不同挑棚式样对体育场内场风影响的数值模拟研究

摘要：田径规则规定当风速超过2m/s时，创造的世界纪录不予认可，因此体育场设计过程中应重视外部环境对体育场内场风的影响。造成体育场内场风速变化的影响因素较多，其中建筑物的结构形式是一个很重要的影响因素。本文选取某市奥体中心体育场建筑施工图原图建模，运用数字化手段对挑棚样式进行优化，采用数值模拟的方法对不同挑棚样式对体育场内场风的影响进行了研究，得出了不同挑蓬样式的内场风风等值线图和速度矢量图，显示了内场风场的变化，提出了风影响预报，为体育场设计及使用过程中引入环境风分析提供了依据。

关键词：体育场；挑棚样式；数值模拟；环境风场；运动成绩

中图分类号：G804.65文献标识码：A文章编号：1004-4590(2009)04-0060-05

Abstract:According to the athletics rule, the word records will not be validated when the wind speed is over 2 meters a second,There are many factors which affect the change of speed of the field wind inside stadium and canopy model is the very important aspect. For the filed wind study, it is difficult to solve these complex problems by the analysis using the theory of hydrodynamics, and there are also many disadvantages by experiments, such as wasting time and labor, high cost and the weak suitability, we chose the stadium construct map in a city′s Olympic Game Centre to build a model in this passage. We optimize the canopy model by the digitized means，make a study at the filed wind in different canopies by the imitating analysis method. We get the wind equivalent line map and the speed vector map in different canopieswhich show the change of the wind field inside stadium, raise the wind influence forecast and give an very important accordance for the environment wind analysis in stadium design and the use.

Key words: stadium; canopy model; environment wind filed; sports record

1 前 言

随着社会经济的发展，越来越多的体育场场成为一个地区或一个城市的标志建筑，同时，日趋竞争激烈的国际赛事对于体育场馆的要求越来越高，人们在追求建筑物外形美观的基础上，越来越关注体育场的使用效能，更好的发回体育场的使用效能是一个体育场科技含量的标志。从体育场外形设计上来看，不同的挑棚样式是设计者个性的表现，造就了各种美的建筑视觉效果。但是从流体力学角度看，哪一种挑棚的样式更加适合竞赛的要求，这是值得讨论的问题。

田径规则规定：“如果在跑进（跳跃）方向上测量的顺风平均风速超过2米/秒，所创世界纪录不予认可。”［1］在国际重大赛事中，不乏因为超风速使得超世界记录成绩不认可的事例:如1995年古巴名将伊万-佩德罗索(Ivan Pedroso)索创造了跳远8.96m的好成绩，由于超风速世界记录并未得到认可［2］；2007年6月2日，美国飞人泰森•盖在男子百米比赛中跑出了9.76s的超世界纪录成绩，也因超风速使得成绩与世界纪录无缘［3］。类似例子很多，说明风速对于运动成绩的影响较为深远。风是自然界普遍和长期存在的自然现象，一直以来都因其无法捉摸和其复杂性很难开展研究，但是国际田联对风速的规定使得我们不得不认真对待这一问题。查阅有关文献发现，在体育学领域，对室外体育场的研究体现在体育场的管理、维护、保养以及场地坡度、距离精确度等方面的研究，未见对体育场内场风环境的研究；在建筑学领域，对于风场的关心集中表现于城市高层建筑设计过程中，个别关注体育场建设，但是出发点是从安全角度，关注的是建筑物风荷载及风振动系数的研究。如文献［4-11］都对体育场馆的数值模拟或风洞实验，但都主要关注挑篷的压力荷载，未考虑体育场内场风速，更没有考虑到体育场不同挑棚样式对内场风的影响。

查阅有关建筑规范，对于风环境的表述较为笼统。国行业标准JBJ31-2003《体育建筑设计规范》第3.0.4条第3款提出“满足各运动项目的朝向、光线、风向、安全、防护等要求”。第4.1.7条提出“应结合运动项目的特点解决朝向、光线、风向、风速等对运动员和观众的影响”［12］，要求都较为笼统，因此对于室外体育场风环境缺乏相对细致的规范要求。

综上所述，对体育场挑棚样式进行细致的研究，具有显著的意义。

2 研究方法

数值模拟法。数值模拟实际上应该理解为用计算机来做实验。比如某一特定机翼的绕流，通过计算并将其计算结果在荧光屏上显示，可以看到流场的各种细节：如激波是否存在，它的位置、强度、流动的分离、表面的压力分布、受力大小及其随时间的变化等。通过上述方法，人们可以清楚地看到激波的运动、涡的生成与传播。数值模拟的优点是省时、省力、成本低，可靠性高。通过选择合适的模型对流动过程进行预测，达到快速准确的对工程问题进行分析的目的。

