新型干法水泥生产一般采用预均化库完成预均化过程，双层球面网壳具有自重轻、用钢量省、便于工厂化制作、运输体积小、成本低、现场安装方便、施工进度快等优点，是大跨度预均化库屋盖首选的结构形式。球面网壳结构设计中，一般可参照GB50009—2001《建筑结构荷载规范》［1］关于旋转壳顶的相关规定，根据矢跨比( f /l) 大于或小于l /4 将球面分为a、b 两类，分别确定风荷载体型系数。然而，当水泥工厂预均化库屋盖矢跨比在l /4 左右时，对按a 或b 类球面确定风荷载体型系数难以给出合理的解释，同时，球面网壳下设一定高度的侧墙将造成与球面的体型差异，可能引起风荷载体型系数的变化。因此，有必要通过专门研究，为水泥工厂预均化库屋盖网壳设计确定更准确、可靠的风荷载体型系数。
对于体型特殊的建筑结构，风洞试验是确定结构风荷载体型系数的有效手段，已在工程中得到广泛的应用和认可，但风洞试验亦存在很多困难与不足，比如风洞试验费用高、周期长; 必须采用缩尺模型，很难满足全部相似准则; 准确模拟结构动力特性较困难等。基于计算流体动力学( CFD) 的数值风洞方法是近年来发展起来的结构风荷载体型系数研究的数值方法［2-3］，它不但克服了风洞试验采用缩尺模型的缺点，而且能更全面地考察风荷载作用下结构周围的空气流动特性。数值风洞方法已经被大量风洞试验及现场实测结果所验证，并日益成为结构工程领域风荷载研究的一种方便、实用的工具。
本文以某跨度99. 6 m 的水泥工厂预均化库屋盖为例，分别采用风洞试验和数值风洞分析两种方法确定屋盖风荷载体型系数，为屋盖球面网壳设计提供风荷载计算的理论依据。
1· 风洞试验研究
水泥工厂预均化库屋盖构型及几何尺寸如图1所示，按1∶ 200 比例制作球面屋盖缩尺模型进行风洞试验。风洞试验在北京大学力学系环境流体力学研究室的低速、闭口、回流式大气边界层风洞中进行，试验段长8 m，宽1. 2 m，高1 m。试验时大气湍流边界层以人工方法形成，在风洞的收缩段出口处，沿横向装有三角形尖塔，大小个数可调，从尖塔到接近试验模型的大约5 m 长的风洞底板上布置了高4cm、长6 cm、宽1. 5 cm 的粗糙元，由泡沫塑料制成排列方式可调。沿高度设置10 条分割线，将球面划分为11 个层，按层在试验模型表面设置测压装置，平均压力和脉动压力信号记录同时进行，在测压管中安装阻尼器及压扁钢管，以得到高频的脉动信号。风洞试验装置如图2所示。


风洞试验结果表明: ①最大正压在迎风的最前端位置，最小压力点发生在两侧分离点的位置上; ②整个穹顶的最大平均风压值发生在第1 层的迎风位置上，风压系数Cpmax = 0. 6，从第1层到第10 层，随高度的增高，最大风压系数递减，在第6 层变为零，到第10 层减至约－ 0. 8; ③最小风压系数值发生在第5 层侧风向位置，环向角θ 大约为± 110°，风压系数Cpmin = － 0. 95，从第6 层向上到第10 层，最小压力系数逐渐增大到约－ 0. 9，从第4 层向下到第1层，最小压力系数逐渐增大到－ 0. 75; ④在接近顶部的第10 层平均压力系数沿环向很平坦，约在－ 0. 88到－ 0. 78 之间。风洞试验得到的球面各层风压系数如图3所示。

2· 数值风洞分析方法
数值风洞分析方法以计算流体动力学( CFD) 为理论基础［4］，其基本思想是把原来在时间域及空间域上的连续物理量的场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值，CFD对流动的数值模拟由流动基本方程约束。
流体问题一般属于湍流问题，目前应用最广泛的湍流数值模拟方法是雷诺平均法。该方法通过引入湍流模型，将湍流的脉动值与时均值联系起来，建立并求解时均化的Navier-Stokes 方程，以确定湍流所引起的平均流场的变化。雷诺平均法也常被称作ＲANS 方法。标准k － ε 模型是应用最广、最典型的两方程湍流模型。
一般地，体型系数是用建筑物表面上第i 测点的风压系数与该测点所属面积Ai的乘积取加权平均得到，其值为:

式中，μs为风荷载体型系数; cpi为第i 测点的风压系数，由数值风洞分析或风洞试验确定; Ai为测点所占面积; A 为建筑物表面某区域的总面积; n 为测点数量。
采用计算流体动力学软件FLUENT 进行水泥工程预均化库屋盖数值风洞分析，数值分析中计算参数与风洞试验一致，湍流模型为标准k － ε 模型。数值风洞分析确定的屋盖风压系数( 图3) 与风洞试验结果的比较如图4 所示，可以看出，数值风洞分析的结果与风洞试验结果基本一致，可以满足工程设计的精度要求，验证了数值风洞方法的适用性和可靠性。

根据风洞试验及数值风洞分析确定的屋盖表面风压系数，由式( 1) 计算可得各区域风荷载体型系数，经简化后水泥工厂预均化库屋盖体型系数建议值如图5 所示，图5中侧墙等分为8 份，球面沿风向分为3 个区域，从左至右每个区域的跨度为总跨度的20%、60%、20%。