可伸缩的屋顶通常用于大跨度场馆设计,因为他们的多才多艺。然而,可伸缩的屋顶突然改变形状,因此,除了这些因素考虑传统屋顶需要考虑。特别是,可伸缩的屋顶被雪更敏感负载,因为他们的形状是复杂的,和雪堆在屋顶的操作可能导致的困难可伸缩的屋顶。调查积雪的分布可伸缩的屋顶,本研究提出了一种基于数值模拟方法获得的雪堆使用Euler-Euler方法在多相流理论。这个数值模型采用混合模型通过使用商业计算流体动力学(CFD)软件FLUENT。选择合适的湍流模型通过验证仿真与二维(2 d)从实地测量获得的数据在先前的研究报道。然而,可伸缩的屋顶上的雪荷载不能很容易由一个二维分布。预测的准确性雪荷载的整体分布在屋顶被实验验证水平在一个可伸缩的屋顶。结果表明,非均匀雪分布等屋顶上是不同的,应该被考虑。
频繁的冰雪风暴发生在世界各地,和部分结构超载和崩溃的建筑物的屋顶由于不平衡分布的雪是常见的。屋顶上的雪荷载从而研究重要的安全结构,特别是大跨度空间结构。
gydF4y2Ba三种方法通常用于调查风致雪堆:实地测量,风洞实验和数值模拟。这些方法的补充,每一个都提供各自的优点和缺点。野外观察是必不可少的在风致雪堆和已知的研究提供大量的相关数据。然而,结果往往受到各种外部因素和野外观察数据的积累是一个耗时的过程。风洞实验是基于雪粒子的运动机制,合理的相似性关系,和适当的颗粒材料模拟雪粒子进行快速预测雪堆[
gydF4y2Ba基于数值模拟两种方法主要是用于实现两相流理论:欧拉法和Euler-Euler方法。
gydF4y2Ba欧拉方法假定雪阶段是离散的空气中。牛顿运动定律是用来获得一个雪粒子的轨迹,雪是那么的体积分布的集成。Alhajraf [
gydF4y2BaEuler-Euler方法假设空气和雪阶段都是连续的,并且它是通过添加雪阶段的控制方程解决空气阶段的控制方程和最新风致雪堆使用Euler-Euler方法的数值模拟。
UgydF4y2Baematsu et al。
gydF4y2Ba近年来,研究人员已经见证了更多的研究在屋顶上的雪荷载。Thiis et al。
gydF4y2Ba顾名思义,可伸缩的屋顶是一个类型的屋顶结构,允许使用的建筑和一个“打开”或“关闭”屋顶。作为一个类型的大跨度结构与一个强大的综合功能,可伸缩的屋顶可以节省能源和环保,符合当前建筑技术的发展。可伸缩的屋顶被广泛使用;然而,由于不连续的形状,更复杂的积雪分布发生在他们身上。此外,不同于典型的大跨度屋顶,雪堆上可伸缩的屋顶可能导致严重的操作问题。
gydF4y2Ba研究有关雪荷载缺乏可伸缩的屋顶,没有具体规定为这种类型的结构是可用的,只有特定的介绍性文章可供参考。
gydF4y2Ba本研究着重于雪加载在一个典型的水平可伸缩的屋顶,这是广泛应用于大跨度屋顶结构如图
Euler-Euler描述多相流理论是用来模拟在这项研究中,雪和空气被视为连续的阶段。有三个Euler-Euler-based多相模型用流利的:受到混合物和欧拉模型。其中,混合模型表现出优越的稳定性和较低的计算需求而提供几乎相同的精度欧拉模型(
gydF4y2Ba在混合模型中,混合阶段,包括空气和雪,共享相同的质量连续性方程和动量守恒,根据方程(
gydF4y2Ba此外,雪相的连续性方程是由方程(
gydF4y2Ba模拟的控制方程选择不考虑滑移速度的影响和之间的质量交换阶段的源项。没有可信的证据之间的滑移速度的确定阶段,和郝et al。
壁剪切应力,这是用来确定雪粒子的运动状态,是一个重要的参数在雪堆。雪颗粒壁面切应力时开始移动
gydF4y2Ba雪的厚度分布变化与侵蚀或沉积。在这种情况下,
