风致屋面积雪分布风洞试验研究

为了预测屋面积雪分布,对一典型阶梯形屋面和两种双坡屋面进行了积雪分布风洞试验研究。首先对流场进行了测量,然后进行屋面积雪分布试验,测量了不同时间内屋面雪深分布,考察了风速、风向对屋面积雪分布的影响,并对屋面上粒子质量流率进行了分析。结果表明,运动粒子使表面附近的流场湍流度降低,流场有效气动粗糙长度与摩擦速度平方成正比;阶梯形屋面在风向角为0°时,雪深分布与观测结果基本一致,斜向风时,雪深分布严重不均匀,特别在风向角135°时,最小雪深系数为0,最大雪深系数达1.7;双坡屋面在风向角0°时背风屋面局部产生较多沉积,坡度10°的双坡屋面最大雪深系数达1.6,坡度20°的双坡屋面最大雪深系数为1.2;屋面上平均质量流率与风速呈线性关系,表明屋面上粒子质量输运率按摩擦速度三次方增加。     

平面腹部凸出双坡房屋屋面风致雪漂移研究

为研究对风雪荷载敏感的平面腹部凸出双坡轻型房屋屋面的风致雪漂移规律,基于计算流体动力学原理和两相流理论,运用CFD软件进行数值建模,对立方体及高低屋面风致雪漂移分布进行数值模拟,并与实测数据进行对比,分析与探讨参数选取及边界条件设置.在此基础上,以风向角(0°,45°,90°,1350,180°)、风速(5,7.5,10,12.5,15m/s)、屋面坡角(20°,31°,40°)为分析参数,分别对不含凸出部分的双坡房屋、凸出部分长短边对应占主体长短边尺寸的1/2及1/4的2种平面腹部凸出双坡房屋,共计3种房屋屋面进行前期工况试算.在此基础上,综合雪漂移分布规律,为反映屋面各部分积雪分布特性进一步对房屋屋面进行细致分区,共模拟195种工况的风致雪漂移运动,得到各工况下房屋屋面风致雪漂移分布规律及可供抗雪设计的各分区积雪分布系数.研究表明:对房屋屋面进行分区,能更好地反映积雪沿屋脊长度方向的分布特性,分区后屋面中部的积雪分布系数值超过不分区约9％;腹部凸出区域对主体结构影响明显,若仅参考单跨双坡屋面积雪系数进行设计,存在安全隐患,设计中应予以注意.     

拱形屋面风致积雪分析

为掌握拱形屋面积雪分布情况，降低其风雪灾害，通过对积雪现场进行调查，根据积雪实际分布与灾害情况，利用Fluent软件，建立拱形屋面的风致积雪分析模型，考虑空气相相对速度、空气相速度、空气相相对角速度、雪密度等影响因素，模拟拱形屋面风致积雪分布。通过分析，找出影响屋面积雪沉积的主要因素，建立风雪效用湍流模型，进而对拱形屋面积雪产生的压强统计数据开展详细分析，提出拱形屋面积雪不均匀分布系数取值的建议，以弥补我国现行规范对积雪均匀分布系数取值考虑较充分，对不均匀分布系数取值考虑不足的情况。     

平面腹部凸出双坡房屋表面风致雪漂移研究

为研究平面腹部凸出双坡房屋表面风致雪漂效应,基于计算流体动力学原理和两相流理论,运用ICEM CFD软件进行数值建模.采用FLUENT软件中的Mixture多相流模型对立方体及高低屋面风致雪漂情况进行数值模拟,与实测数据进行对比分析,建立数值风洞的参数设置及边界条件.在此基础上,以风速为5m/s、7.5m/s、10m/s、12.5m/s、15m/s,风向角为0°、45°、90°、135°、180°,以及平面腹部凸出的5种相对尺寸为分析参数,对125种工况进行数值风洞计算,得到房屋表面风致雪漂分布规律,计及其分布规律的不均匀性,对其表面进行分区,得到可供抗雪设计的各分区积雪分布系数.研究表明:腹部凸出区域对主体结构影响明显,若仅参考单跨双坡屋面积雪系数进行设计,存在安全隐患,设计人员应予以注意;风致雪漂在房屋表面明显分布不均,因此对风雪敏感结构,应对其表面进行分区,以揭示其不利积雪分布情况.     

