文摘

频繁发生的极端天气,雨荷载的结构在高风速伴随着强降雨条件下的研究已经成为一个热点问题。本文基于离散粒子模型,雨滴冲击负载提出了修正公式。雨负载的快速计算方法,通过实验验证结构形成。和预测程序是独立开发完成雨荷载的计算单位平板在不同风速和降雨强度的组合状态。雨负荷修正系数雨的无因次系数被定义为单位面积上的载荷平板的充分发展雨字段由风速。雨荷载考虑风荷载计算公式的修正系数形成雨荷载的计算公式的结构。结果表明,几乎没有与风速相关性,但与降雨强度密切相关R。的计算公式关于降雨强度是安装。当降雨强度R= 709.2毫米/小时,大约是22.3%。本文研究结果提供理论和技术支持,指导雨负载结构的快速计算。

1。介绍

降雨是一种常见的自然现象。在台风等恶劣天气,打雷,雨滴达到较高的运动速度由高速风。雨滴碰撞时形成一个雨荷载与结构的表面在高速度。雨滴的高速影响建筑物的表面上产生大量的雨水压力,拥有一个伟大的对建筑物表面的侵蚀的影响(1- - - - - -3和土壤的分离4]。

雨滴的进化过程是关键的影响解释雨滴的冲击力。阿德勒(5)提出了一种有限元法模拟雨滴对变形目标的影响。影响时间太短,载荷传感器通常无法达到必要的采样频率精确测量碰撞力。接近et al。6)做了一个实验来测量雨滴撞击力量使用压电换能器和派生一个公式拟合参数平均峰值力。索托et al。7)测量了雨滴撞击力量使用压电石英传感器同时使用高速摄像机捕获的撞击过程。Grinspan和Gnanamoorthy8)发现,传感器的输出信号在珠和液滴冲击测试时基本上相同的珠子的质量大约是8.5倍比油滴和液滴的高度高于珠。这一发现表明,珠和液滴的影响机制是完全不同的,进化的影响液滴是复杂的。Abuku et al。9)调查了影响、吸收和蒸发的小雨打在建筑外墙。具有高冲击速度的测量表明,大滴飞溅,而滴小影响角度反弹速度和小的影响。黄等。10)模拟雨滴撞击过程基于n - s方程,但没有解决衬底之间的交互和雨滴。

结构放置在风雨领域受到风荷载和雨荷载的共同作用,和雨荷载的比例明显弱于风荷载。很难产生和控制wind-rain耦合场在实验室环境。有一些研究论文的定量测试方法和结果雨负载结构。崔(11- - - - - -13]在使用数值模拟方面取得了重大突破运用计算流体动力学(CFD)在风力雨水(世界发展报告》)的研究中,进行了基于稳态三维风流动模式。这个方法在本研究中使用。柯et al。14和傅et al。15,16)进行了数值预测研究雨荷载在结构如高层建筑、输电塔、冷却塔使用连续相和计算流体动力学的离散相模型。结果表明,降雨负荷是降雨强度密切相关,和雨的比例相对于风力负荷不断增加随着降雨强度增加。然而,CFD方法计算耗时和困难,这使它对工程使用不方便。目前迫切需要开发一个高效、快速雨负荷预测方法和形式的简化计算公式,提高降雨负荷计算的效率。

根据国际公约,中心附近最大风力表所示1。降雨强度是一个重要的指标来描述降雨的强度,这是由我。通常是表示降水的统计时间长度如年,月,日,小时,所以单位是mm / 24 h, mm / h等。降雨强度等级如表所示2根据24小时降雨和小时降雨,可以分为小雨,中雨、大雨、暴雨,暴雨倾盆。

研究方法、成果和缺陷风动雨荷载的国内外学者总结部分1。雨滴谱分布函数和特征给出了部分2。节3,所涉及的算法雨负荷计算基于离散粒子模型详细介绍了。雨droplet-wall碰撞提出了修正模型,通过实验验证了模型的正确性。快下雨了负荷预测方法形成,和雨负荷预测程序是使用MATLAB编写的。节4基于研究的部分3单位,雨的快速预测加载平板在不同降雨强度和风速组合状态。雨负荷修正系数获得,公式的和降雨强度R是安装。计算结果有很好的一致性与出版的文献。节5,典型的结论目前的研究成果,研究的不足和后续研究方向进行了讨论。

