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基于内场风环境CFD模拟的专业足球场优化设计研究.rar

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    基于 内场 环境 CFD 模拟 专业 足球场 优化 设计 研究
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    基于内场风环境 CFD 模拟的专业足球场优化设计研究安融融,史立刚,曹岳超哈尔滨工业大学建筑学院,哈尔滨工业大学建筑学院,哈尔滨工业大学建筑学院 http://jzxy.hit.edu.cn/news/Show.asp?id=4060anrong669@sina.com,slg0312@163.com,352099806@qq.com摘要:2015 年《中国足球改革总体方案》要求把兴建足球场纳入城镇化和新农村建设总体规划,专业足球场的建设将迎来建设热潮。在足球比赛中受到大风影响而中断比赛或影响比赛结果的情况时有发生,逆风条件或风速过大会对足球运动轨迹和速度造成重大影响,妨碍运动员的判断及加速体力消耗。本文以北京地区的气候条件为典型边界条件,基于数值模拟探讨不同罩棚组合形式对足球场内场风环境的影响,通过系统分析建构出专业足球场响应风环境的优化设计策略。本研究成果将拓展深化专业足球场设计理论,并对日后球场建设及防风改造实践具有深远的现实指导意义。关键词:专业足球场;挑棚形式;环境风场;数值模拟THE RESEARCH ON WIND CONTROL DESIGN OF PROFESSIONAL FOOTBALL STADIUM FIELD BASED ON CFD SIMULATION Rongrong An,Ligang Shi,YuechaoCao.Harbin institute of technology,China,Harbin institute of technology,China,Harbin institute of technology,China.Abstract. The construction of professional football stadium will boom. But the football matches are often affected by strong wind. When against the wind or speed is too fast, the trajectory and speed of football will be affected while the judgment and physical of athletes will decline. This article selects climatic conditions in Beijing as a typical boundary conditions. Using simulation methods to explore the effects that different canopies on environment wind field. Through systematic analysis, we can get the wind environmental optimization of professional football stadium. Eventually, It will expand and deepen the design theory of professional football stadium .This paper will have far-reaching practical significance in the construction of professional football stadium in the gale area and the windbreak transformation of stadium .Keywords. professional football stadium;canopy model;environment wind field; digital simulation 1.