1247, 2016.