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。     

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。     

典型单跨低坡度双坡屋面的风致雪堆试验研究

为研究低坡度双坡屋面的风致积雪分布特性及雪荷载分布模式,设计研发了一套风吹雪联合试验装置,以高密度的石英砂颗粒模拟雪粒子,分别开展有无降雪条件下6种来流风速(有降雪1.5～2.5 m/s,无降雪4.6～6.1 m/s)、4种屋面坡度(5°、10°、15°、20°)的风吹雪风洞试验,共计24个试验工况,并就屋面中剖面积雪深度系数、积雪深度系数最大值及所在位置、雪荷载不均系数和雪颗粒净捕获系数等展开分析。结果表明：在多数工况下,低坡度双坡屋面积雪分布仍然呈明显的非均匀性,且降雪会显著影响积雪形态。对于迎风屋面,有无降雪条件下积雪深度系数均随来流风速的增大而减小,随坡度的增大而增大;积雪深度系数最大值点位置随风速增大逐渐远离屋檐,随屋面坡度的增大则呈近似线性移近屋檐。对于背风屋面,屋脊遮蔽效应容易导致积雪堆积,且积雪深度系数随风速增大而增大。随着坡度增大,背风屋面的雪颗粒净捕获系数增大,表明迎风屋面被输运的雪颗粒更容易在背风面沉积,从而加重屋面积雪分布的不均匀性。基于分析结果,归纳有无降雪影响下屋面雪荷载的典型不均匀分布模式,可为类似屋盖的抗雪设计提供参考。     

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。     

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.     

低层双齿大棚屋面风致积雪分布研究

为研究低层双齿大棚屋面的风致积雪分布规律,基于FLUENT软件中的Mixture多相流模型,建立了风雪两相流场模型。为验证风雪两相流场的准确性并选择合适的湍流模型,采用k-w,SST k-w和k-kl-w湍流模型分别对立方体周围积雪分布进行数值分析,并将数值分析结果与试验结果进行对比以验证数值方法的正确性,进而详细研究了风速、风向角、屋面坡度比和结构双齿长宽比对低层双齿大棚屋面风致积雪分布的影响。结果表明:风雪两相流模型和k-kl-w湍流模型建立的风雪两相流流场可以较好地反映低层双齿大棚屋面的积雪分布情况; 大棚屋面积雪厚度随着风速和屋面坡度比增大而减小,且屋面坡度比的影响程度较风速与风向角的影响小; 大棚屋面积雪受侵蚀和堆积区域位置随风向角变化而变化; 大棚结构长宽比对屋面积雪分布的影响较小; 低层三齿大棚屋面和低层四齿大棚屋面的屋面积雪分布系数可参考低层双齿大棚屋面; 提出的低层双齿大棚屋面积雪不均匀分布系数可为低层双齿大棚屋面的冬季防雪灾设计提供参考。     

龙卷风作用下两类屋面风荷载特性对比研究

为研究龙卷风风场中央的两类屋面低矮建筑风荷载特性,文中以计算流体动力学手段建立Ward型龙卷风发生装置,采用Realizable k-ε湍流模型实现对两类屋面模型的数值模拟研究。对比分析3种典型屋面坡角（15°、30°和45°）下两类屋面低矮建筑物风荷载特性。研究结果表明,建筑物位于龙卷风中心时,龙卷风作用下两类屋面均受负压,且风压呈中心对称分布;随着屋面坡角的增加,双坡屋面建筑物所受最大负风压系数由-0.49增大至-1.04,四坡屋面风压随坡角增加而增大现象不明显,最大负风压系数稳定在约-0.49;同时两类屋面建筑物顶部中央的漩涡分离,转移至两侧屋檐处,屋面的漩涡数量减少。龙卷风作用下两种屋盖对比研究中得出结论,相较双坡屋面四坡屋面在3种坡度下均可有效减低风荷载。     

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。     

带檐口曲面双坡屋面风压数值模拟

基于Fluent软件平台,选用基于Reynolds平均法的RNGk-ε湍流模型,对低矮带檐口的曲面双坡屋面房屋周围风场和表面风压开展数值模拟,研究了屋面坡度、房屋高度、跨度、长度和房屋檐口类型等各种参数对曲面双坡屋面风压系数的影响.研究表明,曲面双坡屋面风压受房屋几何尺寸影响不明显,而受屋面坡度、房屋檐口类型影响明显,且与来风风向角密切相关.屋面风压随房屋高跨比的增大而增大;随屋面坡度增大,迎风面风压绝对值减小,而背风面则增大.竖向和水平檐口显著影响曲坡屋面的风压大小和分布.     

