建筑屋面风雨场及突出建筑立面风驱雨的实测研究

文章对某多层建筑屋面区域风驱雨(wind-driven rain,WDR)开展实测,结合3类典型降雨事件的分析,揭示大气湍流特征以及风速、风向对雨滴的影响特性,并针对突出屋面建筑,实测分析立面WDR分布特性,量化国际标准化组织(International Organization for Standardization,ISO)半经验模型对突出屋面建筑WDR预测的偏差。结果表明,在3类降雨事件中,湍流度、阵风因子和湍流积分尺度的实测值与基于地面实测建立的公式理论值之间存在较大差异;实测的雨滴数量与标准M-P谱计算的雨滴数量差值最大为125个。在风速和雨强差异较小时,建筑立面WDR分布受来流与立面夹角的影响显著。由于ISO半经验模型是基于地面实测建立的,其对突出屋面建筑WDR的预测存在偏差,在模型适用的降雨条件下实测值约为ISO预测值的2倍。

夏冬两季风驱雨对墙体内部热湿迁移的影响研究

为探究风驱雨对夏热冬冷地区多层加气混凝土砌块墙体内部热湿迁移的影响,在人工环境舱内分别模拟了夏季和冬季两种气候条件,进行了风驱雨对墙体热湿传递影响的试验研究。结果表明,风驱雨显著促进了墙体的热湿传递;在冬季低温条件下,墙体内部在风驱雨作用下存在结冰、融冰等过程,因此湿度上升较多,其中距离外墙面最近的测点相对湿度上升最高为19.37%;增加降雨时间可以增加风驱雨量,降雨时间为2 h时距离外墙面最近的测点相对湿度上升最高为20.77%。

低矮建筑风驱雨压分布特性及其机理分析

采用欧拉-欧拉多相流模型,在利用实测数据验证数值方法的基础上,对TTU单体低矮建筑进行在风雨共同作用下的风雨场模拟,对比分析9种风驱雨工况下风速和雨强与低矮建筑迎风墙面最大风驱雨压之间的关系;对群体低矮建筑在不同布局、不同间距的工况下进行风驱雨压数值模拟,分析WDR雨压分布特性及气动干扰效应下群体建筑风驱雨压特性存在差异的主要原因。基于风雨流场对风驱雨压特性的机理分析可知,气流在前后排建筑之间形成漩涡,风驱雨压在等高区域较单体有所减小,两侧明显增加;气流在左右列建筑之间进行交汇,气流挤压造成建筑内侧风驱雨压高于建筑外侧。单、群体低矮建筑的最大WDR荷载可分别达到纯风荷载的13.39%、 30.03%。结果表明:风雨场中的雨相附加荷载不容忽视,在结构设计时应考虑建筑顶部的荷载验算,提高设计强度。此外,群体建筑布局应适当增加安全间距,避免气流阻塞效应造成的不利影响。

全要素气候模拟实验舱在风驱雨湿热过程研究中的应用

实验法是研究风驱雨湿热过程的主要方法之一。气候模拟实验舱测量法能够解决现场实测法周期长和风洞试验法传热模型尺寸不足的问题,但目前能够运用这种方法的平台相对较少。为研究风驱雨对建筑围护结构湿热过程的影响,搭建了可模拟太阳辐射、风、雨等自然界综合气候环境条件的全要素气候模拟实验舱,对其进行热湿传递稳态和动态实验模拟测试,并进行实验应用。测试结果表明,该模拟实验舱稳定性好,模拟精度高,可实现对室外气象环境复现。

基于计算流体力学的体育馆风驱雨环境数值模拟分析

实际大气边界层近地面风驱雨效应会影响开敞体育场建筑外立面挡雨设计和观众看台舒适性,在方案设计阶段应用计算流体力学技术可以为该类建筑挡雨设计提供分析支撑。采用欧拉-欧拉多相流计算模型,针对实际开敞大跨悬挑体育场馆建筑开展了风雨环境三维数值模拟分析,重点研究了不同等级风力和主导风向对悬挑屋盖建筑外立面风驱雨强度特征影响,分析了不同粒径雨滴风驱雨作用下观众看台区域的等效覆雨面积指标。研究表明,考虑风驱雨作用后体育场馆看台区域的雨滴捕获率可达到1.2,超过仅考虑垂直降雨的雨滴捕获率;风向和风力等级对体育场馆观众看台的风驱雨强度分布规律影响较大,而降雨强度对观众看台位置的单位降雨量雨滴捕获率影响较小;建议在方案设计阶段通过风驱雨数值分析方法评估主导风向风速下建筑风驱雨强度,同时评估最不利风向的建筑遭受的整体单位时间降水量。研究可为同类型体育场馆建筑抗风雨设计提供相关技术参考。

