基于试验相似理论的风致雪漂移数值模拟

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由风雪运动所引发的灾害不断发生,给人民的生命财产带来了极大的损失。为了将雪带来的灾害损失降到最低,需要对风雪运动的特质展开诸多方面的研究。对于风致雪漂移运动,风洞试验是目前比较合理的研究手段,而想要通过试验得到可靠的结果,对试验相似准则的研究和选取非常重要。
  本文首先根据风雪运动的机理,介绍了风洞试验的相似准则和试验材料,并总结了近年来各国学者关于相似准则和试验材料的研究成果,提出了现阶段达到共识的需要满足的主要几个相似条件,并初步筛选出了合适的试验材料。在上述工作的基础上,运用有限元软件Fluent建立风洞有限元模型进行数值模拟试验,并通过总结的部分相似准则确定了各模拟参数,初步探讨了选用材料的模拟效果。随后对经典高低屋面的表面风致雪漂移进行数值模拟,提出了一种将颗粒速度云图等效为无量纲堆积曲线的方法,并以学者M.Tsuchiya的试验结果为标准,进行对比分析,探讨了风速、初始铺设厚度、颗粒种类以及相似准则的选取等因素对模拟效果的影响,为今后的风洞试验设计提供参考依据。最后,本文根据上述研究成果对坡屋面的风致雪漂移进行了因素分析,探讨其风致雪漂移的运动规律,总结坡屋面的设计特点,并为坡屋面的抗雪设计提供理论依据。本文的主要研究内容如下:
  1)基于风致雪漂移风洞试验的相似理论,总结近年来各国学者关于相似准则的研究成果,提出现阶段达到共识的需要满足的主要几个相似条件为几何相似、风剖面相似、休止角相似、惯性力与重力比相似、拖拽力与惯性力比相似以及颗粒跃起过程相似。针对试验材料对比分析小、中、大密度三种材料的优缺点,并指出应优先考虑采用大中密度的材料进行试验,并根据本文的情况选用木屑和人造雪为主要模拟材料;选用大密度颗粒食用盐作为次要模拟材料。
  2)采用Fluent软件对风致雪漂移风洞试验进行模拟计算,对降落漂移模拟和堆积漂移模拟两种工况进行计算分析,降落漂移工况下等距模拟确定了木屑、人造雪和真实雪材料的风速配比为10∶7∶5,堆积漂移工况下选择颗粒沉积体积相似准则确定了各材料在堆积漂移工况下的相似运动时间比为t木屑∶t人造雪∶t真实雪=1.5∶1.84∶1,发现人造雪的风致运动规律更接近于真实雪。
  3)基于得出的风速比和时间比,采用Fluent软件对高低屋面建筑的低屋面风致雪漂移进行计算分析,提出了将颗粒的速度云图等效变换为堆积无量纲曲线的方法,对厚度、风速以及材料等因素进行了变量分析,发现真实雪、人造雪和食用盐的模拟效果相似,并对几种材料的相似条件进行了总结,证明了无量纲风速相似和颗粒沉积体积相似两个相似准则在试验模拟中达到的相似效果是较好的,且不受到材料密度的影响,可在试验中采用。
  4)基于得出的有限元建模方法、试验相似理论以及无量纲堆积曲线,对坡屋面的风致雪漂移进行因素变量分析,以建筑高度、屋面坡角、颗粒种类、颗粒铺设厚度、风速和风向为变量参数,发现人造雪及所代表的中密度颗粒模拟效果更好,且当建筑物的高度越小、坡度越大、初始堆积厚度越小、风场风速越小时,雪颗粒的堆积效应越明显,需要重点考虑屋面积雪荷载的影响。
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