实验研究和数值模拟的雪堆上一个典型的大跨度可伸缩的屋顶

文摘

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。

1。介绍

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。

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[1]。然而,目前很难满足所有相似准则和几个人根据情况可能被忽略。数值模拟是受欢迎,近年来被广泛采用,因为他们是成本有效,高效和容易控制2]。此外,没有类似问题发生在研究使用模拟大型建筑。然而,许多基于数值模拟方法,并没有统一的标准,选择一个合适的方法是具有挑战性的。这是本研究的目标之一。

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。

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 [3)应用欧拉方法建立FLOW-3D模型探讨雪堆在雪栅栏,发现结果一致与测量。Okaze et al。4)提出了一种基于大涡模型的耦合仿真方法(LES)和拉格朗日方法和应用这种方法来模拟雪粒子迁移过程的发展在低风速。本研究发现,在初始阶段,雪粒子运输主要依赖于气流保持粒子的跳跃;随着时间的发展,造成的粒子飞溅和反弹碰撞粒子运输占据的主导地位。周et al。5]CFD-DEM方法应用于模拟雪堆屋顶上一个典型的走在2 d考虑雪粒子之间的凝聚力和碰撞,和雪分布验证是类似于现场测量和风洞测试。

Euler-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。

Uematsu et al。6)的分布进行了数值模拟的雪堆在雪栅栏。他们认为跳跃和悬浮过程的模拟,提出了一种三维(3 d)模拟产生结果接近野外观察。然而,该方法只考虑雪质量传递的速度,而忽略了风湍流的影响。在先前的研究中,研究人员更关心雪堆在地上。Beyers et al。7]FLOW-3D用来模拟雪堆多维数据集的长度2米左右。他们使用的标准k-ε模型和一种改进的墙函数考虑雪粒子的漂移的影响的有效长度上雪表面粗糙度的测量和比较结果与第四高市早在南极科学研究站。他们得出的结论是,雪堆的结果与测量值在良好的协议方面的形状和大小。Beyers和Waechter8]使用流利的模拟周围的雪堆并排两个立方建筑,建筑三个并排开销,和宿舍复杂的南极科学研究基地。嵌入式用户定义函数和网格变形模型改变随着时间的推移在雪堆由于雪沉积或侵蚀。虽然数值模拟的结果与测量在良好的协议,因为作者使用了k-ɛ湍流模型的模拟,该模型固有的缺陷,他们还认为,使用改进的two-equation模型时可以获得更好的结果。Tominaga et al。9)指出,先前的研究中使用的控制方程不能准确描述建筑周围流场的变化。边界条件阈值速度和雪相浓度等对仿真结果有很大的影响,并提出了一种新的方法基于雷诺时间变化率的方法(跑),验证了新方法的可靠性通过比较仿真结果的积雪分布在立方体的测量结果。

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。10进行了实地测量和数值模拟的曲线屋顶体育馆位于奥斯陆。太阳et al。11模拟大跨度屋顶膜上的雪堆和膜结构非均匀雪荷载下的力学性能也进行了研究。然而,大多数研究都集中在特定的建筑和研究模式的一般规则大跨度屋顶上的积雪分布很少被报道。考虑大跨度屋顶的形状的多样性,许多学者认为,这种结构与复杂的屋顶形状,数值模拟和风洞测试应确定积雪分布系数。

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。

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。

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1的“关闭”状态,只有可伸缩的屋顶通常被认为是由于建筑应该下雪时。验证数值模拟的准确性的雪荷载分布、水平可伸缩的屋顶模型进行实验来确定预测的准确性的整体和雪荷载分布规律雪堆在这样一个屋顶。最后,其他两个典型的可伸缩的屋顶的积雪分布研究了利用CFD方法。

2。数值方法和验证

2.1。控制方程

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(12];因此,在这项研究中使用的混合模型。

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(1)和(2)。假设只存在单向耦合之间的空气和雪阶段,动量方程和湍流的空气可以被看作是影响机载雪。

此外,雪相的连续性方程是由方程(3)[13]: 在哪里空气的密度和雪的混合物;是混合阶段的平均速度;是气相的体积分数(k= 1)和雪阶段(k= 2);p空气的压力场;和是混合动力粘度。

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。14)没有发现显著差异在不考虑相对滑移速度的结果。此外,很难保证其收敛在考虑之间的质量交换阶段,因此其作用被忽视的模拟。

2.2。沉积和侵蚀模型

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τ雪表面壁剪切应力超过阈值τ_t;否则,雪粒子保持静止。在数值模拟中,墙剪切应力τ被摩擦速度和定义为以下关系: 在哪里κ指的是卡门常数等于0.4z_年代的高度是空气动力学粗糙度雪表面,被设置为3.0×10⁻⁵m。雪质量通量的侵蚀问_ero简化为一个函数的雪堆的摩擦速度和结合强度。沉积通量问_部雪的函数计算分数吗f和降雪速度([15): 在哪里一个_ero是一个比例系数,设置为7.0×10−4;u_∗t是摩擦速度的阈值,设置为0.2米/秒(9];和是降雪速度,假定为0.2 m / s。