风驱雨荷载作用下鞍形膜结构动力响应及可靠度研究

通过有限元数值模拟和风洞试验对鞍形膜结构在风驱雨荷载作用下的动力响应及其结构可靠度进行研究。采用Workbench软件中的Mechanical APDL模块与Fluent模块建立鞍形膜结构在风驱雨荷载作用下的模型,将该模型导入ANSYS AUTODYN软件中求解得到动力响应曲线。基于气弹相似理论制作了试验模型,并对试验模型进行风驱雨动力加载试验,从而得到其膜面不同特征点在不同工况下的动力响应数据。通过蒙特卡洛法对数值模拟和试验的动力响应数据进行求解,得到鞍形膜结构的可靠指标。此外,讨论了风雨荷载组合、预张力和矢跨比对鞍形膜结构动力响应与可靠度的影响。将试验与数值模拟进行对比分析,数值模拟结果与试验结果较为吻合。研究发现:风驱雨荷载会使膜结构产生显著的非线性振动,通过增大鞍形膜结构的预张力和矢跨比可有效减小振动响应;在不同参数之间,矢跨比对膜结构可靠度的影响更为显著。论文的研究方法和结果可以为膜结构非线性动力响应研究和基于可靠度理论的膜结构设计提供参考。

基于风驱雨模拟的专业足球场罩棚形态优化设计研究

坐席区的观赛舒适度关乎观众上座率和专业足球场精细化发展,对夏热冬冷地区而言,风驱雨是影响观赛舒适度的核心,专业足球场罩棚形态对观众区风驱雨分布的影响机制亟待揭示。文章基于风驱雨CFD数值模拟,以坐席潮湿比为评价指标,评估了24种典型罩棚形态的专业足球场模型的风驱雨遮蔽性能,进而提出罩棚形态优化设计策略,以期为我国专业足球场的循证设计提供理论依据。

大跨度椭圆形双曲屋盖风驱雨压干扰效应

基于欧拉-欧拉方法,依托数值模拟平台,对大跨度椭圆形双曲屋盖结构进行干扰效应的风驱雨压分布特性研究。在施扰建筑的干扰作用下,通过控制两建筑之间的不同高度差、不同间距、不同风速,研究大跨度椭圆形双曲屋盖表面风驱雨压分布特性规律。随着两建筑之间的高度差增大,屋盖表面压力系数值减小,当高度差为0时,目标建筑的屋盖所受到的压力最大;两建筑之间的间距对屋盖表面风压有一定的影响,迎风前缘的一部分屋盖受吸力作用,其他区域均为压力作用;风速对屋盖两侧的压力影响较大,屋盖两侧所受到的压力随着风速增大而增大,且屋盖纵向两端的压力最大。

风驱雨CFD模拟及平均雨荷载计算方法研究

基于谐波叠加法,用Kaimal谱生成空旷场地的脉动风速时程,将脉动风速时程作为流场CFD模拟的速度入口。采用分离涡模型模拟脉动风场并用离散相模拟雨滴颗粒,通过风雨耦合的CFD模型,获得雨滴落在输电塔各高度处的雨滴速度以及时间,并依据冲量定理和冲量等效原则,提出了任一时距的平均雨荷载计算方法。以176m高的输电塔为例,计算出作用在输电塔上以0.25s为时距的平均雨荷载。研究了水平风速和降雨强度对平均雨荷载的影响,结果显示:水平平均雨荷载随水平风速和降雨强度的增加而增加,但水平平均雨荷载与风荷载的比值沿高度增加而递减;尽管单粒雨滴荷载较大,但作用时间只有大约1×10-5s,依据冲量等效原则计算得出在一定时距内的平均雨荷载较小;对于本文算例,平均雨荷载与平均风荷载的比值不超过2.6%。