gydF4y2Ba稳定的方法简化了雪堆过程只适用于相对较小的雪堆中;然而,稳定方法的预测结果已被证明合理再现野外观察或风洞试验数据(
充分发展进风速度剖面确定幂律的简介:
gydF4y2Ba此外,湍流动能
假设的单向耦合,雪的入口速度和空气阶段被认为是相同的。雪的空间分布阶段分为蠕变、跳跃、和悬架,运输缓慢的层的体积相对较小。因此,只有跳跃和悬挂的雪堆。雪传质率跳跃(
注意,摩擦速度
在以前的研究中,各种湍流模型在雪堆模拟。Tominaga和Mochida
gydF4y2Ba在这项研究中,为了选择一个合适的湍流模型,不同的湍流模型被用来模拟走平屋顶上的雪荷载。了平屋顶模型采用1:1模型土屋et al。
模型的草图
计算条件。
图
归一化积雪深度不同的湍流模型获得的沿着线的测量。
尽管CFD模拟已被证明提供相对有效的减少沿线的雪深测量、积雪分布在某些大跨度或复杂的屋顶,如可伸缩的屋顶,不能只使用一个简单的二维分布描述。因此,为了确定CFD模拟方法可以准确地预测雪分布等屋顶,在雪地上进行了实验和数值模拟使用小规模分布,水平可伸缩的屋顶模型。
<年代ec id="sec3.1">大多数学者使用风洞进行风致雪堆测试。雪堆在建筑的模拟风洞由转移实现precovered雪使用传入的风场。实验对象通常平面模型,因此合理应用均匀分布层雪。然而,当主题是空间的,其曲面很难统一分发雪大跨度屋顶。
gydF4y2Ba哈尔滨理工学院的独立提出了风雪组装实验装置由六个粉丝的“权力”部分,如图
风雪联合实验装置。
没有确认原型架构和相关条件可用于测试调查。根据一个典型的水平可伸缩的屋顶,屋顶的原型跨度30 m×60 m, rise-to-span比例是1:10,两边的具体长度固定的屋顶是21米,中间的两个可伸缩的屋顶是9米×30米,跨度比是1:10。
gydF4y2Ba测试的几何比例是1:30。该模型由胶合板木骨架和有足够的强度和刚度。如图
测试模型的大小和形状的示意图。(一)测试模型的照片。(b)“关闭”状态。
可靠的实验建模大规模取决于合适的相似准则。有几种相似性标准,然而,不相容的。因此,必须选择相似准则根据其相关性。
gydF4y2Ba根据测试计划的法国气候风洞儒勒·凡尔纳(
gydF4y2Ba实验中使用的人造雪。消除粒子属性的差异,雪粒子实验中使用的都是同一天(01/20/2017)由单个snowmaker。产生的新雪snowmaker不适合实验因其水分含量高。它还需要被存储在一个受保护的区域至少5天前实验。人造雪粒子的物理性质测量前的实验。特别是,粒子的直径和形状是由一个光学显微镜观察和积累的休止角是由实验是45°。建筑模型都是由木材和木材和人造雪之间的摩擦角大约是50°。雪粒子的形状如图
人造雪粒子的形状。
雪粒子的物理参数的比较。
以哈尔滨设施作为参考,b采用大气边界层的地形。基本风压的50年重现期是0.5 kN / m<年代up>2,风速测试原型的决心是50年重现期的0.45倍,根据历史数据(
实验样机和实验参数。
原型和规模的相似性参数模型。
获取附近的风速数据模型在测试期间,热式风速计长调查被用来监测实验前实验风速。风速的测量精度为0.01 m / s。归一化平均风速的概要文件(测量风速的比值
归一化的变化意味着风速(a)和(b)湍流强度与高度。
雪通量沿垂直方向。
雪深测量使用钢统治者手工精确记录积雪的分布实验。根据模型的水平投影面积,测量角度被安排每5厘米总共945计量点。在测试期间,TC-4自动气象站是用于监视外部自然条件,如自然的风环境,温度,湿度,在真正的时间。
gydF4y2Ba风向图所示
素描入射角的风。