2。雨滴粒径分布(DSD)

雨滴的大小可以被描述为议员DSD [17,对数正态分布18],伽马分布[19)和其他功能,其中议员DSD和伽马DSD是最常用的。该议员DSD马歇尔和帕默在1948年提出的。它的形式显示为方程(1):

一个形状因子μ是伽马DSD引入议员DSD形式。它显示为 在哪里N(D)是雨滴的数量单位刻度值和单位体积,单位是米⁻³·毫米⁻¹;N₀浓度,单位是米吗⁻³·毫米⁻¹;尺度参数,与降雨强度有关吗R(嗯⁻¹),单位是毫米⁻¹;D雨滴的直径,单位是毫米。

当μ> 0,曲线向上弯曲;当μ< 0,曲线向下弯曲;当μ= 0,议员DSD退化。

参数选择的议员和伽马DSD表所示3。从图可以看出1,与国会议员DSD相比,由于形状因子的存在μγDSD可以更准确地表达直径较小的雨滴的特点,比大直径雨滴更常见。研究[21)显示,当μ= 3,γDSD是在良好的协议与实际降雨。的计算结果R= 100毫米/ h和R= 709.2毫米/小时降雨量图所示1。其他降雨不给,但结果是类似于图1。

3所示。雨荷载计算方法

3.1。计算域空间划分和算法流程

计算域由笛卡儿坐标系统定义和计算空间除以对角点的坐标。雨荷载计算方法的具体实现步骤基于离散粒子模型的结构如下:(1)如图2,计算域分为四个领域:(i)计算域边界(OE);(2)降雨区域(AB);(3)结构区域;(iv)模型附近区域(CD)。(2)根据降雨强度R,选择一个适当的DSD生成离散雨滴直径不同,在降雨区域(AB),生成,雨滴 初始化。(3)风场的初始化 在计算域边界(OE),U,V,W是时间和空间的函数。由于雨滴是离散,空间占领远小于10%,雨场在风场的影响很小,因此风力雨水采用单向耦合算法。(4)三维点云数据的节点结构被加载到程序。非结构化网格的生成是基于表面被诅咒的算法;然后,表面的网格节点的坐标结构和法向量的计算网格的中心点。(5)当 ,风力雨水的离散粒子模型是解决。雨滴在降雨区域移动共同作用下的风场和重力场。如果雨滴超越降雨区域,多余的雨滴在降雨补充没有重叠区域和随机移动。(6)它决定雨滴的运动是否超过了计算域边界,和雨滴超出边界消失。它决定是否雨滴在计算域对象附近地区(CD),雨滴进入对象地区参与壁面附近粒子搜索。它决定是否雨滴碰撞结构;如果发生碰撞,解决碰撞模型,然后雨滴碰撞后消失。(7)当雨滴与结构相撞,雨滴的空间位置和负载的影响,目前统计计算。根据不同位置的法向量结构,分解成雨滴冲击载荷x,y,z方向,雨和负载综合获取负载在每个方向。

详细的计算过程如图3。

3.2。雨滴的DSD模型和网格离散化方法的选择空间

γ(3)分布雨滴分布函数的选择。从数据可以看出4和5雨滴的数量单位空间随降雨强度的增加R,雨滴的大小也从小直径、大直径的转换。然而,雨滴在雨中字段的直径一般小于5.0毫米。即使在极端降雨条件下降雨强度R= 709.2毫米/ h,雨滴的数量大于5.0毫米非常小,与雨滴直径的分布主要集中在0.5毫米,3.0毫米的间隔。

根据DSD和降雨强度、雨场离散成雨滴粒子群体组成的雨滴与不同直径和不同的数字。雨滴粒子群体的总数在单元空间计算N。为了确保生成的节点数量的空间N′≥N,空间分成相等的距离x,y,z的方向。如果它不是一个整数,它是圆形的。空间等距分割后的节点图所示6。