龙卷风作用下双坡屋面风压分布试验研究

为研究龙卷风作用下双坡屋面的风压分布,根据龙卷风的风场特点,设计了用于建筑风工程的多变量可调节龙卷风塔,并进行双坡屋面刚性模型的风塔测压试验。龙卷风塔可调节塔体高度、导流板的方向角、导流板的高度,可以模拟类似龙卷风的涡旋风场。对龙卷风塔的气动测试表明：风场的风速分布、风压分布及总气压降和兰金涡流模型理论结果吻合良好,龙卷风塔的设计是可行的,可用于龙卷风荷载的相关研究。采用刚性模型的风塔测压试验,研究双坡屋面的风压分布,为了使研究成果具有代表性,针对3种典型的屋面坡角（15°,30°和60°）制作刚性屋面模型。试验结果表明：建筑物位于龙卷风中心（r=0.0R_m,r为建筑物距风场中心距离,R_m为最大旋转风速半径）时,屋面风荷载为吸力,且呈中心对称分布;建筑物位于r=1.0R_m时,屋面的吸力更大,且迎风面和背风面呈现出明显的区别;建筑物位于r=3.0R_m时,屋面的吸力均远小于前两种工况。     

基于规范对比的女儿墙屋面雪荷载实测分析

在女儿墙屋面雪荷载计算时，日本、美国及欧洲规范中充分考虑了风场对完全暴露屋面雪荷载的侵蚀作用、风力对积雪的搬运作用、上游积雪宽度对下游阻碍物处堆雪量的补充作用和降雪量对堆雪的补充作用。除此之外，也引入了室内采暖、雨雪联合等因素来更真实地实现对屋面雪荷载的估算。相较之下，我国规范仅考虑女儿墙高度的影响。故基于对带女儿墙屋面积雪分布的多年实测结果，参考国外规范中的影响因素，对哈尔滨地区女儿墙屋面积雪分布特征进行了分析。结果显示：风场作用下，积雪会更多地堆积于迎风向女儿墙处；随着上游屋面宽度增加，下游迎风向女儿墙处漂移积雪的峰值深度存在递增趋势，且随着风速增加，搬移堆积作用会增强；上游屋面宽度和地面降雪量对女儿墙处峰值雪深有较大影响，风速对于峰值雪深的影响依赖于地面降雪量，降雪越大，风速的影响越大，反之减小；女儿墙处堆雪长度与女儿墙高度比值多维持在3.75左右，建议我国规范中堆雪长度与女儿墙高度比值取4.0。     

基于风雪联合试验系统的风致雪漂移试验相似准则研究

风致雪漂移现象导致了建筑屋面积雪的不均匀分布，给建筑结构带来了巨大的安全隐患。风洞试验是研究风致雪漂移的主要方法之一，而相似准则是进行风洞试验的基础，文中对Kind、Iversen和Tabler提出的相似理论进行了介绍，并归类整理了目前国内外学者主要采用的相似参数，包括弗劳德数、雷诺数、时间相似参数、速度相似参数等。应用哈尔滨工业大学自主研发的风雪联合试验系统，以日本学者Oikawa完成的户外实测作为参照原型，以边长0.5m立方体为试验模型，人造雪作为模拟颗粒，并在充分考虑不同相似参数的特点基础上，基于优选的相似参数进行了缩尺试验。根据实测结果与缩尺试验结果对比与分析发现，应用基于跃移层质量传输率相似的相似准则所得试验结果的侵蚀区和堆积区与实测结果吻合较好，精确地还原了实测结果的积雪分布形状，且以实测原型的平均风速为标准得出的试验结果优于以实测原型的最大风速为标准的试验结果。     