引言2015 年 2 月 27 日,习近平主持召开中央全面深化改革领导小组第十次会议,会议审议通过了《中国足球改革总体方案》 ([1]),计划加大专业足球场馆、业余足球场馆和和校园足球场馆的建设力度,中国将以推进足球改革与发展作为突破口,力争将体育大国建设成为体育强国。我国目前只有五座专业足球场(冯淑芳, 张楠 . 2009),分别是上海虹口足球场,天津泰达足球场,四川龙泉足球场,天津团泊足球场,上海金山足球场,发展潜力巨大,具有深入研究的价值。对于足球这样的室外运动来说 ,不可避免地受到天气的影响。由于阻力和质量的关系,风对球速及球行走轨迹的影响远大于对球员的影响,风的大小往往会决定球员技术的发挥和比赛的精彩程度。通过表 1 可知 ([2]-[6]),近些年足球比赛受大风天气影响颇多,本案研究具有实际意义。时 间 与 地 点 比 赛 双 方 风 速 情 况 后 果2006-03-13意大利卡利亚里佛罗伦萨 VS 卡利亚里 10 级 球员受伤,中断比赛2012-1-22荷兰阿尔克马尔阿尔克马尔 VS 阿贾克斯 6 级 阿尔克马尔被逼平,让出荷甲榜首位置2012-03-01以色列海法海法马卡比 VS 基辅迪纳摩 7 级左右 造成乌龙球2012-10-28法国马赛马赛 VS 里昂 10 级左右 比赛推迟2013-11-3英国斯托克斯托克城 VS 南安普敦 6 级 诞生英超史上最远距离进球2014-12-10瑞士巴塞尔巴塞尔 VS 利物浦 6 级 利物浦发挥失常,欧冠淘汰2.专业足球场设计特点2.1 专业足球场与综合体育场的区别专业足球场有其特殊性,与综合体育场并不相同(李晓欣, 2007)。主要体现在以下几点:(1)场地专业足球场采用长方形场地,长 100-110m,宽 64-75m,国际上正式比赛的场地为 105m×68m,需铺草坪,无田径跑道。而综合体育场的标准内场大小为 155m×75m,需围绕宽度为 10.2m 的 8 跑道,其面积至少达到176.2m×100m。相比综合体育场,在相同观众容量的条件下,专业足球场占地面积小,用地节约。(2)平面造型图 1 专业足球场平面尺寸 图 2 综合体育场平面尺寸表 1 近几年大风影响足球比赛的一些著名事件足球场场地形状多为长方形,建筑整体形象与之相近,新建的专业足球多呈现出长方形或长方形倒角设计。而综合体育场由于田径跑道的限制,椭圆形成为最常见平面形态。(3)看台及视距无跑道遮挡,专业足球场的第一排观众席可近距离接触球场和球员,观看比赛时的气氛紧张、热烈。足球最大比赛水平视距为 150m,最大视距约190m,这就使得南北看台即使与东西看台排数相同,视觉质量依然在可接受范围内,进而足球场四面看台可以完整连通。足球场视点一般选择在角球点或球门处±0 处,保证全场无视觉死角。综合体育场长轴 176m,最大水平视距150m,南北看台观众席排数较少,观众视觉质量往往欠佳。(4)业态转换专业足球场功能简单,布局紧凑,将其置换成演唱会功能时,可有效减小观众与舞台之间距离,很大程度上提升了声音质量和演唱会氛围。比起综合体育场,专业足球场具有更好的赛后运营潜质,为实现场馆自给自足找到切实可行之路。2.2 专业足球场罩棚设计专业足球场面积较小,东西南北四面看台可相互贯通,为罩棚的四周连续提供可行性。在大量案例研究后,本文将罩棚形式分为三种:四面贯通式、四面独立式和双面布置式。类 型四面贯通式 四面独立式 双面布置式实例上海虹口足球场 法兰克福森林球场(35000 座) (43000 座) 都柏林 aviva 球场 伦敦酋长球场(51700 座) (60300 座) 天津泰达足球场 韩国全州足球场(37000 座) (43000 座)科隆联合电力球场 巴西潘塔纳尔球场(46200 座) (42500 座)四川龙泉足球场 葡萄牙布拉加球场(30000 座) (30200 座) 韩国大邱世界杯球场 日本丰田城球场(65700 座) (43000 座) 特点造型完整统一,室内外分割明确,容易形成热烈气氛造型方正、明确,专业足球场特点突出适用于小型球场,结构简单,造价低廉3.研究模型的建立3.1 建立 Rhinoceros 模型通过以上对专业足球场的研究分析,抽象出 3 种不同形式罩棚模型,利用Rhinoceros 软件进行参数化建模,将其设定相同边界条件,在 Fluent 平台下进行风环境模拟研究。