雪的厚度分布变化与侵蚀或沉积。在这种情况下,问_年代统一用于替换吗问_部或问_ero和雪的厚度分布随时间的变化计算如下: 在哪里γ是雪的最大体积分数阶段。

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(9]。在稳定的模拟,雪的侵蚀和沉积被认为是在稳定状态和单位时间变化率的积雪深度问_年代/ρ_年代保持不变。因此,集成在方程(6)成为 在哪里h₀是初始深度的雪。

2.3。流入边界条件

充分发展进风速度剖面确定幂律的简介: 在哪里和z₀分别参考速度和参考高度。

此外,湍流动能k和湍流动能耗散率ε也提供湍流特点: 在哪里C是被选中的经验系数为0.09和l和我紊流长度尺度和湍流强度,分别,这是由以下方程(16]:

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(z≤h_年代)和悬架(z≤h_年代)层表示为公式(12)和(13)根据实际测量了城堡和灰色和幽灵和男性17,18]: 在哪里u_p是雪粒子的平均速度在跳跃层设置为2.8吗u_∗t和h_年代的平均身高是跳跃层,它是由下列方程(17]:

注意,摩擦速度u_∗在流入边界应该超过临界摩擦速度发起雪堆。

2.4。湍流模型的优化和验证

在以前的研究中,各种湍流模型在雪堆模拟。Tominaga和Mochida19)使用的修改版本k-ε模型在雪里的模拟和比较结果与标准k-ε模型。Beyers et al。7)采用的标准k-ε模型和表示,有必要执行的关键检查不准确的影响在各向同性湍流的假设积雪和侵蚀。Okaze [20.开发了一种新k-ε模型,该模型包含了雪粒子在流场的影响,验证了新模型的准确性与风洞试验相比之下。尽管许多不同的湍流模型曾在文献中,这些模型所获得的结果与野外观察强有力的协议或测试数据。

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。21)用于野外观察进行的地面北海道理工学院(日本札幌)。一个模型的草图如图2和CFD仿真中使用的参数表中列出1。雪密度是150公斤/米³,雪粒子终端速度阈值是0.2 m / s,摩擦速度是0.2米/秒,并考虑到下雪时间不可用,并得到一个相对稳定,充分发展雪堆结果,以为下雪Δ持续时间吗t= 24小时采用的模拟。

图3比较了不同的湍流模型得到的归一化雪深测量沿线,摩擦速度的分布比率高于临界摩擦速度的降低屋顶。雪堆通过野外观察被分为四个部分根据其特点,明确评估。的x设在代表了屋顶上的相对位置,H是0.9米。的y在任何点设在表示归一化雪深,和年代和年代_d在任何点实测雪深和平均降雪,分别。漂流部分I和II表明,所有三种湍流模型低估了侵蚀的影响,并可实现的结果k-ε和k-kl-w野外观察报告的模型更接近雪堆的形状。风场不准确的估计极端的位置点侵蚀区。在第三和第四部分,比较模型获得的结果的可实现的k-ε模型取得了最近的分布场的观察和结果是更保守。其他两种方法对积雪估计不足。从上面的分析,可实现的结果k-ε与野外观察模型表现出更强的协议。因此,可实现的k-ε模型被选中作为随后的CFD模拟的湍流模型。

3所示。实验验证的雪堆水平可伸缩的屋顶

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。

3.1。实验系统

3.1.1。实验装置

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。

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4。它形成一个稳定的风场通过“转移”一节。降雪模拟器设置在雪风场提供一个稳定的环境和模拟自然降雪过程。此外,设备组装的结构类型,方便拆卸,拆卸和转换。稳定的风速范围0.5 - 11.5 m / s是用于测试区和自然雪粒子被用于实验(22]。

3.1.2。模型信息

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。

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5的固定屋顶为圆柱壳表面和中心部分形成了可伸缩的屋顶。此外,获得一个精确的积雪分布,测量点设置每5厘米水平投影面积。

3.1.3。相似准则和操作条件

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。

根据测试计划的法国气候风洞儒勒·凡尔纳(3许多相似之处),方程是根据弗劳德数决定,根据粒子在跳层迁移的数量。此外,风速和仿真时间的测试参数的基础上,建立了类似于方程(14)- (19),如雷诺数限制(23- - - - - -29日]: 在哪里l结构的参考长度,D_P颗粒直径,T实验所需的时间,ρ_p颗粒的密度,ρ空气密度,U和U₀是参考参考风速、风速和阈值。空气密度是1.341公斤/米³(当温度=−10°C),粒子密度的模型设置为910公斤/米³原型,这是设置为300公斤/米³(下标p代表原型和m代表模型)。此外,u_∗t是阈值摩擦速度,重力加速度,υ运动粘度,不同从1.32×10⁻⁵1.67×10⁻⁵米²年代⁻¹并设置为1.5×10⁻⁵米²年代⁻¹在这项研究中。

