文摘

雪的非均匀分布在结构和孔结构安全是非常不利的,wind-snow相邻结构之间的相互作用的机理和孔需要作进一步的探讨。因此,风洞模拟执行,其中石英颗粒平均粒径0.14毫米被使用,如雪粒子和多维数据集和维度的100毫米×100毫米×100毫米大小的每个包含一个洞20毫米×20毫米被雇佣为结构。首先,一个小质量的低速风洞流场进行了测试,然后孔取向的影响(洞位于迎风面,背风的一面,和其他垂直的侧面)和无孔的表面上一个多维数据集进行了研究。此外,不同的孔位置的影响(向后看的位置,对面的位置,和位错)和相对间距(50毫米,100毫米和150毫米)在两个数据集的表面和周围的积雪分布调查。得出的存在和位置孔立方体在雪地上分布有很大的影响。积雪分布有利时洞位于其他试样的垂直的侧面。最不利的积雪分布时获得两眼上的孔的立方体是向后看的最大积雪深度系数为1.4。发现的一个显著差异是双方的积雪深度数据集时孔错位。当两个洞是向后看的,周围的积雪深度减少,表面积和最大积雪深度模型增加随着间距的增加。进洞的风洞测试数据集提供了一个参考雪荷载分布的预测的典型结构洞。

1。介绍

近年来,大量的建筑具有独特的形状和小说结构出现在城市。建筑表达方式,建立洞外墙上有许多设计师广泛被使用,就像那些在教堂在水面上,上海保利大剧院Langxiang教堂,和银河SOHO。设置孔具有良好的照明,环保,亲近自然。上海保利大剧院的主要结构是100×100×35 m维度,用5弯洞外墙上。洞墙上东部最大的大小、水平跨度为45.21米,垂直高度20.35米,洞面积670.832。这种开放结构主要是用于教堂、剧院、商业中心、大型办公区域、和其他人口密集的地方。雪的不均匀分布等建筑物可能会引起变形,甚至失败的结构,威胁人们的生命和财产。因此,它是非常重要的,以确定结构的分布规律的雪洞安全原因。

风洞试验被认为是最可靠的方法之一,在研究风致雪飘。测试结果可以用来验证数值模拟的精度。与实地测量参数,如速度、方向,风吹的时间可以控制在风洞试验和调整。到目前为止,一些世界各地的研究人员进行了一系列的研究考虑类似的主要参数(1- - - - - -4)如粗糙高度雷诺兹和弗劳德数(1,5,6),时间尺度(7),和其他参数。Peterka et al。8)进行了风洞试验的积雪分布模型表面在不同风的方向。O’rourke et al。9]研究了分布的机制和质量输运率三种不同类型的屋顶下的雪通过风洞试验。刘等人。10)进行了风洞测试使用不同大小和风速模型考虑雪渣和侵蚀率和确定屋面积雪分布的影响。Yu et al。11)进行了基于3 d平台模型的风洞试验,分析模型的影响大小,风速,风吹雪再分配时间。

不同的研究人员还研究了媒体用来模拟雪粒子。类(4)获得的结果发现,使用重型石英砂颗粒更接近实验结果比光泡沫粒子。周et al。12风洞进行测试使用三种不同的媒体:低密度看到木灰,中密度泡沫塑料,和高密度硅砂。他们发现在测试三个媒体,高密度硅砂与测量结果吻合良好。李(13王),et al。14),和周et al。15)设计的风洞测试使用石英砂颗粒如雪粒子研究风致积雪分布。在上述研究中,细石英砂颗粒被用作雪粒子在风洞测试结构风致雪堆。

目前,大多数研究采用单一封闭的结构作为研究对象,和非常有限的研究是进行结构和进洞毗邻结构。大多数先前的风洞试验主要研究积雪深度系数C年代雪沿轴线,而非均匀分布的结构也会影响正常使用门,窗户,和疏散通道。此外,很少有规定在雪载进洞的表面结构,这将导致结构不安全。雪运动相邻结构之间有洞比单身更复杂的结构,和雪分布模式仍不清楚。因此,为了澄清孔取向和积雪的分布的影响,进行风洞试验使用正则立方体作为模型。这项研究提供了一个依据预测雪分布模式与孔结构。