图名 模型 A四面贯通式罩棚形式模型 B四面独立式罩棚形式模型 C双面布置式罩棚形式剖面图表 2 专业足球场常用三种罩棚形式平面图透视图模型长 220m,宽 182m,高 28m,为中型规模足球场抽象基本形态,四周导半径为 35m 圆角。内场设置 105m×68m 国际赛事标准足球场。由文献‘On the impact of roof geometry on rain shelter in football stadia’的研究成果可知下倾罩棚可以获得较好的内场风环境,故选取向下倾斜 10°、外挑 35m 的罩棚形态。其中模型 A 罩棚四面贯通;模型 B 的罩棚在模型 A 基础上进行切割,相邻两侧罩棚之间分离(内圈相距 23m,外圈相距 35m),四面罩棚相互独立;模型 C 去掉南北方向罩棚,仅留有东西两侧。3.2 计算区域及网格划分本文参考文献中各计算域的经验取值范围,结合本案仅研究内场风环境质量,不涉及外部环境的实际情况,经过笔者反复的模拟研究,最终确定计算域范围:600m×600m×120m,流域设置满足阻塞率小于 3%的要求。模型建立完成后,利用 ICEM 进行网格划分,计算流域采用非结构网格进行划分,生成四面体单元 386 万个。靠近足球场区域网格细化加密,最终模型及网格图如图 3所示。4.计算策略4.1 计算模型的选取 本案属后台阶绕流模型,采用标准 k-ω 湍流模型和非平衡的壁面函数进行稳态计算。4.2 边界条件本文以北京为例进行研究,北京地区自 1985 年至 2014 年,年平均风速为2.3m/s,其测量高度以 10m 为标准 ([7])。本文不考虑风向影响,取足球场长轴沿南北向布置,风由西侧垂直于长轴进入。表 3 3 种抽象形态模型图 3 网格划分示意图年份 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999平均风速(m/s)2.2 2.3 2.4 2.3 1.9 1.8 2.0 2.1 2.5 2.4 2.5 2.6 2.4 2.3 2.4年份 2000002001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014平均风速(m/s)2.5 2.3 2.3 2.5 2.4 2.4 2.2 2.2 2.2 2.2 2.3 2.1 2.3 2.1 2.3入口边界采用速度边界,大气边界层的速度剖面采用指数率公式。计算域进风口入口边界条件 velocity-inlet 选用北京城市梯度风参数。梯度风具体表达式为 ,其中:z1、u1 分别为参考高度和参考高度处风速,取 10mnzu1和 2.3m/s 为参考值;z、u 分别为流域中某高度及该高度所对应的平均风速;n代表地面粗糙度。根据我国《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001 )中对地面粗糙度类别的相关规定,本实验地面粗糙类别设为 B 类,数值取 0.16。同时,将顶面和侧面均设为出口边界,边界条件选择压力出口,环境相对压力为0Pa。 5.结果分析5.1 水平截面实验结果5.1.1 水平截面的选取本文关注内场风环境对运动员和足球的影响,选取三个典型高度截面:距地面 0.1m 处,1.5m 处以及 5m 处。这三个高度分别对足球短传运动轨迹、球员体能消耗速度以及足球长传运动轨迹产生最大影响。5.1.2 水平截面实验结果及分析 图名 模型 A 模型 B 模型 C0.1m高度处风速等值线图表 4 北京近 30 年年平均风速0.1m高度处风速矢量图由表 5 可以看出,三个模型在年平均风速 2.3m/s 的边界条件下,因近地面草坪摩擦的影响,风速都处于很低的状态,最大仅为 0.12m/s。模型 A 风场分布均匀,球场主要区域风速在 0.09m/s 到 0.12m/s 之间,东西两侧以及中线偏北局部地区风速有所下降,保持在 0.06m/s 之内,适合球员进行短传,尤其在球门区域,风速差值低于 0.03m/s,对于守门员扑救以及进攻队员射门提供有利条件。模型 B 和 C 风速分布都呈现出西低东高的趋势,在中线附近出现风速激增的现象,其中模型 B 自西向东风速过渡相对均匀,全场保持在 0.09m/s 之下,西北和西南端部出现小范围涡旋;模型 C 的风场在经过东西罩棚两次反弹过后,在西南和西北局部地区湍动强烈,出现大的涡旋,涡旋中心形成静压区,同时球场东部风速迅速提升达到 0.09m/s,尽管模型 C 整体表现出较低的风速,但复杂的风场变化会对比赛中的中短传造成影响。