基于CFD方法的建筑风驱雨量及雨压荷载的研究

摘要

我国是世界上登陆热带气旋最多的国家之一,每次台风登陆后都会造成大量的房屋建筑损毁和人员伤亡,给国民经济带来巨大损失。台风登陆时总是携带暴雨同时袭击建筑表面,大量雨滴以较大的速度冲击建筑壁面,将加剧建筑的破坏。因此,如何较全面掌握多层建筑以及对风敏感的高层建筑在风驱雨(Wind-DrivenRain,简称WDR)环境下的风驱雨量及其荷载的分布特性,以便采取有效抗风雨措施降低灾害十分必要。
　　本文采用CFD数值分析方法,对多高层建筑(群)以及不同布局下的群体建筑迎风面WDR雨量及雨压荷载分布特性进行了研究。CFD方法是基于平均Navier-Stokes方程和Realizablek-e湍流封闭模型,引入Euler-Euler多相流模型并运用UDF自编程序对建筑壁面条件进行干预,结合雨滴谱和雨滴降落末速度经验公式,求解多相流场的雨滴体积分数、速度作为边界信息,在此基础上模拟求解建筑WDR场。
　　首先,模拟求解多、高层单体建筑WDR场,获取不同风速和雨强条件下的雨滴运动轨迹,以及建筑迎风面WDR雨量及雨压荷载分布。分析结果表明,随着风速和雨强增大,WDR抓取率和WDR荷载都有不同程度的增加,多、高层单体建筑的最大WDR荷载可分别达到最大纯风荷载的6.86％,7.10%。其次,研究不同布局下高低层群体建筑WDR运动及分布特性。与单体相比,群体建筑中前排建筑WDR抓取率及WDR荷载分布规律基本不变,后排建筑则变化较大。通过分析比较不同布局的群体建筑在相互气动干扰影响下迎风面的WDR分布,获得间距与排列变化对WDR抓取率及其荷载分布影响的规律。结果表明,建筑间距越近,相互之间干扰就越明显,特别是多层建筑的WDR荷载会降低得越多;迎风面最大WDR荷载与纯风荷载比值prain/pwind随着建筑间距的减小而减小。当结构错开排列时WDR分布影响最大,导致后排多层建筑迎风面抓取率和雨压荷载增加十分明显。
　　本文的研究成果可为进一步研究超高层和复杂群体建筑的WDR分布及其作用效应,以及实际工程的抗风雨设计提供参考和指导。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2结构风工程研究现状

1.3建筑风驱雨研究现状

1.4本文课题来源及主要研究内容

第二章 CFD数值模拟理论与方法

2.1 湍流作用下的钝体空气动力学理论

2.2风雨多相流理论计算方法

2.3建筑风驱雨分析方法

第三章 多层建筑风驱雨分布特性及风雨组合作用数值分析

3.1 基于欧拉多相流的风驱雨数值分析方法介绍

3.2 多高层单体建筑风驱雨的数值分析

第四章 高层建筑WDR分布特性及风雨组合作用数值分析

4.1 高层建筑 WDR的数值分析

4.2 高层建筑流场中雨滴的运动轨迹

4.3高层建筑在不同雨强时的 WDR分布

4.4 高层建筑在不同雨强时迎风面的 WDR荷载分布

4.5 多层建筑迎风面的 WDR荷载与纯风荷载的比较

第五章 多高层群体建筑WDR分布特性及风雨组合作用数值分析

5.1 高层建筑 WDR数值分析

5.2 高层建筑流场中雨滴的运动轨迹

5.3群体建筑在不同雨强时的 WDR分布

5.4 群体建筑在不同雨强下的迎风面 WDR荷载分布

5.5 群体建筑迎风面的 WDR荷载与纯风荷载的比较

第六章 群体建筑布局变化对WDR分布特性及风雨组合作用的影响

6.1 不同布局群体建筑介绍

6.2 不同建筑群布局下的 WDR分布

6.3 不同建筑群布局下的 WDR荷载分析

6.3 WDR荷载与纯风荷载的比较

第七章 本文总结与展望

7.1 本文工作总结

7.2 本文的展望与不足

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

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