2。小型低速风洞

2.1。风洞设计和检验

如果一个闭路式风洞雪分布模式被用来研究在结构、prelaying材料如雪粒子可能对风力叶片造成很大伤害。因此,一个小型低速风洞是风和雪研究设计的。建造小型低速风洞是7米长,由一个测试区,一个稳定的部分,整流设备(蜂窝),减少部分,扩散部分,和风力叶片。实验部分的概要文件的尺寸为0.5米×0.5米,最大粉丝50赫兹的频率和稳定的风速1.5∼10 m / s在测试部分。一盒放置在出口处扩散的部分来确定质量运输率。蜂巢被安装在稳定部分,涡流转换成空气流风洞的纵轴平行;的漩涡会很快衰减甚至气流。风洞试验中使用的仪器如图所示1。


图1
仪器用于风洞试验。

进行可行性试验气流稳定,动态压力场系数和风洞试验的速度均匀性部分。三个部分250毫米(a), 562.5毫米(b),和875毫米(c)远离测试的入口部分被选中,和每个部分分为9小街区相等的区域。测量点位于街区的中心,如图2。


图2
图的风洞测试。

动态压力脉动η用于描述流稳定性和被定义为空气动态压力的脉动1分钟: 在哪里问马克斯和问最小值分别是瞬时动态压力的最大和最小值(Pa)。

动态压力场系数 反映了动态压力流场的空间分布: 在哪里 点的瞬时动态压力吗我(Pa), 的平均值测量模型中的动态压力(Pa),然后呢n是测量的点的数量。 是相对的均方根偏差之间的流动速度和平均速度的测试区可以用来描述速度的均匀性: 在这, 是流的平均速度(米/秒), 点的速度吗我(米/秒), 点的速度偏差吗我(米/秒)。数据通过ZC1000-1F数字微压计和皮托管测量分析获得上述三个参数,如图3和4和表1。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图3
动态压力脉动在不同频率下:(a) 30 Hz, 40 Hz (b)和(c) 50赫兹。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图4
动态压力场系数在不同频率下:(a) 30 Hz, 40 Hz (b)和(c) 50赫兹。
表1
偏差是指风速和平均速度的平方。

流场质量规范所需的高速和低速风洞低速航空风洞来满足η≤0.005和闭路式风洞来满足η≤0.015。如图3,每个测点的动压力脉动得到c节在不同频率η≤0.015。因此,部分c的气流稳定满足一般风洞资格标准。

建筑工程的风洞试验标准方法要求建立风洞 。从图可以得出结论4这部分的动态压力场系数c是风洞试验合格的部分。

这是总结表1那 部分c是最小的风机的频率相同的时候,和的上限 建筑风洞是2%。当频率增加,部分c的上限是增长了35%,26%,和5%,接近资格标准。假设部分c会见了风洞流场规定测试部分。

湍流强度 风洞是一个关键参数,定义为平均√脉动速度的比值平均速度的主要流吗x,y,z的方向。 在哪里 , ,和 速度的脉动值吗x,y,z的方向。风洞的湍流强度是不大于1.96%。建筑工程的风洞试验标准方法要求的湍流强度 ;因此,我们的结果满足这个要求。

频率转换器CDI-EM60G2R2T4B被用来调节风速,和ZC1000-1F数字微压计和皮托管测量风速。重复测量三次相同的频率和平均价值得到结果,如图5。


图5
风速与频率。

如图5,风速增加风机频率的增加,基本上显示线性变化和安装所示(5)。装配和测量值之间的比较如图所示6。 在哪里 风速(米/秒)和吗f风机频率(赫兹)。


图6
拟合公式和测量风速。

图中可以看到6拟合值与测量值有相同的趋势,和小的差异值 。在方程(5),风扇5赫兹的频率下限设定是因为风流动的均匀性降低。与此同时,50赫兹的上限,设置设备的安全原因。

