摘 要：为研究山地风速地形修正系数η沿各向山坡的详细分布，对两座缩尺比为1∶300的具有不同坡度的余弦型单体山峰模型进行了风洞试验，获得了η沿迎、背、侧风坡面的详细分布.采用CFD软件Fluent建立数值模型，并将其计算结果与风洞试验结果进行对比，验证了数值模型的正确性.对具有不同高度（H=90～500 m），不同坡度（tan α=0.13～0.5）和不同形状（余弦型、高斯型、抛物线型）的山体进行了数值模拟，拟合了山坡任意位置的η值建议计算公式，并与各国规范进行对比.结果表明，相对于现有水平向线性插值模型，根据山脚和山顶的η值，以计算点距山脚点的垂直距离h为自变量的竖向线性插值模型更能安全、合理、简便地估计山坡任意点的η值.侧风坡面的加速效应对于η取值起控制作用；侧风坡脚的η值可相对于迎、背风坡脚分别大61.89%和94.09%，最大可达1.2.
关键词：山地风场；加速效应；地形修正系数；风洞试验；数值模拟
中图分类号：TU973.31 文献标识码：A
文章编号：1674-2974（2016）03-0023-09
山地地形的存在会使原平坦地面的大气边界层风场分布特性受到显著影响.就平均风速而言，上游平坦地面的来流在山地地形的干扰作用下，山地地面以上绝大多数区域的风速会大于平坦地面的风速，即产生加速效应.
山地风加速效应使得山地建筑物和构筑物所受风压明显增加.近年来，国内外学者对山地风场空间分布特性进行了一些研究 [1-14].Miller等[1]对二维双山峰模型进行了风洞试验，探讨了迎、背风坡面山顶和山脚点的加速效应，发现由于上游山体的遮挡，下游山体的加速效应会减小.Ishihara等[2]对三维山峰进行了风洞试验，给出了山顶、山腰和山脚点的风速分布，并对比了Mason等[3]的相关研究，发现迎风坡脚附近的风速会有所减小，但在山顶点、山腰点，风速会有明显增大，山顶点可增速50%～60%.文献[4-6]对不同高度、不同坡度的单体山峰和双山峰模型进行了风洞试验和数值模拟，探讨了山顶、山腰和山脚三点的风速分布，研究了山地风场超高层建筑的风致响应，发现不同形状山体顶点的η值十分相近，山地风场加速效应可致超高层建筑的位移响应增大20%.现有各国规范[15-17]建议，对处于简单山地地形中的建筑物，可参考单体山峰的加速效应考虑η值.
鉴于已有研究都仅探讨了山顶、山腰及山脚三点的加速效应，而实际情况中的建筑物和构筑物是沿山坡随机分布的，合理地估计山地建筑物和构筑物所在位置的风速十分重要，所以η沿整个山坡的详细分布规律有待于被探讨；现有各国规范仅给出了单体山峰迎、背风坡面的山顶、山脚点η建议值，对于坡面任意点的η值垂直风速分布规律，大多规范建议简单地根据山脚和山顶的η值，以计算点距山顶的水平距离为自变量进行线性插值，各国规范的η建议值也有较大差异，且未对η值沿侧风坡面的分布给出建议.
本文针对以上未被探讨的内容，进行了单体山峰风洞试验和不同高度、不同坡度、不同形状山体的数值模拟，详细研究了η值沿迎、背、侧风坡面的详细分布规律，拟合了迎、背、侧风坡面任意点η值的建议计算公式.
2 风洞试验概况
2.1 试验设备及风场模拟
本次风洞试验在西南交通大学风洞试验中心XNJD-1风洞进行（图2）垂直风速分布规律，试验段截面尺寸为3.6 m（宽）×3.0 m（高）×8.0 m（长），风速范围为0.5～22.0 m/s，测试仪器采用眼镜蛇风速仪.采用尖劈和粗糙元模拟中国规范[15]B类粗糙度大气边界层风场（图3），未缩尺风场梯度风高度HG取350 m，10 m高度处基准风速为26.8 m/s （按中国规范[15]所建议的重庆地区50年一遇基本风压换算得到）.缩尺后风场梯度风高度HG为1.167 m，基准风速为6.2 m/s，风速缩尺比约为1∶4.323，模拟边界层风场风剖面指数α=0.145.本次试验采用的模拟边界层风场风剖面及紊流度剖面如图4所示.
6 结 论
本文根据风洞试验和不同坡度、不同高度、不同形状山体的数值结果，及其与各国规范的对比分析，主要探讨了地形修正系数η沿各向山坡的详细分布规律，拟合了山坡任意点η值的建议计算公式.在本文的风洞试验及数值模拟参数范围内，可得到以下结论：
1）相对于现有的水平向线性插值模型，根据山脚和山顶的地形修正系数η，以计算点距山脚的垂直距离h为自变量的竖向线性插值模型不依赖于山体形状，符合风洞试验和数值模拟结果，能更准确地估计山坡任意点的地形修正系数η.
2）迎、背风坡脚的η值均小于1，现有规范及本文建议公式对迎、背风坡脚取η=1是安全的.
3）侧风坡脚的η≥1，且随山体坡度和高度的增加而增大，可相对于迎、背风坡脚分别大61.89%和94.09%，最大可达1.2.
4）整个侧风坡面的加速效应均不可忽略，侧风坡面任意位置的地形修正系数η≥1，并大于迎、背风坡面相应位置处的η值，在η取值中起控制作用；现有各国规范未针对侧风坡面的η值给出建议，而按照迎、背风坡面的η建议值去考虑侧风坡面的加速效应会使风荷载取值明显偏小，使得结构设计偏于不安全.
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