屋面积雪分布的最不利影响模拟分析

刘晓述

(沈阳建筑大学研究生学院，辽宁沈阳 110168)

1 概述

本文采用的模型为自定义模型。按最可能产生积雪沉积的造型设置。

现行的荷载规范多采用经验值或照搬国外的荷载设计数据，难以满足我国气象条件下雪荷载的实际情况和对建筑屋面的设计要求，因此对大型复杂屋面风致积雪情况的研究就显得很有必要。

本文作者同样利用计算流体动力学对自定义3D屋面结构进行大量数值模拟，并从中找出最不利风向和最不利风速，并分析屋面雪荷载的分布规律。

2 模拟流程及操作方法

2.1 FLUENT软件平台对于处理气固两相流的方法

风雪流现象为空气夹杂着雪颗粒流动的气固两相流，在FLUENT软件平台对于处理气固两相流问题的方法主要有三种:VOF模型、混合物模型和欧拉模型。本文通过前期对风雪流特性的分析，选用欧拉模型。

壁面上的雪颗粒是否发生沉积是由近壁面的风速决定的。在近壁面风速降低到阀值速度以下时，雪颗粒离开计算域沉积在壁面。在欧拉模型的计算中，这种阀值速度的产生主要体现在体积粘度(Bulk Viscosity)和摩擦粘度(Frictional Viscosity)的参数设置上。参数方程查看边界条件2.2.3。

2.2 计算模型的建立

2.2.1 计算域的设置

计算域的尺寸是在计算量和对计算结果合理的影响范围内取到平衡。建筑物模型设置在距计算域入流口约1/3处。本次模拟共选取8个风向，21个风速，总共168个工况进行分析。

2.2.2 模型的网格设置

计算域内均采用平滑的结构化网格来提高网格质量，降低数值的耗散，以保证本模型计算结果足够精确。对建筑物的表面及周围分别进行线、面的网格控制，并应用映射与子映射法进行划分，使网格在建筑物周围有足够的密度。以0°风向模型为例，节点数1 378 823，六面体网格数1 333 560，残差的收敛标准为10－5，采用3 ddp求解器进行求解。

2.2.3 边界条件的设置

两相流的入口均采用速度进口(Velocity inlet)，风速与雪颗粒速度参考气象风速表进行设置为常数。k-ε湍流参数直接给定湍流动能和湍流耗散率。考虑到空气相对雪相的影响，雪相相对空气的速度查阅相关资料取常数0.3 m/s。

作为互相贯穿连续的多相流动的描述组成了相位体积分数的概念，这里表示为αq。体积分数代表了每相所占据的空间，并且每相独自地满足质量和动量守恒定律。守恒方程的获得可以使用全体平均每一相的局部瞬态平衡或者使用混合理论方法。

q相的体积Vq定义为:

这里:

q相的有效密度为:

这里ρq是q相的物理密度。ρq设置为227 kg/m3参考2007年辽宁暴雪灾害气象记录。

建筑物表面及地面设置为wall。本文采用的是B级地貌来设置粗糙高度及粗糙度系数。

计算域侧面及顶部采用自由滑移壁面。

计算域出口采用出流边界条件。

3 计算结果的分析

利用以上两相流理论和相关的设置，应用FLUENT软件进行数值模拟，对8个风向和21个风速，共168个工况进行分析。在后期的分析中，本模型在90°风向的影响下屋面积雪雪量较大，积雪分布不均匀程度较高，故本文限于篇幅只对一种90°风向，和最不利风向下的两种风速(20 m/s，25 m/s)进行比较分析。

3.1 最不利风向分析

在90°风角时，积雪面积变大，屋面局部积雪量也明显增大，当气流越过迎风墙面后，速度大幅度提高，甚至超过了来流的初始风速，所以屋面最高处的大部分面积都没有雪颗粒沉积，积雪主要集中在屋面背风处。由于背风墙面上方风速较大，所以在背风墙角处形成涡流，风压减小，雪颗粒体积分数增加，壁面附近风速小于雪颗粒的阀值速度，造成雪颗粒堆积。而在背风拐角处受湍流耗散影响，风速降低十分明显，雪颗粒堆积情况也很显著。

3.2 最不利风速分析

本文在90°风向下给出两种风速并对雪颗粒体积分布进行分析，见图 1，图 2。

当风速很小为5 m/s时，整个屋面的雪颗粒分布比较均匀。而在15 m风速时，虽然雪颗粒的分布面积减小了，但局部的雪颗粒大量沉积则变得很明显。这是因为风速较小时，气流受流体粘性影响较大，近壁面的风速较大，只有在出现涡流和湍流耗散处风速大幅度降低时才会出现雪颗粒沉积。而当风速持续增大20 m/s时，气流流动受流体惯性影响变得明显，近壁面风速逐渐降低，因此雪颗粒的沉积面积也逐渐变大，同时由于湍流位置和强度的影响，雪颗粒大量的沉积位置也有少许变化，见图1。当风速增加到25 m/s时，积雪的分布比之前发生了较大的变化，之前积雪不明显甚至没有积雪的位置，比如迎风面的屋顶位置，由于风压减小，同样也出现了雪颗粒堆积现象，见图2。

图1 风速20 m/s积雪体积分布等值线

图2 风速25 m/s积雪体积分布等值线

由此可见风速大小的变化对积雪的分布起着决定性的作用。然而在真实自然条件的情况下，风速在降雪的过程中不可能是固定的，不同风速的交替变化就很有可能使单一风速所造成的积雪分布特征在屋面上同时出现，使积雪对屋面的荷载进一步加大，而对于这种风速不断变化的情况下对积雪分布的具体影响，就要在今后的研究中继续探讨了。

4 结语

本文利用FLUENT软件平台对风致积雪情况进行了两相流模拟分析，得出并分析了在不同风向、风速组合情况下的屋面积雪分布情况。由于积雪对屋面破坏性荷载的产生是在持续降雪的过程中逐渐发展并形成的。所以研究不同的风向、风速组合对屋面积雪分布的影响就显得十分重要。本模拟的结果为结构设计提供了参考，也对荷载规范的完善提供理论依据，同时对国内发展应用气固两相流技术模拟分析屋面雪荷载提供了一定的参考。

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