图名 模型 A 模型 B 模型 C1.5m高度处风速等值线图1.5m高度处风速矢量图由表 6 可以看出,该水平面风场分布情况与 0.1m 水平面相近,但速度明显偏高,最高风速达到 1.35m/s。模型 A 球场区域大范围处于 0.81m/s 到 1.35m/s之间,在靠近中线的东部区域和西侧边界区域风速下降到 0.54m/s 以下,风场简单,有利于球员发挥出最佳水平。模型 B 自西向东风速阶梯式上升,中线附表 5 0.1m 高度处水平截面模拟结果表 6 1.5m 高度处水平截面模拟结果近达到最高值,球门区风速分布不均,处于 0 到 0.81m/s 带状式变化中。模型C 球场西部出现大面积涡旋,风场变化剧烈。图名 模型 A 模型 B 模型 C5m高度处风速等值线图5m高度处风速矢量图由表 7 可以看出,该高度风速峰值为 1.26m/s。模型 A 依然表现出最为均匀的风场分布,风速在 0.21m/s 到 0.84m/s 之间变化,场心偏高,在 0.63m/s 以上,南北两侧及中线附近东部地区下降到 0.42m/s 之下。模型 B 尽管西南、西北区域风速偏低,但东部和中部无过渡径直提升至 0.70m/s 和 1.26m/s,造成不利的风环境。模型 C 西部两端小范围出现涡旋,全场风速处于 1.26m/s 之下,过渡均匀,风场表现首次优于模型 B。5.2 竖直截面实验结果5.2.1 竖直截面的选取本文研究中选取三个竖直截面,分别是距离中线 34m,17m 以及 0m 位置,将它们依次命名为截面 a,b,c 。由于本文设定条件为风垂直于球场长边自西侧进入场地,球场两侧风环境基本一致,故只研究半场。表 7 5m 高度处水平截面模拟结果5.2.2 竖直截面实验结果及分析 图名 模型 A 模型 B 模型 C截面 a 风速等值线图截面 a 风速矢量图由表 8 可以看出,在该竖直面上,模型 A 的风流动顺畅,风在东罩棚的遮挡下分为上下两股,其中向下一股自然地从西罩棚与坐席之间空隙流出,未对球场内造成过大影响,场内风速分布在 0.20m/s 到 2.20m/s 之间。在模型 B 中的风自东罩棚折回向下流动时,由于下倾角度较大,在场心附近经地面反弹改变流向后再次在西罩棚处发生反弹,之后由西罩棚和看台之间空隙流出,场内风速在 0 到 2.42m/s 之间变化,最大值出现在西罩棚下和东看台中部。模型 C 在场地西部出现主要涡旋,又在主涡驱动下,于西看台出现二级涡旋,风场复杂,表现不佳。图名 模型 A 模型 B 模型 C截面 b 风速等值线图截面 b 风速矢量图由表 9 可以看出,在该竖直面上,风场分布与截面 a 相近,区别在于模型B 中风流动较为顺畅,并未出现多次反弹的现象。图名 模型 A 模型 B 模型 C表 8 垂直截面 a 处模拟结果图 4 球场内竖直截面位置及测试点分布图表 9 垂直截面 b 处模拟结果截面 c 风速等值线图截面 c 风速矢量图由表 10 可以看出,该截面为球场中心线截面,三个模型都呈现出比较稳定的分布状态,但风速明显偏高,内场主要区域的风速在 0.88m/s 到 1.32m/s 之间,只有靠近看台局部地区处于 0.66m/s 之下。5.3 测试点实验结果5.3.1 测试点的选取为进一步精确研究成果,在球场中心点、角球区、守门员位点和罚球点分别设置测试点,在罚球区增设 2 点,共计 7 个测试点。测试点取距地面 1.5m 高进行模拟实验。分布图见图 4。5.3.2 测试点实验结果及分析(1)总体来看,模型 A 各测点风速最为均衡,风速分布在 0.67m/s 到1.02m/s 之间;模型 B 和模型 C 各测点风速值波动较大,模型 B 的测点 1 到测点 6 风速值分布在 0.21m/s 到 0.50m/s 之间,测点 7 达到峰值 1.07m/s;模型 C的测点 1 到测点 6 风速值分布在 0.17m/s 到 0.61m/s 之间,测点 7 激增至1.20m/s。(2)三个模型在角球区的测试点都呈现出测点 1 风速值大于测点 3 的趋势。模型 A 和 B 在两点差值较小,分别为 0.09m/s 和 0.08m/s,两侧角球点风环境相近有利于主罚角球的运动员发挥出最佳水平。