风向变化对建筑（群）迎风面风驱雨分布特性影响的数值研究

摘要

近年来极端天气频繁出现,风驱雨对建筑影响不断加剧,极易出现墙体渗水、加速材料水蚀、和对建筑温湿环境的影响等;同时,极端降雨时雨压荷载对建筑影响也不容忽视,因此掌握建筑风驱雨量及雨压荷载分布规律与特性,对于建筑抗风雨设计,有效降低风雨灾害十分必要。
　　本文基于Euler-Euler多相流模型的CFD数值分析方法,建立平均Navier-Stokes方程和标准k-e湍流封闭模型所构成的风驱雨流动基本控制方程,采用UDF自编程序干预建筑壁面雨滴行为,并利用雨滴谱及雨滴降落末速度公式,确定多相流场的雨滴体积分数、速度作为边界条件,在此基础上对建筑(群)迎风面风驱雨场进行模拟求解,获取风向变化对建筑(群)迎风面风驱雨分布特性的影响。
　　首先研究单体建筑在不同风向、不同风速与雨强下的WDR抓取率和WDR雨压分布特性,结果表明随着风速和雨强的增大,WDR抓取率和WDR雨压也不同程度增大,最大值出现在两端靠近屋面拐角区域,风向改变将导致最大值转向近风端拐角位置,而0o风向角为最不利风向工况,此时WDR抓取率和WDR雨压均为最大,当风向转向30o且进一步转向45o时,迎风面的整体抓取率与雨压均减小,但减小幅度较小;风向角从45o增加至60o时,减小幅度增大,可近似认为45o为减小趋势的拐点风向。
　　其次,对前低后高的双栋建筑在不同风向、不同风速与雨强下的风驱雨场进行模拟,结果表明双栋建筑前排迎风面总体WDR抓取率与雨压分布同单体情况类似,后排建筑0o风向角时呈现由中间向四周逐渐增大的趋势,WDR抓取率与雨压最大值依然出现在两端靠近屋面的拐角处,风向角改变时风驱雨效应最大值会向近风点转移，且后排高层建筑在与前排建筑等高位置处出现较大的风驱雨效应。
　　最后,以两列三排的群体建筑为对象,模拟其不同风向下的风驱雨场,获得群体干扰效应下各建筑迎风面风驱雨的分布规律和特征,结果表明前排与单体相似,后排最大WDR抓取率与雨压均大于前排,随着风向角从0o变化到60o,三排建筑迎风面风驱雨的效应最大值均由两侧靠屋顶拐角对称分布转移至近风端拐角,且后排迎风面在远风端近地拐角位置会出现较明显风驱雨效应,45o风向角时近地拐角WDR抓取率占立面最大抓取率的90％,WDR雨压则占立面最大雨压的99%。
　　本文研究所获得的有关规律可以为建筑(群)的抗风雨研究与设计提供理论依据和参考。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 风工程的研究方法与现状

1.3 建筑风驱雨研究现状

1.4 本文研究的工作背景和主要内容

第二章 CFD数值模拟基本理论和方法

2.1 湍流作用下的钝体空气动力学理论

2.2 离散方程的求解

2.3 多相流计算方法

2.4 风相和雨相源参数设定

第三章 单体建筑不同风向角风驱雨数值模拟研究

3.1 引言

3.2 基于欧拉-欧拉方法的WDR参数

3.3 单体建筑不同风向角风驱雨工况设置

3.4 单体建筑不同风向角的风驱雨数值分析

3.5 四种风向角综合对比

3.6 结论

第四章 双栋建筑不同风向角风驱雨数值模拟研究

4.1 双栋建筑不同风向角风驱雨工况设置

4.2 双栋建筑雨迹线轨迹

4.3 双栋建筑不同风向角下WDR抓取率

4.4 双栋建筑不同风向角下WDR雨压

4.5 结论

第五章 群体建筑不同风向角下风驱雨效应研究

5.1 群体建筑不同风向角工况设置

5.2 群体建筑0o风向角风驱雨效应

5.3 群体建筑30o风向角风驱雨效应

5.4 群体建筑45o风向角风驱雨效应

5.5 群体建筑60o风向角风驱雨效应

5.6 群体建筑不同风向角下最大WDR抓取率和WDR雨压

5.7 结论

第六章 本文总结和展望

6.1 本文工作总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文