体育场出入场通道对内场风影响的数值模拟研究 体育场出入场通道对内场风影响的数值模拟研究 于凤全（南通大学体育科学学院，江苏南通226019）Summary：体育场内场风是建设者和体育工作者关注的问题，因为它涉及到运动成绩是否被认可以及建筑物使用效能问题.流体力学理论分析法难以解决这些复杂问题，而实验室研究又存在费时博鱼、费力、成本较高及适用性不强的缺点.本文选取某市奥体中心体育场建筑图建模，采用数值模拟的方法对体育场出入场通道进行了研究，得出了封闭和不封闭出入场通道工况下的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...
体育场出入场通道对内场风影响的数值模拟研究 于凤全（南通大学体育科学学院，江苏南通226019）Summary：体育场内场风是建设者和体育工作者关注的问题，因为它涉及到运动成绩是否被认可以及建筑物使用效能问题.流体力学理论分析法难以解决这些复杂问题，而实验室研究又存在费时、费力、成本较高及适用性不强的缺点.本文选取某市奥体中心体育场建筑图建模，采用数值模拟的方法对体育场出入场通道进行了研究，得出了封闭和不封闭出入场通道工况下的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
及使用过程中引入环境风分析提供了依据.Keys：体育场；出入场通道；数值模拟；环境风场；运动成绩G818.1：A：1673-260X（2011）05-0153-031问题的提出田径规则规定：“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
成绩不认可的事例:如1995年古巴名将伊万-佩德罗索(IvanPedroso)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].这些成为比赛的憾事.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.根据江清源在《高层建筑风环境及其影响评价》分析，不同建筑相互干扰可以形成间隙效应[4]对于田径场而言，出入口通道是形成间隙效应的主要载体，使场内局部形成风道区域，造成风速过快，影响训练和比赛.研究出入场通道对体育场内场风影响的数值模拟具有显著的意义.2研究方法数值模拟法.数值模拟即计算流体力学模拟，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3.1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.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.建模时考虑实际情况，并Reference[5]对体育场观众席的处理方法，对观众席进行简化，如图1.4.2计算区域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2.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.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，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CEMCFD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3所示.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
高度（10m）处风速为4、8m/s两个工况进行考虑.湍流强度的取值如下：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.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：以上控制方程组中的经验常数可按nsder与D.B.Spalding建议值选取，如表1所示：利用Fluent6.3.26进行求解.单个工况的计算在一台双核2.0GHzCPU、2G内存的PC机上计算约四小时可收敛.6出入通道对体育场内场风环境的影响分析6.1计算区域策划据田径竞赛规则，体育场风速测量主要关注跳远和跳远、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.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.本模拟参考潍坊市气象局发布的2003年风玫瑰图，年平均风速约为4m/s，设定标准高度（10m）处的风速为4m/s.选取稍低于全年最高风速的8m/s做对照参考.6.2工况介绍不考虑风向对体育场内场风的影响，在此取来流风向为0°时的情况进行模拟，对比考虑出入通道与不考虑出入通道两个工况.不考虑出入通道时的处理方式即在几何建模时将出入通道封闭.6.3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，整理如图4所示.比较两工况模拟结果，发现考虑进场通道时进场通道附近风速值较大，间歇效应非常明显，封闭进场通道时体育场内场风速值明显降低.对比各工况的结果，可为体育场
设计提供参考：欲限制体育场内场风速，出入通道是要考虑的主要方面.可采取种植树木等其他方式减小环境风的间歇效应.7结论研究体育场出入通道对体育场内场风环境的影响表明，体育场出入通道对内场风环境有较大影响，应采取措施减小出入通道产生的间隙效应.Reference：〔1〕田径竞赛规则.2006.〔2〕搜狐体育.古巴跳远奥运冠军退役超风速世界纪录仍[EB/OL].[2007-09-27]〔3〕厉振羽.纽约田径精英赛落幕,男子百米超风速无缘新[EB/OL].[2007-06-04].〔4〕江清源.高层建筑风环境及其影响研究[J].厦门科技,2007（5）:48-52.〔5〕刘继康.国家奥林匹克田径场罩棚设计[j].建筑结构学报，1999（12）. -全文完-
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