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风致屋面积雪分布特性风洞实验与数值模拟研究

王卫华  
【摘要】:介绍了风吹雪带来的自然灾害,对国内外相关研究文献进行了分类和回顾,总结并归纳了风吹雪的基本理论,并进行了简要分析。对若干种典型屋面的建筑结构,通过数值模拟和风洞试验两种途径对风致屋面积雪分布进行了研究,主要内容如下:1.基于欧拉两流体混合模型和Wilcox最新改进的κ-ω湍流模型,开发风雪两相流数值模拟分析程序Snow2D。模拟中为考虑积雪对流动的影响,计算区域的积雪边界采用了时变自适应变形技术。为提高计算过程的稳健,程序中还应用了一些较新的数值方法,并对程序进行了验证。2.利用Snow2D对一典型阶梯形屋面及两种斜坡屋面的风致屋面积雪分布进行数值模拟,分析了屋面流动特性,获得了若干状态下屋面的积雪系数以及屋面雪深分布随时间发展历程,分析了不同入流速度比对屋面积雪分布特性的影响。3.基于拉格朗日随机模型和Snow2D单相流模式,开发了风致雪粒迁移运动模拟分析程序,通过PDF随机采样模拟了粒子运动的Monte Carlo过程。采用粒子单元位置的优化搜索方法,提高了程序计算效率。考察了不同粒子大小及不同风速对雪粒运动的影响,然后对典型阶梯形屋面的积雪分布进行模拟,考察了屋面的积雪效率,获得了屋面积雪分布随时间发展历程。4.从几何、运动以及动力学等方面,分析了风吹雪风洞试验模型需要满足的模型相似律,归纳了模型主要相似性参数。5.采用细石英砂作为吹雪模型粒子,对一典型阶梯形屋面及两种斜坡屋面的风致屋面积雪分布进行了风洞试验研究。首先对流场进行了测量,分析了运动粒子对流动的影响,然后对若干种工况下的屋面积雪分布进行风洞模拟试验,测量了不同时间、风速以及风向角下的屋面粒子分布特性,并对屋面粒子质量流率与风速及风向角的关系进行了分析。6.对积雪分布数值模拟结果以及风洞试验结果与文献中的观测结果进行了综合比较,并与国内外建筑结构荷载规范中的相关条文进行了对比和分析。


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