影响建筑屋面积雪荷载变化因素模拟

刘晓述

摘要：本文应用计算流体动力学软件平台FLUENT，采用凝固融化模型，对自定义二维屋体在受室内供暖作用下，模拟其对屋面积雪底部融化结冰过程情况的影响。通过融化速度和冰层厚度的分析，以确定此种现象的的存在和对积雪荷载的明显影响

关键词：积雪层密度变化；凝固融化；计算流体动力学；雪荷载；FLUENT

中图分类号：G267 文献标识码：A 文章编号：

1.概述

积雪压力与积雪的密度变密切相关，在自然环境下由于受到气温、地温、太阳辐射、积雪时间等因素的影响，积雪密度也会随之变化，从而导致积雪压力产生变化。如果要将这些影响因素加入到降雪模拟中，利用当前的技术手段和计算机自动化技术是很难实现的。因此，分别对各影响因素进行分析，评价其对积雪密度的影响范围与强度，对优化降雪模拟的计算结果有着积极的作用。研究也得到了积雪密度与气温之间的关系。

诸如此类的影响因素在这里就不一一列举了。然而笔者认为，虽然这类自然环境因素对积雪密度的影响难以考虑全面，但在当前利用计算机进行积雪模拟的过程中是可以通过找到修改计算参数的规律来满足计算结果与实验数据相符合的要求的。但是如果存在一些对积雪密度造成影响的非自然条件因素，那么就不能单纯的依靠修改计算参数来满足对计算结果的要求。笔者将提出一种冬季北方建筑特有的对积雪密度产生影响的因素。并通过模拟分析找到其对积雪压力的影响规律。

2 积雪密度的非自然影响因素

在冬季北方的建筑物中存在一种普遍的非自然状态，那就是冬季的建筑物内部供暖。由于室内的供暖使建筑物表面形成一定范围的温度在0℃以上热空气团，当降雪时，雪颗粒降落到建筑物屋面后，受到屋面热空气团的影响融化成水并与后续降落的雪颗粒混合成冰水混合物附着在建筑物屋面表面，随着降雪过程的继续，屋面的热量不断被雪颗粒吸收，由于屋面以下空气的导热系数低于水和雪颗粒的导热系数，屋面的温度持续降低到0℃以下，使此时附着在屋面表面的冰水混合物凝固成冰，最终导致屋面形成积雪层底部带冰层的冰雪混合型积雪，使积雪的平均密度增加，并在屋面积雪体积不变的情况下造成积雪压力的增加。

在有人员活动的冬季供暖轻型建筑中，由于屋盖材料普遍选用苯板、挤塑板或聚碳酸酯实心阳光板等导热系数不同的保温材料，使屋面积雪融化结冰的速度和冰层厚度存在差异。屋面保温材料导热系数越低，保温效果越好，积雪底部结冰速度越快，冰层越薄。相反，屋面保温材料导热系数越高，保温效果越差，积雪底部结冰速度越慢，冰层越厚。

3 积雪融化结冰数值模拟

在某些流动的过程中，流体微元之间会存在热量的传导和交换，这种传导和交换必须遵循热力学的基本定律。故在直角坐标系下三维瞬态导热控制方程为：

（1）

式中，为流体微元的温度，为密度，为流体材料的比热容，为热源产生的单位热量，为时间，为材料的导热系数。

如果不考虑导热系数的函数变化，（2.19）得以简化：

（2）

通过流体流动的基本控制方程，可以对流体微元之间的各种物理量的传递和转换有充分的了解，方便对不同的流动形式做出合理的分析，对后期CFD软件平台的运用，和各项参数的计算与选定起到指导性的作用。

本次对屋面积雪融化结冰现象的模拟依旧采用CFD软件的FLUENT平台。计算使用能量模型和凝固融化模型完成。采用二维单精度处理器进行计算。

前期模型的建立采用1:1比例建立高度为5m的轻型建筑，由于计算过程忽略室内的空气对流流动，室内设置为固体边界条件。屋面设置为封闭的独立承载积雪空间，采用流体边界条件。

4 计算结果分析

在FLUENT的计算中，首先对计算域进行温度场的计算。室外温度设置为263k，室内地面的温度设置为310k，从结果中可以看出，屋面表面存在暖层温度为275.13k。

初始温度场计算收敛之后，在屋面封闭空间内初始设置积雪之后继续进行非定常计算。时间步长0.1s，共计算72000步。

从计算结果中可以看出，在整个积雪融化结冰的过程中，由于冰层的变化，整个积雪层的密度不断增加，并随着积雪深度呈线性变化。整个过程在20分钟左右时趋于平衡，可以形成1-3cm的冰层。而每形成1cm的冰层，积雪厚度将减少5cm-6cm，新雪补充后，积雪荷载每平方米将增加0.067KN-0.089KN。

5 结语

通过上述的模拟过程可以看出，在建筑物存在冬季供暖的条件下，屋面积雪底部有可能出现一定厚度的冰层。在形成冰层的过程中积雪的内部会产生明显的密度变化，同时由于密度变化产生的这部分积雪体积的缩减会被持续的降雪所补充，最终导致积雪荷载再次产生变化。经过计算统计冰层的厚度受室内外温差和建筑物高度影响明显，同时室内的空气对流也会对热量传导产生影响。

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