2.2。相似的标准

在该测试中,模型是几何相似和休止角相似之处被替换为媒体模拟雪粒子的几何相似性。斯梅德利et al。16)发现测试结果仅略受雪粒子的大小。运动相似要求模型中的流速比在任何时候和原型是相等的;相似的大气边界层的运动也被考虑在内。动力相似性主要需要类似的弗劳德数的参数 和速度比率 和 ,在哪里l几何模型的规模, 是重力,U是速度的参考价值, 是摩擦速度, 是粒子沉降速度, 是临界摩擦速度。与此同时,雷诺数 也需要考虑,在那里 是液体的运动粘度。经典雷诺和弗劳德数是矛盾的。如果粒子密度高,可以满足雷诺数,但不是弗劳德数。类(4]显示测试结果满足雷诺数接近实验测量值。

3所示。风洞试验

3.1。模型和参数选择

实验模型类似于由Oikawa et al。17在日本北海道大学的技术)。模型使用一个立方体边长1米和实验几何比例的1/10。测试用例包括一个多维数据集,一个单孔立方体,立方体两眼。多维数据集是100毫米长,方孔是20毫米高。两个模型之间的距离l是变量,如图7和8。在实验中,孔方向一个单孔立方体以及两个模型之间的相对位置和间距。石英砂颗粒被用作雪粒子,已被广泛应用于其他作品(13- - - - - -15,18]。石英砂颗粒和其他参数的值用于测试总结在表2。原型值选择从斯梅德利等人的作品。16),Beyers和危害19,善良和穆雷(20.]。


图7
单孔测试模型。

图8
两眼测试模型。
表2
物理性质的粒子和其他主要参数。

如表所示2,因为 大于原型值, 和 都是两到三倍的原型。弗劳德数的模型值高出两个数量级的原型,这是一个很大的区别。因此,弗劳德数模拟被认为是不准确的,但其他参数满足要求。

3.2。测试描述

Predistribution粒子方法被用来模拟雪飘。石英砂的prelaying厚度是假定为相似的几何尺度比雪厚度测量Oikawa(200毫米),和测试的流向部分覆盖着石英砂颗粒流模拟边界。多维数据集的迎风面放置在部分c,和一个压差传感器3051 tg是这个职位。另一个相同的设备被放在模型背风的一面2,如图1。这样,测试区域的流场的质量可以发现在任何时候确保气流的稳定性。阈值风速时假定为3.8 m / s石英砂颗粒被炸毁,有明显的动作。确定测试时间是9分钟时间尺度相似性。风速是由相似率,测量平均风速为4.5米/秒。粒子深度测量使用滑板式激光测距仪。最后的粒子被认为是无量纲的深度(20毫米)来获取积雪深度系数C年代。减少随机误差,每组实验是在三个复制和平均值进行报道。图9显示了风致积雪分布与100毫米两眼间距模型试验。


图9
雪分布后测试。

4所示。测试结果

4.1。单一的多维数据集

水平轴与模型高度无量纲特征尺度。四个条件包括nonholed单一的立方体,迎风面洞,背风侧孔和其他垂直的侧孔进行了测试。积雪深度系数的分布曲线C年代模型的表面和周围得到上述四个条件下并与Oikawa测试结果。当积雪深度系数C年代大于1,石英砂颗粒沉积,当它低于1,粒子被侵蚀,给定的图吗10。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图10
雪一个多维数据集的分布曲线:(a)在中央和纵轴(b)和(c)模型表面。

如图10 (),迎风面积的测量C年代先下降然后上升,其最小值(0.5)出现在 ,后迅速增加。的迎风面积nonholed测试模型,最小值C年代(0.55)出现在 。然后,它逐渐增加直到达到最大值 。在背风区,测量数据和测试数据有相同的变化趋势。可能的原因为测量值和实验值之间的区别如下:有困漩涡在立方体的迎风面位置靠近地面,导致风流动相对地在水平方向。这一现象导致C年代在迎风区域先降低,然后增加。测量和测试被困涡区域是不同的,和增加Cs x / H轴的范围也不同。同时,风速不稳定和风流的方向并不总是垂直于迎风表面可能导致的差异;另一个因素是实验设备的不同,有一定的影响C年代值。背风区域的模型, 这是小于其他场景洞位于背风时和其他模型的垂直的侧面。得出洞的存在和位置有重要影响的积雪分布模型。的值C年代在两个条件下有细微的差别。相信这两个条件优越的分布沿中心轴的雪。