高跨为双坡屋面的高低屋面低跨平屋面积雪分布研究

高低屋面对雪荷载较为敏感，通过模型试验对高跨为双坡屋面形式的高低屋面低跨平屋面积雪分布形式进行研究。模型试验在哈尔滨工业大学自主研发的户外风雪联合系统中进行，该设备可在试验段内模拟自然降雪过程。根据高跨坡屋面坡度不同共设置4个模型，并针对每个模型进行了不同风速、不同风向下的试验研究。通过高跨为平屋面形式的高低屋面积雪分布的实测与试验结果的对比，验证了试验结果的可靠性。结果表明：风速越大，积雪分布不均匀现象愈加显著，但屋面积雪分布系数并未随风速增加而增大；高跨双坡屋面坡度对变跨处积雪分布影响显著，高跨为60°双坡屋面，迎风向3m/s风速时变跨处积雪分布系数最大值达到7.9，超出欧洲EU规范取值。     

低层四坡屋面房屋风荷载的风洞试验与数值模拟

对低层四坡屋面房屋模型进行了风洞试验,给出了屋面平均和脉动风压系数等值线和各面体型系数的变化规律。采用计算流体力学软件FLUENT,对大气边界层中的试验模型进行了三维定常风场的数值模拟,并将数值模拟结果与试验结果进行了比较分析,变化规律吻合较好。在此基础上,深入研究了不同风向角下房屋屋面坡度、挑檐长度、檐口高度和长宽比对低层四坡屋面平均风压系数及各面体型系数的影响,并提出了各面体型系数的建议取值。研究结果表明:数值风洞能够较好地反映低层四坡屋面房屋的风荷载特性;各参数对屋面风压系数的影响程度各异,与风向角密切相关;屋面坡度对屋面风压分布和大小有明显的影响;四坡屋面屋脊背后容易形成较高的局部负压区域;当屋面坡度小于35°时,四坡屋面房屋迎风屋面的体型系数绝对值大于相应双坡屋面房屋。该结论和提出的体型系数建议取值为低层四坡屋面房屋的工程抗风设计提供了可靠依据。     

考虑流固耦合效应的风荷载数值仿真计算

使用ANSYS软件,通过改变影响结构流固耦合效应的风速和风向角等主要外界因素,对风荷载下的低层建筑结构进行不同湍流模型的数值模拟,输出计算结果,并与实测数据进行比较,得到风速和风向角对其结构的风致振动特性和流固耦合效应的具体影响规律。     

低层四坡屋面风荷载数值模拟

结合低层建筑风荷载特性研究现状,采用流体力学软件Fluent14.5,对几何尺寸为24 m×16 m×4 m的低层四坡屋面房屋模型的风压分布规律进行数值模拟研究,最终选取变化规律与东京工艺大学风洞试验结果较吻合的重整化群k-e湍流模型进行后续研究。在此基础上,深入研究了不同风向角下低层四坡屋面坡角、风向角以及相邻房屋风致干扰对风压分布规律的影响,根据各工况下风压系数的变化,总结各因素影响规律得出:(1)较高的负平均风压系数总是出现在迎风方向的气流分离面附近,在斜风向角下,屋面屋脊局部最大风压达到极值;(2)相邻建筑干扰产生的遮挡效应和狭缝效应会使屋面风压产生复杂变化,设计时应考虑这种影响。     

低层坡屋面房屋风荷载特性风洞试验研究

对低层双坡屋面和四坡屋面建筑进行了风洞试验研究,考虑了屋面形式、屋面坡度、来流方向和挑檐长度等不同因素对屋面风压分布的影响,分析了屋面平均和脉动风压系数的分布特性。结果表明,0°风向角（来流垂直吹向屋脊）、屋面坡度为30°时,迎风屋面屋檐及屋脊附近形成较高负压,迎风屋面风压系数呈环状分布;屋面坡度为15°时,迎风屋面风压系数呈阶梯状分布。屋面体型系数受风向角、屋面坡度和屋面形式的影响较大：0°风向角、双坡屋面模型中,15°屋面坡度迎风屋面体型系数为30°屋面坡度的2.76倍;四坡屋面模型中,15°屋面坡度迎风屋面体型系数为30°屋面坡度的228倍;背风屋面体型系数受屋面坡度的影响较小;0°和45°风向角下,对于15°和30°屋面坡度,当屋面坡度相同,屋面形式由双坡改为四坡时,迎风屋面的体型系数绝对值有所增大,屋面更容易受力破坏,但对背风屋面的影响较小。     