建筑立面突出阳台对风驱雨分布影响的数值分析

风驱雨(Wind-Driven Rain,简称WDR)是引起建筑外墙渗水、墙体材料劣化等现象的主要潮湿源之一,其对结构的耐久性和建筑温湿性能产生了重要影响。考虑到建筑立面局部突出对WDR存在影响,结合量大面广的带突出阳台的多层建筑,采用欧拉-欧拉多相流模型对其迎风立面WDR分布特性开展模拟研究。通过模拟不同风速、雨强条件下的WDR场,分析掌握该类建筑立面WDR分布特性及其受风速、雨强影响规律。同时,与无阳台的建筑立面WDR雨强CFD模拟结果、ISO模型预测结果进行比较。分析表明:建筑突出阳台对WDR场存在显著影响,其立面雨强分布与不带阳台建筑存在较大差异,因此无论采用何种预测方法均不能忽略突出阳台的影响。

建筑立面风驱雨气动干扰特性的数值模拟研究

风驱雨(Wind-Driven Rain,简称WDR)是建筑立面最主要的水分来源之一,对结构耐久性和建筑温湿性能存在重要影响。目前,WDR分布特性的研究主要针对单体布局,考虑群体布局条件下建筑立面WDR受气动干扰影响的研究仍比较缺乏,并且基于立面区域性特征的WDR气动干扰研究更为缺少。基于欧拉多相流模型的CFD数值模拟方法,在利用某群布局建筑WDR实测数据验证数值方法的基础上,模拟分析某两串列布局建筑WDR场,通过对气动干扰不同影响因素的定量分析,获取不同影响因素下受扰建筑迎风面中线位置抓取率、测点抓取率比值、局部区域干扰因子的气动干扰变化规律。结果表明:受扰建筑迎风面WDR干扰效应受施扰建筑高度和风速变化影响较大,而受建筑间距和雨强变化影响相对较小。对于建筑WDR干扰研究,局部区域干扰因子能更好地反映气动干扰对立面WDR分布的影响。

方形土楼夯土墙的风驱雨量分布

对方形土楼进行风洞试验和数值模拟,在数值模拟风场和试验风场达到较好一致性时引入降雨过程的计算模型.采用该方法研究方形土楼在不同风速、不同降雨量,以及不同屋檐悬挑长度下迎风墙面风驱雨量的分布特征.研究结果表明:风驱雨侵蚀因子与风速和降雨量有关,并随风速及雨强的增加而增加;悬挑屋盖对屋盖附近区域的墙面形成有效的遮蔽作用.

群体布局下建筑风驱雨量分布的数值分析研究

基于欧拉-欧拉多相流模型,以雨滴谱及雨滴降落末速度确定雨滴体积分数并构成雨相组分边界;采用Realizable k-ε湍流模型封闭求解N-S方程的新型WDR数值方法,模拟研究了单体多层、高层建筑及群体布局建筑的迎风面雨量分布特性。分析结果表明:单体建筑WDR抓取率分布呈由下至上、由中间向两侧增加的规律,整体WDR抓取率随风速和雨强的增大而呈增大趋势;群体布局时,前排建筑迎风面WDR抓取率分布仍类似于单体,随间距减小而减小;后排建筑在迎风面顶端两侧仍出现较大抓取率,其值随前后间距(顺风向)减小而大致减小,随左右间距(横风向)减小而大致增大;后排建筑迎风面与前排建筑等高的两侧区域,WDR抓取率出现突增,其值随前后间距减小而增大,随左右间距减小而先增大后减小;交错布局时,后排建筑迎风面顶端拐角区域的WDR抓取率较单体增加显著。模拟分析获得的建筑迎风面雨量分布规律及布局干扰特性可为相关领域的研究与设计提供指导。

大跨度悬挑屋盖风驱雨压分布特性的数值模拟研究

目前大跨度悬挑屋盖设计通常忽略结构的风驱雨压,而风驱雨压是造成该类结构破坏的重要原因之一,为此研究大跨度悬挑结构表面风驱雨压的分布规律.为克服欧拉-拉格朗日多相流模型只能得到物理层面相对值的缺点,采用欧拉-欧拉多相流模型,研究风速、雨强变化条件下,悬挑屋盖表面风驱雨平均压力分布规律,并与单独风荷载作用时的风压分布进行了对比;计算了风驱雨条件下屋盖上下表面的极限体型系数.总结分析了大跨度悬挑屋盖表面风驱雨压分布特征和规律.研究结果表明:悬挑屋盖的风驱雨压较单独风作用时增幅明显,压力增大1.1-2.18倍;极限暴雨雨强工况下较中度暴雨工况下压力增大1.07-1.24倍.因此建议在进行大跨度悬挑屋盖设计时应考虑风驱雨效应,适当增大安全指数.