从图10 (b)角落里的两个马蹄形漩涡形成的迎风面模型。雪时完全侵蚀x/H=−0.75∼−0.4C年代= 0。然后,C年代大幅增加,达到了第一个波峰在哪里x/H= 0.25。在这一点上,C年代,马克斯是关于0.9∼1.2。的价值C年代在背风区沿中心轴比和改变了形式的干硬后因为雪是机缘在这些位置。当洞位于其他垂直的侧面,周围的雪结构侵蚀。提到的三个条件下没有孔和孔位于迎风和模型的背风面,的值C年代分别为18.18%,18.18%,10%大于相应的值,当孔位于背风侧沿纵轴的边缘(x/H=−0.5),分别。在x/H= 1,C年代的洞位于侧显示最大的区别与其他三个条件(分别约为33.33%,30.43%,和27.27%),表明上的孔边有有利的影响在雪地上沿纵向轴线的分布模型。

从图10 (c)的最小值C年代在模型中屋顶(0.2∼0.3)出现在迎风边缘(x/H=−0.5),和屋顶背风区(x/H= 0.25)有最多的雪积0.9∼1的值。此时,C年代洞位于迎风面价值高于10%的情况下没有洞,洞位于其他垂直的侧面。必须更多的关注屋顶上的雪荷载的分布不均。基于上述三个数字,洞位于端给了雪的最佳分布的表面和周围的一个多维数据集。

4.2。孔的位置

的C年代值100毫米的两眼模型相互远离,用三个不同的孔的位置向后看的位置,对面的位置,位错中心轴,纵轴,屋顶进行了研究。纵轴被选中,如图11。


图11
三纵轴的工作条件的积雪深度系数。

如数据所示12(一个)和12 (b),周围的积雪分布模式扰动模型(模型1)和干扰模型(模型2)是完全不同的。雪运动两者之间的结构非常复杂,和雪的叠加分布在两个单一结构并不普通。的C年代迎风面积的值的模型通常是小比背风区,和大量的雪是沉积在中间的两个模型,在干扰模型和背风区。如图12(一个)洞是向后看的,风两个模型之间的变化更加复杂。与其他条件,中心轴的积雪深度系数先降低,然后增加,和它的最大值达到1.4。在这种情况下,C年代在背风侧的中心轴(x/H=−0.5)的干扰模型是大于14.29%和7.14%的相对位置和洞的错位。图12 (b)显示的值C年代的边缘干扰模型迅速从0(增加x/H= 1.1∼1.35−0.5)(x/H=−0.25)。由于干扰的干扰模型,所有的雪在边缘沉积(x/H= 1.5∼2.5)的干扰模型。的价值C年代不同的范围1.3∼1.45。它表明,门,窗户,和其他紧急疏散通道应避免在设计。当洞是向后看的,的价值C年代沿着纵轴在背风的边缘干扰模型约18.52%,高于工况3 b,这表明积雪分布在两个模型相对不利的结构。孔错位时,价值差异沿纵轴两侧背风区域必须认真考虑。图12 (c)表明,大多数屋顶上的雪的侵蚀。雪表面侵蚀比扰动模型的扰动模型由于阻塞的效果。扰动模型的价值C年代,马克斯0.9和1之间变化,最大的价值C年代出现在x/H=−0.25。然而,干扰模型的价值C年代时大x/H变化在1.75和2.25之间,最大的价值C年代出现在x/H= 2.0,的价值C年代,马克斯变化在0.9和1之间。在这个时候,的价值C年代达到最大,即C年代= 1。总之,在雪地上向后看的洞有不利影响的分布环境和模型的表面。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图12
积雪分布曲线在不同孔位置的两个模型:雪分布在(a)和(b)中部纵向轴以及(c)表面积。
4.3。距离