3 研究对象

潍坊市奥体中心体育场。体育场效果图如图1所示。有4.5万座位，建筑面积7万平方米，南北长410米，东西宽360米，框架结构六层，看台最大高度36米，东西看台顶部为管拱钢结构，拱高70米、跨度310米。在使用功能上达到了甲级体育场的要求，研究结果具有典型示范意义。

图1 体育场效果图

4 几何模型及网格策略

4.1 体育场几何建模

利用专业三维建模软件ProENGINEER按照体育场设计图纸原型建立几何模型。根据设计方提供的图纸，体育场周围为绿化地带和停车场，没有高大建筑，不考虑周边环境高大建筑对体育场的气动干扰效应。建模时考虑实际情况，并参考文献［13］对体育场观众席的处理方法，对观众席进行简化，如图2。

图2 观众席的简化方法［13］

4.2 计算区域

随着计算区域的增大，网格数量增加，计算量加大，计算时间增长；然而计算区域过小，则可能导致模拟失真。合理的选择计算区域有助于模拟结果准确性的提高和计算量的减小。在顺风向上采用计算区域与建筑物尺寸之比为5的尺寸对体育场建模，见图3。各工况均将体育场移至计算区域的沿风向前部，以充分利用进口边界设定的大气边界层流速条件，出口边界位于建筑物后远大于建筑物高度的5倍，以保证流动达到充分发展状态。某一工况计算区域如图所示。

图3 体育场模拟计算区域

4.3 网格生成

采用非结构网格对其周围流体进行网格划分。体育场附近区域网格应细化加密，远离体育场的区域网格逐渐变稀疏，流域边界面和体育场表面采用三角形非架构网格单元进行离散，体网格主要采用四面体网格，地面附近采用棱形体边界层网格。网格划分时，网格数量较少会使计算精度得不到保证，但网格数量太多，会极大增加求解时间和收敛性。经过多次尝试，将网格数确定为约40万。

模型建立完成后利用CEM CFD建立网格。采用非结构、四面体网格，在体育场处局部加密。考虑到本文主要关注地面附近的流场，在地面附近生成9层加密的棱柱形网格。网格建立完成后如图4所示。

图4 体育场网格示意图

5 计算策略

5.1 边界条件

计算流域入流处采用速度进口边界条件，对流体v、k和ε自定义。用具有代表性的地面粗超类别对应的大气边界条件为来流条件进行计算，模拟大气边界层风速剖面指数分布。环境风风速取标准高度（10m）处风速为2、4、6、8m/s四个工况进行考虑。z，分别是流域中任意高度和对应的平均风速，z自模型底部（或者计算流域底部）算起；B类地貌，地面粗糙度指数α取值0.16。入流处来流的湍流特性通过直接给出湍流动能k和湍流耗散率值ε值的方式给定，k=1.5(•I）2，ε=0.0934k32/l，式中l是湍流积分尺度。地面粗糙度属于类别Ⅲ，湍流强度的取值如下：

I=0.31z5

0.1(z450)-0.255

采用Fluent的用户自定函数UDF义进口速度v、湍动能k和湍流耗散率ε。

出口采用自由出流边界条件。自由出流边界条件用于出流边界上的压力或速度都未知的情况，适用于出口处流动是完全发展的情况。即：出流面上的流动情况由区域内部外推得到，且对上游流动没有影响。本模拟在建模时出口边界位于建筑物后远大于建筑物高度的5倍，保证了流动达到完全发展。用自由出流边界条件时，所有变量在出口处垂直出口面方向上扩散通量为零，即n=0，在径向则允许物理量梯度存在。

体育场表面和地面是固定不动，采用无滑移的壁面条件，认为壁面处流体速度与壁面该处的速度相同，无滑移壁面自身速度为零，故壁面处流体速度为零。

5.2 求解方法

本模拟的控制方程是基于雷诺平均的粘性不可压缩N-S方程、湍流模型采用应用广泛的标准k-ε模型，模拟大气边界层中建筑物的控制方程组可表示为如下形式：

（1）连续性方程：

ViX=0(5.2)

（2）动量方程：

ρVit+(ρViVj)Xj=-PXi+Xj［μeff(ViXj+VjXi)］+ρβ(T-T∞)gi(5.3)