风阻效应对建筑立面风驱雨影响特性研究

文章基于欧拉多相流(Eulerian multiphase,EM)模型,采用Fluent软件中的用户自定义函数(user-defined function,UDF)建立风驱雨(wind-driven rain,WDR)控制方程,模拟降雨时不同尺度建筑的稳态WDR场,分析风阻效应对建筑迎风立面WDR分布的影响特性。研究表明:风阻效应对建筑WDR雨强有削减作用;随建筑尺度的增大,风阻效应对建筑WDR雨强的削减影响增强,且降雨强度越大,该影响随建筑尺度的变化趋势越显著。

风驱雨对村镇木结构建筑的影响及减缓措施研究

为了提升村镇低矮木结构建筑围护墙风雨致腐耐久性,对围护墙风驱雨效应进行了数值模拟。考虑风驱雨单向耦合效应,建立欧拉多相流模型,与文献的试验数据和模拟结果进行对比,验证了模型的正确性。分析不同风向角下,双坡屋面、四坡屋面、平面矩形、L形、凹形、凸形和立面L形建筑外墙立面风驱雨抓取率分布规律和累积面积抓取率,评估风驱雨对村镇木结构建筑的影响,给出了减缓风驱雨效应的措施。

气动干扰对建筑立面风驱雨强影响的数值研究

文章基于欧拉多相流模型,对高低层建筑组合布局的风驱雨(wind-driven rain,WDR)场进行模拟,考虑风向、风速及降雨强度的变化,重点分析受扰高层建筑迎风面WDR抓取率分布及变化特点,获取低层建筑对受扰高层建筑迎风面WDR的气动干扰影响规律。结果表明,受扰后的高层建筑迎风面WDR抓取率分布与单体建筑存在显著差异,0°风向下气动干扰影响最大,受扰高层建筑迎风面下部区域及两侧WDR雨强增大较为明显;斜风向下迎风面下部区域远风侧WDR雨强大于近风侧,与单体布局分布趋势相反。所得结论对于WDR理论研究及工程设计具有一定指导意义。

串列布局下风阻效应对上游建筑立面风驱雨的影响研究

文章研究建筑风驱雨(wind-driven rain,WDR)分布受风阻效应的影响,对建筑立面不同部位受风阻效应影响的特性进行定量研究。基于欧拉多相流(Eulerian multiphase,EM)模型建立WDR数值模拟方法,针对前后串列建筑布局,考虑下游建筑高度和降雨强度变化,模拟分析风阻效应下上游建筑立面WDR的分布规律,获取风阻效应影响特性。结果表明,风阻效应对建筑立面WDR抓取率有显著的削减作用,且当下游建筑高度增大时,风阻效应的影响愈加明显。

建筑开洞对风驱雨影响特性的数值研究

文章研究建筑风驱雨(wind-driven rain, WDR)对建筑内部的破坏,基于欧拉-欧拉多相流模型,考虑具有恒定开孔率下的不同形状开口,即正方口、竖直口和水平口,通过模拟不同风速和雨强下的WDR场,分析开洞建筑WDR分布特性及洞口形式对WDR分布的影响规律。结果表明,洞口形式和风速的变化对开洞建筑迎风立面和室内地面抓取率影响显著,只有当雨强增大到一定程度时,开洞建筑迎风立面和室内地面抓取率才有显著变化。

寒旱区路基风驱雨蚀风洞高速摄影试验研究

风驱雨蚀是寒旱区公路上最为普遍、影响最为恶劣的环境气象灾害。以内蒙古那—苏省际大通道锡林郭勒盟桑根达莱风沙土填方路段为例,考虑不设边坡防护的裸边坡为最不利情况,通过风洞高速摄影试验,对风驱雨粒子与路基边坡相互作用进行试验研究,测试并计算风驱雨粒子与路基边坡撞击位置、破坏形式、撞击瞬间的角度和速度,分析风驱雨粒子与路基边坡撞击、回弹与继续前行的运动轨迹,与风速、雨粒子粒径、路基高度和坡率、路基中心线与来风向夹角、路基填料含水状态等之间的关系,为风吹雨蚀的灾害防控与预警提供基础理论与试验依据。