雨滴的空间分布具有随机性的特点,障碍,和不重叠的。为了实现雨滴的空间分布来满足的需求”三个属性”,介绍了空间节点的随机运动标准如下:(1)如图7的基础上,生成有序的空间节点,每个节点的坐标是作为中心的球体,球体的半径 ,和是最大的雨滴直径。(2)我们引入一个随机数ξ, 。原始空间节点坐标随机移动的球形领域获得新的空间节点坐标,如图8。 (3)Nonrepeating生成随机整数根据雨滴的总数N。不同直径的雨滴及其对应的数量是随机生成的空间填充节点,如图9。

3.3。非结构化网格生成表面基于被诅咒的算法(22]

定义1。的泰森多边形法图的点集H是一家集多边形区域只包含一个点h在点集。从任何位置的距离h在该地区的距离小于该职位所有其他点的点集。

定义2。连接相邻的点形成的图形区域(地区常见的边缘)泰森多边形法图被称为德劳内三角测量。

定义3。假设我是一个点集,H涡的吗泰森多边形法的我。
复杂多峰函数生成的表面图所示10。可以看出,该算法实现了非结构化网格生成复杂的表面。

3.4。在风场雨滴运动的数学模型

崔(12)提出了风力雨中雨滴粒子的运动方程,见以下方程: 在哪里R_e雷诺数;ρ_一个是空气密度,1.235公斤/米³;雨滴密度,1000公斤/米³;μ动态粘度系数;重力加速度;U,V,W风速的组件吗x,y,z的方向;米雨滴的质量;C_D是雨滴的阻力系数,与它的直径D。范杂志型图书的研究(23)显示,当雨滴的直径大于6毫米,雨滴的表面张力无法保持其形状,在运动和分裂的现象发生。

用方程(5)和(6)(3),我们得到

加速度、速度和位移的雨滴可以得到解决(8)使用自编程序和有限元方法。根据实验结果等效阻力系数的雨滴直径0.1∼5.8毫米的耿氏,金泽24),方程(8)是通过拟合实验结果。从图可以看出11方程的拟合结果(8)是在良好的协议与实验值。

雨的分布领域由统一的水平风速的风力30 m / s数据所示12和13。从图可以看出12水平的终端速度的粒子直径不同,所有到达风速均匀风场的驱动下。从图可以看出13的共同作用下,雨滴粒子运动风场和重力场。直径较小的雨滴加速迅速在水平方向上,慢慢地在垂直方向,位于顶部。而大直径雨滴慢慢加速迅速在水平方向和垂直方向,位于底部。因此,粒子直径不同,在雨中出现分层和扩散在垂直方向。

3.5。靠近壁面碰撞粒子搜索算法

结构表面的非结构化网格划分后,实体墙点云数据集年代= {年代₁,年代₂,年代₃、…年代_米}是由中心的位置米网格节点和相应的法向量ψ= {ψ₁,ψ₂、…ψ_米}。点云数据集P= = {p₁,p₂,p₃、…p_n}是由n雨滴在结构和相应的速度V= {V₁,V₂、…V_n}。作用在结构表面的雨滴产生瞬时冲击载荷。三个法向量的投影是由这种影响的位置。雨荷载的结构是通过整合所有单个影响装载在同一时刻。具体的计算步骤如下:(1)在时间t,最大的雨滴速度V_马克斯= {V₁,V₂、…V_n}获得在所有雨滴在不久的对象区域。(2)如图14,实体墙点集年代作为圆心,半径画一个圆吗R=V_马克斯∙∆t,雨点点集P_k= {p_我、…p_j},P_k∈P计算在相应的空间。如果P_k=Φ(空集),这意味着没有雨滴的影响在当前位置,k= 1,2,…m。(3)附近的雨滴年代_k坚实的墙点解决P_k。最小欧氏距离计算之间的设置和雨滴年代_k。雨点点最小欧氏距离的决心与固体壁碰撞点。(4)雨荷载计算 ,法向量在哪里吗 。(5)t=t+∆t更新后,计算域雨,重复步骤(1)。