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6,比较真实和人造雪粒子的物理参数表提供2。

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 / m²,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(30.]。的监督点参考风速点位于离地面0.2米(对应于6米的高度典型的建筑屋顶)。根据相似性标准,实验风速为2.5米/秒(0.2米)的高度和实验参数如表所示3。显示在表4后,所有相似比率都满足每个参数降低了规模比除了价值 。类(25)指出,这个比例不需要相同的原型和模型,但比率应该是接近。在本节中,这个比例为原型和模型的价值大约1.01和1.002,分别。

3.1.4。实验条件的信息

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U(z参考风速U(R)和湍流强度在前面、中间实验平台上方和后方见图7。的y设在代表了横截面和高度x设在规范化风速和湍流强度。有一个小测试风速剖面和规范化的区别风速剖面;然而,伊斯兰教纪元(23]表明,风速剖面的形状没有发挥重要作用在控制的特点的雪堆雪栅栏风洞试验,对模型的雪堆模式与突然的高度变化,风速剖面的小变形是允许的。箱式雪通量设陷阱捕兽者利用设计经验总结的木村(31日];和雪通量沿高度在垂直平面上测量了额外的实验只有雪通量测试地面设陷阱捕兽者。雪通量沿垂直方向如图的实验8。的y设在代表平台和以上的高度x设在雪的体积流动过去一秒每平方米。在这种情况下,这是具有挑战性的考虑雪通量的相似性。考虑到实验集中在雪堆在屋顶上(离地面0.2米),它不可能有一个大的屋顶上的积雪分布和意想不到的影响尽管雪通量率低于0.2米高。因此,这种相似性被忽视了。

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。

风向图所示9。三个实验旨在研究风向的影响可伸缩的屋顶”时关闭。”表中列出的实验条件5。

3.2。CFD模拟的雪堆水平可伸缩的屋顶

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。

水平可伸缩的屋顶模型采用CFD模拟如图10和网格方案呈现在图11。表中提供的计算条件6和仿真条件表中列出7。最初的积雪深度设置为0.3米的雪荷载对应0.45 kN / m²(雪密度等于150公斤/米³)。

3.3。对比实验结果和CFD模拟

图12说明了仿真的结果分布的雪。雪荷载系数的比例是屋顶上的积雪的深度平均降雪年代_d(实验中,年代_d决心通过一个额外的实验进行了同样的时间在测试部分,但是没有任何障碍,至少10分间隔大于10厘米的实验模型区域应选择计算平均)。

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。

上面的高估可以解释根据风场图所示13。由于大的长度固定屋顶迎风一侧,风重新在前面,这引起了附近地区的风速较低,因为少量的雪是沉积在前面的屋顶。结附近的可移动的屋顶,风有一个小涡规模和低风速,因为雪发生沉积。背风一侧,由于风的回贴,中部地区和低风速,发生显著的雪堆。背风结在积雪的差异可能会因为在数值模拟获得,雪的积累所代表的时间积分根据雪沉积的速率/侵蚀。然而,尽管风速低足以让雪粒子在背风结解决,这个地区雪粒子的来源主要是背风屋顶上的反向流动,和更少的雪粒子可以进入这在降雪低速区。因此,大量的雪没有积累。

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°。

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14。屋顶的迎风面是加速区和风速相对较大;因此,几乎没有积雪。风场分离在背风侧的屁股,站在屋顶上形成涡流,所以大量积雪的存在。改变发生在屋顶的迎风面,原因可能是风速的实验是根据相似准则,以便减少雪堆发生反向区域前面的屋顶迎风的一面。

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。

数据15和16说明积雪分布沿红线当风方向0°、90°,分别。的x设在代表了屋顶上的相对位置,y在任何点设在表示归一化雪深,和年代和年代_d在任何点测量积雪深度和平均降雪,分别。很明显,积雪分布实验和CFD模拟的迎风面表现出相同的特征分布,但其极值略有不同,CFD模拟的最大积雪深度小于10%的实验。此外,通过比较积雪深度背风一侧,观察到的两个结果相互一致,除了雪深时高估了可伸缩的和固定屋顶之间的边境附近。然而,考虑到这种高估是保守,CFD模拟的结果是可以接受的。

图16表明,在迎风面数值模拟的结果显示严重侵蚀和积雪下面有一个0.6的系数测试;背风一侧,数值模拟表明,雪沉积的极端值大于5%,在实验中,和极值的位置都在范围内x/l₁= 0.9∼1.0。背风一侧的结果与实验结果吻合良好。

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。

4所示。结论

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:(我)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k-ε与野外观察的模型表现出更好的协议比其他模型的二维分布。(2)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。(3)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。(iv)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:(我)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。(2)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。

数据可用性

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。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

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)。

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