式中 μeff—湍流有效粘性系数，μeff=μ+μt

（3）湍流动能方程（k方程）：

ρKt+(ρVjK)Xj=Xj［(μ+μtσk)KXj］+μtViXj(ViXj+VjXi)-ρε-βgjμtσTTXj(5.4)

（4）湍流能量耗散率方程（ε方程）：

ρεt+(ρVjε)Xj=Xj［(μ+μtσε)εXj］+c1εKμtViXj(ViXj+VjXi)-c2ρε2K(5.5)

以上控制方程组中的经验常数可按B.E.launsder与D.B.Spalding建议值选取［14-23］，如表1所示：

表1 k-ε模型中的经验常数

cμc1c2σkσεσT

0.09

1.44

1.92

1.31.3

0.9

利用Fluent 6.3.26进行求解。QUICK格式对四面体网格的处理相比二阶迎风差分并无明显改善，对流项差分方法采用二阶迎风差分；压力与速度的耦合求解采用SIMPLE方法。单个工况的计算在一台双核2.0GHz CPU、2G内存的PC机上计算约四小时可收敛。

6 不同挑篷模式对体育场内场风环境影响

6.1 体育场内场区域划分策略

根据田径竞赛规则，体育场风速测量主要关注跳远和三级跳远、100米跑道、100米栏、110米栏和200米跑道区域，为后文表述方便，将体育场区域命名为三个区域，如表2所示。

表2 体育场区域命名

区域命名

比赛项目

对应体育场区域（如图2）

跳远区域

200米区域

100米区域

跳远和三级跳远

200米径赛

100米、100米栏和110米栏

跳远区域

带起跑线的直道和连接弯道

带起跑线的直道

根据规则，风速仪测量高度为1.22米，因此，选取1.22米平面速度等值线图和速度矢量图进行分析

因主要考察环境风对体育场内场风速的影响，边界条件确定的关键为环境风速的确定。本模拟参考潍坊市风玫瑰图（图5），潍坊市累年年平均风速约为4m/s，设定标准高度（10m）处的风速为4m/s。

图5潍坊市市风玫瑰图

6.2 体育场典型挑篷模式与计算简化方法

体育场的挑篷可有多种设计模式，总体都可归结为三种模式：挑篷边沿上翘、挑篷边沿下沉和平挑篷，如图6所示。

(a)平挑篷 (b)上翘挑篷

(c)上翘挑篷 (d)下沉挑篷

图6 不同挑篷模式实景照片［13］

计算过程中，对各挑篷模式简化方法如表3所示，多数文献也采用了此简化方法［13］。

表3 体育场挑篷模式的简化方法［13］

体育场实景图

简化挑篷模型

6.3 各工况介绍

因模拟主要考虑不同挑篷模式对体育场内场风速的影响，可不考虑其他无关因素，如出入通道间歇效应的影响，封闭会导致很强间隙效应的体育场一层通道。模型如表4所示。

表4 不同挑篷模式的计算模型

挑篷模式

模型示意图

平挑篷

上翘挑篷

下沉挑篷

6.4.3 计算结果分析

计算收敛后，将两工况距地面1.22米处（测速仪高度）的速度等值线图利用tecplot软件作出，整理如下图7所示。

(a) 标准高度风速4m/s、上翘顶棚结果

(b) 标准高度风速8m/s、上翘顶棚结果

(c) 标准高度风速4m/s、平顶棚结果

(d) 标准高度风速8m/s、平顶棚结果

(e) 标准高度风速4m/s、下沉顶棚结果

(f) 标准高度风速8m/s、下沉顶棚结果

图7 地面1.22米处速度等值线图

比较三种挑篷模式的模拟结果可以发现:

（1）平挑篷时体育场内部风速普遍较大，体育场内部1.22米高度处大部分区域的风速值都大于2m/s。以减小体育场内部风速的角度考虑，应避免采用平挑篷模式。

（2）比较各工况在1.22米高度处风速值，发现这上翘顶棚和下沉顶棚模式体育场内部1.22米高度处风速值比平顶棚模式此高度风速值小。所以，以减小体育场内部风速的角度考虑，可采用上翘挑篷或下沉挑篷模式。文献［13］提到，采取下层模式的挑篷对最大程度阻止雨水落到观众席。综合考虑，体育场挑篷的设计应采取下沉模式为宜。

7 结 论

文章建立了与体育场原型尺寸相当的模型，根据研究需要改变了流场和模型的参数，模拟了不同挑棚式样下真实的体育场内场风环境，通过数值模拟认为：相同环境条件下采取下沉挑篷和上翘挑篷模式的体育场内场风速度变化较小；在体育场挑棚设计中应尽可能少地采用平定挑棚。

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