3.6。雨滴碰撞模型修改和墙

假设后,雨滴垂直结构,垂直方向的速度是零。单个球形雨滴的影响力量在一个坚实的墙可以计算脉冲定理使用大小,质量,最终速度,影响时间。 在哪里τ是时间的影响。

的数值模拟与雨滴冲击载荷D= 3.0毫米,= 50 m / s作为一个例子,高速冲击持续时间曲线和脉冲波形如图所示15。可以看出如下:(1)整个过程是影响在很短的时间内完成1e−4 s。最初的影响特征作为刚性冲击载荷。迅速爬到最大值后,雨滴产生弹性变形,并且负载出现下降缓慢。(2)它是通过脉冲加载分为两种类型:鉴于脉冲时间,计算冲击载荷;考虑到冲击载荷,脉冲时间计算。(3)根据分类(2),四个脉冲形式可以给:刚体的影响,脉冲时间τ= 0.5D/ ,冲击载荷 ;持续的影响,脉冲时间τ= 0.5D/ ,冲击载荷 ;雨滴的冲击荷载峰值计算脉冲负载 ;雨滴的平均负荷作为脉冲负载 。

最大冲击载荷如图16雨滴直径不同,所产生的影响,实体墙在最终下降速度24]。修正系数C_r= 0.7481,修正后的结果与数值计算结果吻合较好。

3.7。单雨滴冲击试验

为了实现雨滴的空间下降运动的考验和冲击载荷作用于整个过程的表面结构,使用的仪器、设备测试(见图17)和参数如下:(1)高速摄影机(Photron):采样频率10 kHz,拍摄照片的分辨率 。(2)压电传感器的最大射程5 N,测量精度0.5% fs,和128 kHz的采样频率;(3)吸管精度为0.5μl / 1μl;(4)滴管;(5)刻度尺;(6)填充光。

滴管孔径的大小直接决定雨滴的大小体积。十二个滴管选择不同直径的测试。校准后,雨滴的数量从4μl到42μl,当量直径为1.97毫米到4.31毫米,详细表4。液滴体积标定方法:(1)选择一个合适的吸管;(2)吸管吸入测试液体的体积;(3)与不同的滴管吸管直径;(4)慢慢的旋转旋钮的吸管,每个旋转1帧,放电一定体积的液体V₁(也就是说,吸管的准确性)。液体逐渐收敛到雨滴嘴滴管的表面张力;(5)当液滴发生下降,旋转的帧的数量记录K,也就是说,雨滴的体积V=K V₁;(6)每个雨滴都是重复至少3次,确保生成的雨滴的可重复性。

原理图的雨滴下降运动测试图18,吸管的滴管滴校准雨滴从两个山庄的H= 0.93米,H= 1.86 m,分别。在重力的共同作用下,空气浮力、表面张力雨滴下降,影响压电传感器与一个特定的最终速度。压电传感器是用来记录负载的整个持续时间的影响。高速摄影技术是用来记录前的过程影响和冲击破碎过程。测试网站的照片显示在图19。

一个覆盖程序的自动识别的形状和空间位置如图雨滴在不同的时刻20.拍摄了雨滴,红点,黑点是雨滴确定的形象。为了提高计算的准确性,消除局部异常的影响,第一个20雨滴的影响结构选择的照片,和距离l从它的中心点计算顶部的照片。相邻的图片的时间间隔是0.0001 s,和下降时间是0.002秒。最小二乘法的线性回归方法用于计算雨滴的最终速度。末速度的雨滴直径不同,从不同高度图所示21。冲击载荷持续时间曲线由压电传感器记录的雨滴图所示22。提取的最大冲击载荷的雨滴冲击载荷持续时间曲线。的最大冲击载荷F_钻井平台和F_p计算从雨滴质量和速度影响使用(9),并绘制成图23。可以看出,试验结果和理论计算F_p有一个更加一致的法律,误差小于10%。这个验证雨滴最大负载校正公式的正确性 。因此,雨滴脉冲负载在本文中被选中F_p。