椭球形屋面风荷载分布规律数值模拟研究

应用SST k-ω湍流模型对椭球形屋面风荷载分布规律进行了数值模拟,通过改变风向角与屋面形状相关的模型尺度、长跨比、矢跨比,研究上述参数的变化对屋面体型系数的影响。研究结果表明:模型尺度对体形系数影响不大;矢跨比和长跨比对屋面体型系数取值影响较显著,屋面体型系数等值线梯度随长跨比增加而变大,矢跨比越大,风荷载对屋面的作用越大;风向角对屋面风荷载分布影响明显,随着风向角从0°～90°变化,风荷载体型系数变化梯度不断减小。将数值模拟结果与类似的风洞试验结果进行对比,验证了数值模拟结果的可靠性,提出了椭球形屋面风荷载体型系数取值建议供工程设计人员参考。     

屋面积雪分布的最不利影响模拟分析

应用计算流体动力学软件平台FLUENT,采用气固两相流理论,对自定义屋面在不同风向、风速作用下,模拟其对屋面在持续性降雪过程中积雪的不均匀分布情况的影响,通过对积雪分布情况的分析,找出风致积雪过程中风向、风速对其的最不利影响,为结构静力设计和雪荷载规范的完善提供理论依据。     

低层双坡房屋屋面平均风压影响因素的数值模拟研究

采用Fluent6.0软件平台和雷诺应力模型(RSM),对我国沿海地区常见的一类带挑檐的低层双坡房屋屋面风压进行了数值模拟,研究了各影响因素对屋面平均风压的影响。首先,将数值模拟结果和模型风洞试验结果进行对比,以说明文中采用的湍流模型和计算参数的适用性。然后,采用数值模拟方法,研究带挑檐的低层双坡房屋屋顶具有不同外形参数(坡角、挑檐长度、檐口高度)时,屋面的局部平均风压分布特性和变化规律。结果表明,各参数对屋面风压的影响程度不一,且与风向角的影响有关。坡角对屋面风压分布的影响是整体性的,挑檐长度则只有局部性的影响,而檐口高度对整体屋面风压的影响较小。研究结果可供我国沿海地区低层房屋抗风设计参考。     

考虑风速风向联合分布的双坡屋面风致疲劳研究

为研究风荷载作用下大跨度低矮建筑金属屋面板的疲劳损伤分布规律,以坡度为1/60的双坡屋面建筑为研究对象,基于1975～2019年间的风速风向数据,研究了双坡屋面板50年重现期的疲劳损伤累积值。采用Gumbel分布描述日极值风速分布,混合Von Mises分布描述风向分布,并用单参数Archimedean Copula函数描述二者的相关性,得到了风速风向的联合分布; 基于双坡屋面的测压风洞试验结果,考虑连续变化风速和离散风向角对疲劳寿命的影响,研究了金属屋面板的疲劳损伤累积值。结果表明:双坡屋面板疲劳损伤与主导风向、屋面位置等因素密切相关,位于主导风向处的迎风屋檐、边角等气流分离位置的疲劳损伤累积值远大于其他区域; 良态风环境下,该双坡屋面金属屋面板50年风致疲劳损伤累积值最大可达0.746,风荷载可引起迎风屋檐、边角位置金属屋面板的疲劳破坏; 对于金属屋面板而言,风致疲劳破坏是引发风揭事故的巨大隐患,应高度重视。     

风致不均匀积雪的大跨网架结构工作状态分析

为了保证结构服役安全,有必要对不均匀积雪荷载作用下网架结构工作状态进行分析。采用CFD数值模拟技术,基于准动态网格划分方法,以一正放四角锥网架结构为研究背景,分析了网架结构在持续降雪24 h中的屋面不均匀积雪分布变化情况,并详细探讨了不同风向角和不同风速对网架屋面积雪分布变化情况的影响; 最后建立了该网架结构的有限元模型,分析了不同雪荷载工况的结构工作状态。结果表明:与其他有风条件下的工况相比,风速为12 m?s^-1、风向角为90°时的结构屋面平均雪压和积雪沉积区域占比最大,因此它是结构的最不利工况,该工况的平均雪压是无风条件下均布积雪平均雪压的88.9%,但结构杆件的最大应力值及挠度值却较均布积雪作用时有所增加,而且部分杆件从受拉杆变为受压杆; 风致不均匀积雪是网架结构在服役期间的安全隐患,应在工程设计中予以重视。     