当两个数据集是向后看的,模型是对称中心轴。因此,研究了雪花分布在中心轴之间的距离两个模型50 mm时,100毫米,150毫米。的位置模型如图8。由于表面积的积雪分布模型1提到的三个条件下基本上是相同的,如图12 (c)2,只有表面积雪深度系数模型(图分析13)。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图13
雪(a)的分布曲线模型1和2 (b)模型与周围不同距离相应的中央轴和(c)表面积积雪分布模型2。

从图(13日),这是看到的变化C年代在三个条件下干扰模型(模型1)基本上是相同的迎风面积(x/H=−1.5∼0.5−)。的面积C年代这两个模型之间首先降低,然后增加。由于风绕流两个洞,的值C年代是完全不同的。的价值C年代在50毫米间距约16.67%高于在背风边缘(150毫米x/H= 0.5)的干扰模型。从图13 (b)的价值,C年代在50毫米间距为18.75%高于背风边缘150毫米(x/H= 0)的干扰模型(模型2)的价值C年代在背风区域先降低,然后增加并最终减少,这是因为雪爬。50毫米和150毫米间距之间的区别x/H= 0.5是最大的(19.35%)。结论从上述两个数据,通过减少两个模型之间的距离,的价值C年代是增加了。从图13 (c)观察到,由于扰动模型的干涉效应,表面积的积雪分布的扰动模型不同于在一个立方体。的价值C年代,马克斯出现在表面的中点和增加间距增加。

5。讨论

测试设备,雪材料,和人类操作因素导致某些错误在风洞试验结果的风致积雪分布测试结构。但是,结果仍然可以揭示某些规则。因此,基于实验得出的结论,不同位置进洞孔的结构和相对位置和间距不同的洞相邻结构进行了讨论。

因为立方体是钝的边缘角落,风分离从一边的角落。这些地区的风速显著高于在同一高度。这导致风产生两个大规模的马蹄形漩涡迎风立方体的边。雪完全侵蚀,在多维数据集,和积雪深度急剧增加。突然改变的雪非常影响结构安全。这种情况发生在单一的环境和扰动结构,和不安的积雪分布模式的结构是完全不同的扰动结构。因为进来的风不再是垂直的迎风面扰动结构,背风区的涡不发达导致气流流线变形。

结果表明,孔周围的雪分布模式有很大影响结构。内部和外部之间的压差是引起风模式来改变周围的孔,这样流模式的取向不同孔结构导致不同的积雪深度系数。很大的差异在雪两眼周围分布数据集在不同的相对位置。洞向后看的时,风速的洞是速度比在其他领域在相同的高度使风的模式更为复杂。间距是影响积雪分布模式的另一个重要因素在两个结构。距离减少时,两种结构的相互干涉效应成为重要的在结构和积雪深度系数增加,更不利于结构。

6。结论

风洞进行测试是立方样本调查雪分布模式考虑进洞结构的取向以及相对位置和间距的两眼结构。得出了以下的结论:(1)对于一个小型低速风洞满足雷诺数和忽略弗劳德数,测量和测试之间的差异最小值的积雪深度系数沿中心轴的立方体的迎风面观察。背风侧的积雪深度系数是不同的但它们的变化趋势是相同的。分析可能的原因之后,相信小低速风洞可以应用风洞试验的风致积雪分布。(2)洞的存在和位置对立方体积雪分布显著的影响。当孔垂直的侧面,它有一个对积雪分布有利的影响。积雪深度系数不同孔时位于迎风面。在这种情况下,雪分布严重不均匀的最大和最小值0和1.1,分别。(3)雪地模式变化更复杂的孔两种结构都是向后看的。在这种情况下,积雪深度系数首先降低,然后增加两眼之间的区域结构,和最大积雪深度系数达到1.4。周围的积雪深度结构虽然表面上最大积雪深度增加而减少之间的距离的增加结构。(4)标准数据集雪洞,研究了在不同分布参数值为典型的设计提供一个合理的基础结构在风和雪的效果。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(批准号U1261122)。