4所示。分析计算结果的单元板雨负载

雨负荷预测程序是独立使用MATLAB编写。雨负荷计算单位面积的平板在不同降雨强度和风速的组合。

如图24、平板之间的水平距离和雨场满足条件的充分发展雨场受风场。当雨滴加速平板的位置,达到相同的速度随着风速,如图25。为了消除分层的现象和扩散运动期间雨场引起的重力,重力场计算中被忽略。从图可以看出26在雨中不同直径的雨滴粒子场完全没有分层混合和扩散。计算条件如表所示5,时间步长为0.01年代和50年代的持续时间。

为了研究的统计特征平板受到冲击载荷的雨滴,4800选择采样点,区间分为100个部件。概率统计后,进行规范化,发现它服从高斯分布。使用高斯分布函数拟合如图27。 在哪里f(x)是概率密度函数;μ预期的数量;σ标准偏差。

所有雨负载工作条件计算平均绘制图28。可以看出,雨荷载满足二次相同的降雨强度与风速的关系。雨负载的增加随降雨强度的增加,相同的风速。在同一风速、雨负载随降雨强度的增加。为了描述雨荷载的分散度,变异系数 介绍了。它可以看到从图分布的变异系数图29日,由于降雨强度的增加,单位体积的增加,雨滴的浓度和负载作用于板更均匀。因此,雨的分散度平板上的负载随降雨强度的增加而减小。

为了简化计算,促进工程社区的使用,雨滴冲击载荷是集成到统一的风荷载考虑,介绍了修正项,定义如下: 在哪里F_d雨荷载在结构;年代迎风面积。

从图可以看出30日(一)那几乎没有相关性与风速和降雨强度紧密相关R。为了简化公式,提高其实用性,降雨强度R中起主导作用 ,雨作为变量来适应负荷修正系数公式如下: 在哪里一个= 0.01206,b= 0.4488,RMSE = 0.003771。

高层访问,让塔研究了王et al。25)属于典型的大型外观配置。雨滴粒子在大尺度范围内的数量是巨大的,和商业软件的计算效率很低。三种降雨强度R= 64毫米/小时,R= 100毫米/ h和R= 200毫米/小时由小王给出。平板研究可以被认为是一个矩形的迎风面身体,也有类似的结构形式的高层三重塔。计算结果如图所示30日(一)。这项研究的计算结果是在良好的协议与开放的文学,表明雨荷载计算方法建立了本文是正确的。

指出,下雨负载本文采用瞬态冲击脉冲载荷叠加算法,这不同于长期平均动量算法。因为雨负载是一个典型的离散问题,动量场均忽略了雨负载的脉冲特征。从图可以看出30 (b)雨负荷定量明显低于平均算法获得的瞬态冲击载荷的叠加。

因此,结合风雨荷载的计算公式可以表示为结构 在哪里是风的阻力系数,为1.0。

5。结论和讨论

快速计算方法提出了雨负载结构和预测程序是独立开发的在这个研究。然后,雨荷载的计算单位面积的平板和计算结果的统计分析完成。主要结论如下:(1)自主研发的雨负荷预测程序结构能实现的预测风力雨水字段和雨荷载的计算结构。(2)雨的负载结构服从高斯分布,和分散度随降雨强度的增加而减小。(3)包括雨荷载的计算公式在风荷载的形式提出了校正系数,并给出修正系数的计算公式。(4)雨负荷修正系数降雨强度密切相关R,但与风速。

雨荷载计算方法在本文建立的极限载荷叠加瞬时雨负荷,适合当地的计算瞬态结构的极限荷载和雨压力。如果雨荷载的低频响应问题研究海洋的运动结构,然后长期平均动量算法应该用于雨负载。自雨负载是一个典型的离散问题,平均动量算法忽略了雨负载的脉冲特征。如何合理地增加脉冲特性的基础上平均动量算法需要进一步深入研究。脉动风的脉动将不可避免地导致雨,雨和结构性负载特征在脉动雨领域也值得研究的一个问题(26,27]。

数据可用性

本文设计的相关数据计算了自编程序根据数值算法。结束时,相应的参考20应用参考,和数据来自雨三⁃力量的压力分布与风⁃雨耦合环境连接的高楼大厦。j . Nanj。艾龙铝基合金。阿斯特朗。,52(05), 825–834.”

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究工作得到了国家高科技船舶研究项目(工业和信息化部[2019]357号)。