劉曉述

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)研究生學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110168)

1 概述

本文采用的模型為自定義模型。按最可能產(chǎn)生積雪沉積的造型設(shè)置。

現(xiàn)行的荷載規(guī)范多采用經(jīng)驗(yàn)值或照搬國(guó)外的荷載設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，難以滿足我國(guó)氣象條件下雪荷載的實(shí)際情況和對(duì)建筑屋面的設(shè)計(jì)要求，因此對(duì)大型復(fù)雜屋面風(fēng)致積雪情況的研究就顯得很有必要。

本文作者同樣利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)對(duì)自定義3D屋面結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量數(shù)值模擬，并從中找出最不利風(fēng)向和最不利風(fēng)速，并分析屋面雪荷載的分布規(guī)律。

2 模擬流程及操作方法

2.1 FLUENT軟件平臺(tái)對(duì)于處理氣固兩相流的方法

風(fēng)雪流現(xiàn)象為空氣夾雜著雪顆粒流動(dòng)的氣固兩相流，在FLUENT軟件平臺(tái)對(duì)于處理氣固兩相流問(wèn)題的方法主要有三種:VOF模型、混合物模型和歐拉模型。本文通過(guò)前期對(duì)風(fēng)雪流特性的分析，選用歐拉模型。

壁面上的雪顆粒是否發(fā)生沉積是由近壁面的風(fēng)速?zèng)Q定的。在近壁面風(fēng)速降低到閥值速度以下時(shí)，雪顆粒離開計(jì)算域沉積在壁面。在歐拉模型的計(jì)算中，這種閥值速度的產(chǎn)生主要體現(xiàn)在體積粘度(Bulk Viscosity)和摩擦粘度(Frictional Viscosity)的參數(shù)設(shè)置上。參數(shù)方程查看邊界條件2.2.3。

2.2 計(jì)算模型的建立

2.2.1 計(jì)算域的設(shè)置

計(jì)算域的尺寸是在計(jì)算量和對(duì)計(jì)算結(jié)果合理的影響范圍內(nèi)取到平衡。建筑物模型設(shè)置在距計(jì)算域入流口約1/3處。本次模擬共選取8個(gè)風(fēng)向，21個(gè)風(fēng)速，總共168個(gè)工況進(jìn)行分析。

2.2.2 模型的網(wǎng)格設(shè)置

計(jì)算域內(nèi)均采用平滑的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來(lái)提高網(wǎng)格質(zhì)量，降低數(shù)值的耗散，以保證本模型計(jì)算結(jié)果足夠精確。對(duì)建筑物的表面及周圍分別進(jìn)行線、面的網(wǎng)格控制，并應(yīng)用映射與子映射法進(jìn)行劃分，使網(wǎng)格在建筑物周圍有足夠的密度。以0°風(fēng)向模型為例，節(jié)點(diǎn)數(shù)1 378 823，六面體網(wǎng)格數(shù)1 333 560，殘差的收斂標(biāo)準(zhǔn)為10－5，采用3 ddp求解器進(jìn)行求解。

2.2.3 邊界條件的設(shè)置

兩相流的入口均采用速度進(jìn)口(Velocity inlet)，風(fēng)速與雪顆粒速度參考?xì)庀箫L(fēng)速表進(jìn)行設(shè)置為常數(shù)。k-ε湍流參數(shù)直接給定湍流動(dòng)能和湍流耗散率?？紤]到空氣相對(duì)雪相的影響，雪相相對(duì)空氣的速度查閱相關(guān)資料取常數(shù)0.3 m/s。

作為互相貫穿連續(xù)的多相流動(dòng)的描述組成了相位體積分?jǐn)?shù)的概念，這里表示為αq。體積分?jǐn)?shù)代表了每相所占據(jù)的空間，并且每相獨(dú)自地滿足質(zhì)量和動(dòng)量守恒定律。守恒方程的獲得可以使用全體平均每一相的局部瞬態(tài)平衡或者使用混合理論方法。

q相的體積Vq定義為:

這里:

q相的有效密度為:

這里ρq是q相的物理密度。ρq設(shè)置為227 kg/m3參考2007年遼寧暴雪災(zāi)害氣象記錄。

建筑物表面及地面設(shè)置為wall。本文采用的是B級(jí)地貌來(lái)設(shè)置粗糙高度及粗糙度系數(shù)。

計(jì)算域側(cè)面及頂部采用自由滑移壁面。

計(jì)算域出口采用出流邊界條件。

3 計(jì)算結(jié)果的分析

利用以上兩相流理論和相關(guān)的設(shè)置，應(yīng)用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)8個(gè)風(fēng)向和21個(gè)風(fēng)速，共168個(gè)工況進(jìn)行分析。在后期的分析中，本模型在90°風(fēng)向的影響下屋面積雪雪量較大，積雪分布不均勻程度較高，故本文限于篇幅只對(duì)一種90°風(fēng)向，和最不利風(fēng)向下的兩種風(fēng)速(20 m/s，25 m/s)進(jìn)行比較分析。

3.1 最不利風(fēng)向分析

在90°風(fēng)角時(shí)，積雪面積變大，屋面局部積雪量也明顯增大，當(dāng)氣流越過(guò)迎風(fēng)墻面后，速度大幅度提高，甚至超過(guò)了來(lái)流的初始風(fēng)速，所以屋面最高處的大部分面積都沒(méi)有雪顆粒沉積，積雪主要集中在屋面背風(fēng)處。由于背風(fēng)墻面上方風(fēng)速較大，所以在背風(fēng)墻角處形成渦流，風(fēng)壓減小，雪顆粒體積分?jǐn)?shù)增加，壁面附近風(fēng)速小于雪顆粒的閥值速度，造成雪顆粒堆積。而在背風(fēng)拐角處受湍流耗散影響，風(fēng)速降低十分明顯，雪顆粒堆積情況也很顯著。

3.2 最不利風(fēng)速分析

本文在90°風(fēng)向下給出兩種風(fēng)速并對(duì)雪顆粒體積分布進(jìn)行分析，見圖 1，圖 2。

當(dāng)風(fēng)速很小為5 m/s時(shí)，整個(gè)屋面的雪顆粒分布比較均勻。而在15 m風(fēng)速時(shí)，雖然雪顆粒的分布面積減小了，但局部的雪顆粒大量沉積則變得很明顯。這是因?yàn)轱L(fēng)速較小時(shí)，氣流受流體粘性影響較大，近壁面的風(fēng)速較大，只有在出現(xiàn)渦流和湍流耗散處風(fēng)速大幅度降低時(shí)才會(huì)出現(xiàn)雪顆粒沉積。而當(dāng)風(fēng)速持續(xù)增大20 m/s時(shí)，氣流流動(dòng)受流體慣性影響變得明顯，近壁面風(fēng)速逐漸降低，因此雪顆粒的沉積面積也逐漸變大，同時(shí)由于湍流位置和強(qiáng)度的影響，雪顆粒大量的沉積位置也有少許變化，見圖1。當(dāng)風(fēng)速增加到25 m/s時(shí)，積雪的分布比之前發(fā)生了較大的變化，之前積雪不明顯甚至沒(méi)有積雪的位置，比如迎風(fēng)面的屋頂位置，由于風(fēng)壓減小，同樣也出現(xiàn)了雪顆粒堆積現(xiàn)象，見圖2。

圖1 風(fēng)速20 m/s積雪體積分布等值線

圖2 風(fēng)速25 m/s積雪體積分布等值線

由此可見風(fēng)速大小的變化對(duì)積雪的分布起著決定性的作用。然而在真實(shí)自然條件的情況下，風(fēng)速在降雪的過(guò)程中不可能是固定的，不同風(fēng)速的交替變化就很有可能使單一風(fēng)速所造成的積雪分布特征在屋面上同時(shí)出現(xiàn)，使積雪對(duì)屋面的荷載進(jìn)一步加大，而對(duì)于這種風(fēng)速不斷變化的情況下對(duì)積雪分布的具體影響，就要在今后的研究中繼續(xù)探討了。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用FLUENT軟件平臺(tái)對(duì)風(fēng)致積雪情況進(jìn)行了兩相流模擬分析，得出并分析了在不同風(fēng)向、風(fēng)速組合情況下的屋面積雪分布情況。由于積雪對(duì)屋面破壞性荷載的產(chǎn)生是在持續(xù)降雪的過(guò)程中逐漸發(fā)展并形成的。所以研究不同的風(fēng)向、風(fēng)速組合對(duì)屋面積雪分布的影響就顯得十分重要。本模擬的結(jié)果為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考，也對(duì)荷載規(guī)范的完善提供理論依據(jù)，同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)發(fā)展應(yīng)用氣固兩相流技術(shù)模擬分析屋面雪荷載提供了一定的參考。

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