(3)罚球区内测点 4,5,6,三个模型都表现出稳定性,变化不大,其中模型 A 以平均风速 0.89m/s 略高于其余两个模型,但仍然属于风速很低的数值,对守门员扑救不会造成影响。(4)场心部位测点 7,三个模型的风速都在各自范围内达到最大值,依次为 1.02m/s,1.08m/s ,0.80m/s,颇为相近。6.结论及设计策略建议(1)CFD 数值模拟可以比较全面地获得足球场内场各层高度、各个区域图 5 模型 A、模型 B、模型 C 各测点风速图表 10 垂直截面 b 处模拟结果的风速和流动情况,为风环境的评估提供了依据,是一种切实可行的、有效的办法。(2)经研究发现,当风由足球场西侧吹入,在东侧罩棚阻挡下折回,模型B 和模型 C 都会在在南北两侧各形成一个较大的漩涡,经背风漩涡的促进作用,风速会呈现出东高西低的趋势,而模型 A 的内场风环境在四面贯通罩棚的作用下,形成了稳定的风环境,为比赛的顺利进行提供了基本保障。(3)本文选择的初始风速是北京地区年平均风速,即 10m 处 2.3m/s,较小的初始风速使得测量得到的各截面及测点风速值都在 3.4m/s 以下,即我们通常所说的 3 级风以下,这对足球比赛影响很小,故我们重点探讨三种罩棚形式形成的风环境稳定性。模型 B 和 C 风场湍流剧烈,流动情况复杂,各区域不均衡的风场会造成空中飞行的足球偏离正确轨道,影响球员判断。(4)综合来讲,当设计条件符合本案设定时,30000 座以上的大中型专业足球场推荐使用四面贯通式罩棚形式,该罩棚形式不仅结构安全性更优、造型变化丰富,且利于创造均匀的满场风环境,在重点区域亦表现出良好的稳定性。(5)当设计 30000 到 40000 座的中型专业足球场且因其他原因不适于使用四面贯通式罩棚形式时,推荐使用四面独立式罩棚。相比较双面布置式,四面独立式罩棚形成的风环境更加稳定,全场风速阶梯式变化,过渡缓和,且涡旋面积较小,分布在边角位置,对比赛影响相对较弱。(6)足球场屋盖形式的确定受到环境肌理、结构选型、形态创意、座席容量、投资规模、技术节能等维度的左右,而随着国际上对于足球场比赛环境质量水涨船高的内在需求和日新月异的技术手段供给之间的矛盾运动,场内风环境质量与屋顶形式的互动影响愈加重要,本研究旨在探索屋顶组合形式与内场风环境的关系,鉴于篇幅有限,作为系列研究之一,本文只对特定边界条件下特定球场屋盖组合进行研究,期望本研究的策略建议为今后的足球场屋盖设计提供借鉴和指导。参考文献参考专著Geraint John, Rod Sheard, Ben Vickery. 2013,STADIA: A Design and Development Guide, Elsevier Limited,Oxford, UK.陈飞.2009, 建筑风环境, 中国建筑工业出版社,北京.刘峰.2001,当代建筑:世界杯体育场 ,江西科学技术出版社,江西梅季魁.2002,现代体育馆建筑设计,黑龙江科学技术出版社,黑龙江王福军.2004,计算流体动力学分析——CFD 软件原理与应用,清华大学出版社,北京参考期刊论文Person, J. and T. van Hooff. 2008,‘On the impact of roof geometry on rain shelter in football stadia’, Journal Of Wind Engineering And Industrial Aerodynamics,96,pp.1274-1293.T.van Hooff, B.Blocken.2011, ‘M.van Harten. 3D CFD simulations of wind flow and wind-driven rain shelter in sports stadia: Influence of stadium geometry’, Building and Environment, 46,pp.23-37. 朱海, 彭兴黔, 吴立.2009,‘闽南某体育场内风环境的数值模拟’, 福建建筑, 11,pp.1-2.李晋. 2013,‘体育馆形态非对称性对运动场地自然通风及热舒适性的影响’, 华南理工大学学报 ,3,pp.83-85.
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