建筑立面开洞对风驱雨影响特性的研究

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风驱雨(Wind-Driven Rain,简称WDR)是雨滴在竖直下落的过程中受到水平风的拖拽作用而获得水平速度,再加上自身重力作用而斜向飘落的自然现象,它是建筑立面最主要的水分来源之一,直接影响建筑的耐久性,如雨滴撞击建筑立面后附着累积并向内部渗透,极易造成墙体冻融破坏、渗水侵蚀、风化褪色甚至开裂等,墙体水分也构成影响建筑热湿性能的重要边界。目前,国内外已有WDR研究主要针对于封闭建筑,对存在较大洞口的开洞建筑WDR研究较少。当建筑具有较大洞口时,其与封闭建筑的风场流动存在显著差异,必然影响建筑立面的WDR抓取率及其分布特性,特别是开洞建筑的洞口形式和开洞率发生改变时,其对风场也将产生不同程度的影响,导致雨滴运动轨迹发生改变。此外,存在洞口时,雨水也极易在风的驱动下由洞口进入建筑内部,对建筑内部产生影响甚至引起损坏。本文通过Fluent UDF编程实现基于欧拉多相流(EM)模型对WDR的模拟,并根据Kubilay等在2014年获得的建筑WDR实测数据对该方法进行验证,在表明方法有效的基础上,针对典型的单体开洞建筑和串列布局建筑,开展WDR模拟工作:(1)对于孤立的对穿开洞单体建筑,研究洞口形式、开洞率、风速及雨强的变化对开洞建筑WDR分布特性的影响,并与封闭建筑进行对比分析。(2)在串列布局下,设置前排建筑有无开洞两种情况,改变建筑间距、风速、雨强及前排建筑洞口的大小时,分析后排建筑迎风立面WDR分布特性。分析结果表明:(1)洞口的存在对开洞建筑迎风立面抓取率有增长作用,特别是处于洞口边缘区域,且增幅程度与洞口的形状有关;随洞口大小和风速的增大,开洞建筑迎风立面和室内地面抓取率有较明显增大;当雨强在小雨强附近变化时,开洞建筑迎风立面和室内地面抓取率无较明显变化,当雨强增大到20 mm/h时,开洞建筑迎风立面和室内地面抓取率会显著减小。(2)在串列布局下,随着建筑间距的增大,前排建筑开洞时后排建筑迎风立面抓取率最大值呈逐渐增大的趋势,而前排建筑未开洞时后排建筑迎风立面抓取率最大值呈逐渐减小的趋势;随着前排建筑开洞率的增大,后排建筑迎风立面最大抓取率差异较小,且都小于前排建筑未开洞率时,相差约为0.5。随着风速的增加,前排建筑无论是否设置开洞,后排建筑迎风立面抓取率最大值均增加。前排建筑无论是否设置开洞,当风速处于U10=5 m/s、雨强在5 mm/h-10 mm/h范围变化时,后排建筑迎风立面取率变化幅度较小,当雨强增大至20 mm/h时,后排建筑迎风立面最大抓取率有较明显减小。
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