实验条件的细节。
稳定的方法被用来模拟雪粒子的漂移表面的屋顶,和空气的传输方程和雪阶段,分别建立。假设两个阶段之间的关系是单向coupled-that,雪堆风(空气阶段)的作用下,运输过程和粒子碰撞的影响在空气中被忽略了。
gydF4y2Ba水平可伸缩的屋顶模型采用CFD模拟如图
水平可伸缩的屋顶模型。
网格模型的方案。
计算条件。
模拟条件。
图
实验和模拟结果的比较和不同的风的方向(A) (B)测量CFD模拟。(一)当风向是0°。(b)当风向45°。当风向是90°(c)。
风向0°时,有三个主要的屋顶上的雪:我在前面的固定顶我,二是底部附近的可伸缩的屋顶,第四是中间的固定屋顶II。雪堆通过CFD方法是在良好的协议,从实验方面的形状和价值,除了雪堆积在第三区域被高估了。
gydF4y2Ba上面的高估可以解释根据风场图所示
风速矢量在上腹部当风向= 0°。
风向45°时,虽然在我有相当大的雪堆,雪主要积累在二世和地区是分布在一个三角形的形状。差异的原因在背风屋顶上的连接可能是相同的,在风向的情况下0°。
gydF4y2Ba风向是90°时,雪主要积累在背风一侧的拱形屋顶,和它的形状和大小,通过数值模拟和实验是在良好的协议。这可以解释根据风场图所示
风速矢量在上腹部当风向= 90°。
特别是,一个重要的变化是在屋顶上的积雪分布明显。重积累的区域发生改变,这表明风向在雪地上分布有显著的影响。
gydF4y2Ba数据
比较的结果通过实验和CFD模拟沿中线当风向= 0°。(一)迎风面。(b)背风的一面。
比较的结果通过实验和CFD模拟沿中线当风向= 90°。
图
gydF4y2Ba坚持上述分析表明一些不同形状的雪积累,但考虑到CFD方法在估算是合理的形状和大小的积累雪,雪是可行和可靠的模拟分布可伸缩的屋顶。
年代ec>摘要CFD方法在预测的准确性积雪分布分析了根据走屋顶上的雪堆仿真模型。雪都分布在一个典型的可伸缩的屋顶是由实验和CFD模拟,并研究得出的结论如下:
结果显示了屋顶上的雪堆模拟不同的湍流模型,结果得到的可实现的
一个典型的水平可伸缩的屋顶模型被选中来验证CFD模型在预测的准确性的三维分布雪载荷在复杂的屋顶。从实验和数值模拟获得的结果对于大多数雪积累良好的协议,这也进一步证明了数值模拟可以用来估计雪荷载的分布在建筑物的屋顶。
在不同的风的方向,积雪总是发生在可移动的屋顶之间的边界和固定屋顶和背风的一面。积雪的分布可伸缩的屋顶可以使用风的方向由0°、90°的不利角度。我们建议安装除雪设备的边界附近的可移动的屋顶。
数值模拟和实验反映了相同的雪沉积和侵蚀法和获得雪的极值分布相似,但差异坚持沉积的特定区域。这需要进一步的研究。
非均匀雪荷载可伸缩的屋顶是复杂和重要的安全。基于这项研究,可以得出几个结论使用一个简化的CFD方法与相关的验证。然而,这个研究有一定的局限性,将成为未来的重点工作:
当验证CFD方法在预测的准确性3 d的雪荷载分布复杂的屋顶,野外观察全面的结构或大规模的模型是必需的。
只有“封闭”状态的可伸缩的屋顶被认为是。然而,在发生突如其来的暴风雪,其“开放”状态的可伸缩的屋顶也应该被考虑。
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。之前报道的数据被用来支持这项研究,可用(DOI: 10.1016 / j.jweia.2017.12.010)。这些先前的研究(和数据)援引在文本里的相关位置的引用。
年代ec>作者宣称没有利益冲突。
年代ec>这个工作是通过金融支持中国的国家自然科学基金(项目名称:51878218和51378147)。