近地台风风场特性及低矮房屋风荷载现场实测研究

通过研制的可移动平坡屋面实验房风压及台风风场现场实测系统,研究近地台风风场特性和低矮房屋表面风荷载分布规律。基于实验房获取到的10余次近地台风风速和风压实测数据,对近地台风风场湍流特征参数如湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度及脉动风速功率谱等,按来流不同方位地貌状况进行分类研究;同时分析了斜向强风最不利工况下,屋面角部区域风压分布特征。分析结果表明: A、B、C类地貌条件下,台风顺风向湍流强度均值分别为0.13, 0.21, 0.32;阵风因子同湍流强度正相关,湍流积分尺度随湍流强度增加而减少;与季风相比,台风眼壁区域的顺风向脉动风速功率谱密度值略大于季风的实测值,而横风向脉动风速功率谱密度值显著大于季风的实测值;在低频和惯性子区范围,台风眼壁区域的顺风向脉动风速von Karman和Harris谱拟合值与实测值吻合较好;在斜向风作用下迎风屋檐角部边缘测点区域具有较高峰值负压和脉动风压,峰值负压系数达-13.5。     

低矮建筑风致局部瞬毁诱发次生灾害机理研究

基于缩尺比为1∶40低矮建筑在不同地貌条件下的风洞试验,研究因易损区局部风致破坏进而诱发低矮建筑屋面整体风毁的风载特性,分析屋面瞬间开孔所致瞬态峰值内压过冲效应,研究稳态阶段的内压分布特征及净风压极值分布规律。结果表明：建筑上游风场湍流度越大,屋面局部瞬间破坏所致过冲效应越明显;地貌对屋面迎风角部瞬间破坏所致过冲较分布区域的影响显著;屋面不同的区域开孔所致内压分布均匀,但内压值随风场湍流度增大呈增大趋势。风致建筑破坏所致内压系数试验值比我国现行荷载规范中建议取值大;屋面局部瞬毁进而诱发再次破坏主要分布在已损孔洞边缘及山墙部分。     

大跨度屋盖表面风致雪压分布规律研究

采用了两相流理论模拟风荷载雪漂作用,认为空气相和雪相的关系为单向耦合,雪在风(空气相)的作用下发生漂移,基于此对通用流体软件FLUENT进行了二次开发。以一实际大跨屋盖结构--北京首都机场3号航站楼T3A为研究对象,首先将风洞试验测得的屋盖表面风压分布数据与计算流体动力学(computational fluid dynamics)计算结果进行了对比,两者的一致性一定程度上证实了风致雪漂计算方法的准确性。接着细致分析了几个主要参数(湍流模型的类型、阀值摩擦速度及来流风速、风向等)对屋盖表面雪压变化的影响。结果表明,相对标准k-ε模型而言,可实现k-ε模型得到的结果有更多的沉积区域;随着阀值摩擦速度的提高或来流风速的降低,沉积率相应增大。     

新型抗风耗能装置在低矮房屋中布置方式的风洞试验研究

针对低矮房屋受台风作用极易损坏的问题,提出一种在低矮房屋上安装新型抗风耗能装置的防护方法。为寻求新型耗能装置的最优布置方式,使耗能装置效用最大化,针对将装置安装在双坡屋盖边缘、屋脊以及联合导流板工作等6种安装工况,通过风洞试验,研究抗风装置系统对屋面峰值风压和平均风压的影响,并对6种工况进行数值模拟分析,数值模拟结果与风洞试验一致。进行了耗能装置几何参数的优化研究,探讨了叶尖速比、叶轮根部安装角和叶根对叶尖扭角对耗能系数的影响。研究表明:安装耗能装置能有效预防屋面受风损坏;在迎风侧屋檐上部,结合导流板与抗风装置联合工作的方式能显著降低负风压对屋面结构的不利影响,这种安装方式在任一风向角下都显著降低了屋面平均风压系数极值(包括迎、背风面),降低幅度可达40%。