女儿墙对平屋面低矮建筑风荷载特性的影响

对平屋面低矮建筑进行1∶25缩尺刚性模型测压风洞试验,研究了无女儿墙工况和4种不同高度女儿墙的平屋面低矮建筑的风荷载分布规律。无女儿墙的平屋面主要承受风吸力作用,斜风向锥形涡诱导的最不利吸力区域为屋面迎风边缘角部区域,为全风向下最不利区域。女儿墙的存在可明显减小屋面的平均风吸力和极值风吸力,平均风吸力减小幅度可达150%,同时最不利平均风压系数和极小值风压系数的出现位置逐渐远离了屋面角部区域;随着女儿墙高度的增加,极值风吸力进一步减小,极值风压力增大,最大的极大值风压系数出现在尾流区;采取分区的方式给出了不同女儿墙高度的屋面体型系数建议取值。     

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。     

Effects of wind exposure on roof snow loads

This paper presents results from an investigation of the suitability of the exposure coefficient as defined in ISO 4355 “Bases for design of structures—Determination of snow loads on roofs”, based on thorough analyses of weather data from 389 weather stations in Norway for the reference 30-year period 1961–1990. First, the background of the exposure coefficient is examined. Historical field investigations of snow loads on roofs are also evaluated. Next, values for the exposure coefficients in Norway are calculated according to ISO 4355. Finally, possible approaches aiming at improving calculations of wind exposure on roof snow loads are suggested. It is shown that the exposure coefficient as defined in ISO 4355 does not reflect the actual effects of wind exposure on roof snow loads in Norway, the main reasons being oversimplifications in the definition of the coefficient and the extreme variations of the climate in Norway. The definition is based on coarse simplifications of snow transport theories, and must be revised and improved to serve as an applicable tool for calculations of design snow loads on roofs in Norway.     

贵阳奥体中心主体育场罩篷风洞试验及风荷载体型系数研究

贵阳奥体中心主体育场由东、西两个呈牛角造型的罩篷构成,采用了预应力平面桁架斜交网格结构体系,最大悬挑49m。对其刚性模型进行了风洞试验,给出了平均风压系数、平均风荷载体型系数及风压分布规律并与规范计算值进行了比较,详细讨论了风向角对风压系数和体型系数的影响。结果表明:在大多数风向角下,西罩篷的风荷载要比东罩篷的大,罩篷立面迎风面都是正压,在所有风向角下罩篷上、下表面基本都是负压,负压分布的局部最大值通常出现的迎风罩篷上表面的前缘和下风向罩篷上表面的后缘部分。建议对于有上、下表面围护结构的建筑应分别按内、外风荷载体型系数设计。     

北京南站屋面雪荷载分布研究

基于空气相和雪相的关系为单向耦合的假设,采用了两相流理论模拟了风作用下雪的漂移过程。对通用流体软件FLUENT进行了二次开发,计算了在风作用下积雪发生迁移后屋盖表面的雪压分布,并对雪荷载改变量以及雪压分布的规律进行了分析,为结构设计提供了依据。     

Impact of wedge-shaped roofs on airflow and pollutant dispersion inside urban street canyons

The objective of this study is to investigate numerically the effect of wedge-shaped roofs on wind flow and pollutant dispersion in a street canyon within an urban environment. A two-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model for evaluating airflow and pollutant dispersion within an urban street canyon is firstly developed using the FLUENT code, and then validated against the wind tunnel experiment. It was found that the model performance is satisfactory. Having established this, the wind flow and pollutant dispersion in urban street canyons of sixteen different wedge-shaped roof combinations are simulated. The computed velocity fields and concentration contours indicate that the in-canyon vortex dynamics and pollutant distriburtion are strongly dependent on the wedge-shaped roof configurations: (1) the height of a wedge-shaped roof peak is a crucial parameter determining the in-canyon vortex structure when an upward wedge-shaped roof is placed on the upwind building of a canyon; (2) both the heights of upstream and downstream corners of the upwind building have a significant impact on the in-canyon vortical flow when a downward wedge-shaped roof is placed on the upwind building of a canyon, due to flow separation as wind passes through the roof peak; (3) the height of upstream corner of the downwind building is an important factor deciding the in-canyon flow pattern when a wedge-shaped roof is placed on the downwind building of a canyon; (4) the characteristics of pollutant dispersion vary for different wedge-shaped roof configurations, and pollution levels are much higher in the “step-down” canyons relative to the “even” and “step-up” ones.