风雨体育场

在设计体育场时，设计人员必须考虑诸多因素。其中两个重要因素是观众舒适度/ 安全性和体育场本身对比赛的影响，每个因素又包含多个方面。任何在雨中观看过比赛的人都能理解潮湿给比赛观赏性造成的不利影响。

在半开放的体育场设计中，两个最大的难题分别是：限制场地上的风力，避免给比赛造成影响；防止观众被风吹来的雨水淋湿。过去，体育场设计人员一般会忽视这些因素，因为在体育场真正建成之前，他们无法判断自己的设计在这方面的表现。但仿真正在改变这一切。

埃因霍温技术大学的一个研究小组使用ANSYS Fluent 计算流体动力学（CFD）软件对体育场设计进行3D研究，以体现设计结构对风向和风夹雨的重要影响。

通过对12 个不同体育场进行仿真，可以准确说明每个体育场设计中哪些区域的看台会受到风夹雨的侵袭以及体育场地内的风速和风向。这些结果可用于改善将来的体育场设计，还可以用来找出和解决现有体. 育场的问题，比如使用特殊油漆保护经常遭受雨淋的座椅，以降低维护成本。

体育场设计和仿真难题

欧洲和其他地方的许多体育场都采用开放式设计，即顶盖只遮住看台。在大多数情况下，顶盖不会超出看台和赛场之间的分界线，所以风夹雨可以侵袭大面积的座椅，给观众造成不适。就作者所知，首个针对体育场风夹雨的仿真结果在2008 年[1] 公布。但这项2D 研究未能把握顶盖和体育场几何构造的重要影响。该仿真对七个普通体育场设计进行研究，预测出可能遭受雨淋的区域。

埃因霍温技术大学开展的新研究更加深入，他们使用3D CFD 捕捉3D 流体形态，更加真实地评估顶盖几何结构对风夹雨进水区域的影响[2]。这项研究面临的最大难题之一是不仅需要建模极其巨大的计算域，还要对特定区域进行高精度建模。另一个难题是需要对多种潜在的雨滴尺寸进行准确建模。

研究12 种设计备选方案

该项研究中的体育场设计以荷兰Alkmaar 的AFAS 体育场为蓝本。该体育场能容纳1.7 万名观众，是AZ Alkmaar足球队的主场。其外部大小为：长176.8米，宽138 米，高22.5 米。它采用向下缓降的顶盖，倾角为13 度。研究小组选择这个体育场的原因是它的顶盖很特别，建筑师觉得可以改善该体育场对风夹雨的遮挡能力。研究小组考查了四种不同的看台安排：（A）只在体育场的长边布置看台；（B）在所有四边布置看台；（C）在所有四边布置看台，每个看台的两边都封闭；（D）全封闭的矩形体育场。研究人员使用三种不同的顶盖设计对每种看台布置方式进行评估，三种顶盖设计包括：（1）向上倾斜；（2）平坦；（3）向下倾斜，这样总共得到12 种设计方案，即A-1、A-2、A-3、B-1 等等。备选方案D-3 与实际的AFAS 体育场相同。

计算域的最大长度为1,100 米，最小长度为0.1 米，这种巨大的差异给计算网格的建立带来了困难。埃因霍温技术大学研究小组首先创建一系列预先进行网格剖分的横截面，然后进行一系列转换和旋转操作，最终生成了主网格。主网格同时包含六面体元和棱柱单元。这种方法能够对网格的质量和精度进行完全控制。研究人员在体育场的天台位置使用高分辨率网格，在体育场外部使用低分辨率网格。他们还进一步增大顶盖附近的网格分辨率，用以更加详细地预测风向。小组从主网格中删除特定的网格体，为12 种不同的体育场设计建立网格。

用三种不同顶盖设计对四种看台布置方式进行评估，共得到12种设计方案。

风向特点

研究人员将雷诺- 平均奈维尔- 斯托克斯方程（RANS）CFD 技术与K-ε 紊流模型相结合，用于计算体育场周围的稳态风向特征。他们之前曾多次利用这种方法对建筑立面以及小山、峡谷等各类小规模地势中的风夹雨情况进行研究和验证[3、4、5]。他们用平顶盖对前文介绍的四种体育场看台布置方式进行研究，确定赛场中距地面一米位置的风向特征，用于判断风力条件对比赛造成的影响。方案A-2 的结果说明在看台之间会出现两个大型逆向涡流。这些涡流是由上游看台角落产生的角落气流剪切层造成的。对B-2 方案进行流体建模得到的结果与方案A-2 相似，区别在于体育场上游角落处的气流速度更快。仿真结果说明，体育场的短边看台对气流的影响较小，因为侧面气流不受这些看台的阻碍，能够直接通过看台和顶盖之间的区域。方案C-2 的看台两边是封闭的，这样可以消除涡流，但来自两个不同角落的气流会合并成两个直接喷向体育场中央的高速气流。方案D-2 有两个涡流，但规模较小，而且速度也比方案A-2 和B-2 低。因此，体育场内的风向特征还要复杂得多。在赛场上方和顶盖下方还存在其他小涡流。

增大顶盖附近的网格分辨率可以更加准确地预测风向。

四种看台布置方式中，离地一米位置的2D风向特点

四种看台布置方式的3D风向

风夹雨特征

研究人员在计算得出的风向运动中插入不同大小的雨点，并求解运动方程，从而得出雨点的轨迹。计算中使用的雨点直径为0.5 毫米、1 毫米、2 毫米和5 毫米。雨点从求解域的顶部插入，以局部风速为横向插入速度，终点速度为垂向插入速度。直径0.5 毫米代表中等雨点直径的细雨（降雨强度为每小时0.1 毫米），1 毫米直径代表降雨强度为1 毫米/ 小时的普通荷兰降雨，2 毫米直径代表降雨强度为10 毫米/ 小时的大雨，5 毫米直径代表最大的暴雨雨滴。根据每种体育场设计方案的雨滴轨迹计算体育场的受雨面积。对方案A 和方案B 来说，上游和下游看台之间的大型涡流会导致部分上游看台遭受雨淋，特别是在雨滴直径较小的情况下更为明显，因为小雨滴对风向特征更加敏感，更容易被吹到顶盖下方。另一方面，方案C 中两处看台的淋雨面积较少，尤其是在使用向下倾斜顶盖的情况下更是如此。将看台两端封闭能够有效屏蔽雨水飞进看台，在采用向上倾斜顶盖和平顶盖的情况下这种作用更加明显。方案D 只能减少看台中靠近赛场位置座位的雨量。

四种体育场看台布置方式中，相同风速条件下1毫米直径雨滴的雨滴轨迹。每列代表不同的雨滴下落位置。

风向和风夹雨会影响观众的舒适度和比赛的公平性，在此之前，体育场设计人员无法根据这些条件判断备选设计方案的性能。本研究说明CFD 能够深入掌握多种体育场设计方案的风向特征和风夹雨分布情况。但是，仍有大量工作有待完成，比如需要通过设计优化确定最理想的顶盖角度，为观众提供最大的舒适度。

在三种不同顶盖条件下，看台布置方式A和方式B的雨淋区域视图

在三种不同顶盖条件下，看台布置方式C和方式D的雨淋区域视图