【摘 要】
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风致屋面积雪重分布产生的非均匀雪荷载是雪致建筑物倒塌事故产生的主要原因之一。为在设计阶段高效评估风致不均匀积雪荷载,采用基于计算流体力学(CFD)的数值模拟方法近年来在屋面积雪重分布分析中开始得到应用。由于雪相的侵蚀和沉积,积雪面处于动态变化中,导致屋面气动外形发生变化。常用的数值模拟方法采用网格重构或网格自适应对这种动态效应进行模拟,需要大量的网格处理工作量和计算量,降低了分析效率。一场真实的风
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风致屋面积雪重分布产生的非均匀雪荷载是雪致建筑物倒塌事故产生的主要原因之一。为在设计阶段高效评估风致不均匀积雪荷载,采用基于计算流体力学(CFD)的数值模拟方法近年来在屋面积雪重分布分析中开始得到应用。由于雪相的侵蚀和沉积,积雪面处于动态变化中,导致屋面气动外形发生变化。常用的数值模拟方法采用网格重构或网格自适应对这种动态效应进行模拟,需要大量的网格处理工作量和计算量,降低了分析效率。一场真实的风致积雪重分布过程可能持续数小时至几天,如果采用瞬态方法进行求解,计算耗时将是十分惊人的。为解决上述数值模拟难点,本文在屋面积雪重分布数值模拟方法上做了如下工作:通过脚本编写,实现了网格自动划分。该方法集成了生成背景网格,生成贴体网格和添加边界层三个功能,通过五个控制参数严格控制了计算域的大小和网格质量。选取了三种单跨屋面形式和四种双跨屋面形式,采用网格自动划分方法生成网格。检查网格质量后发现所有算例非正交度,最大偏斜度和最大纵横比均满足要求,说明网格自动划分方法对于简单屋面模型网格质量控制较好。由于在网格自动划分过程中,通过提前输入控制参数即可对网格质量完成控制,生成网格的计算耗时也较少,因此网格自动划分方法在反复调试网格方面效率较高。鉴于风致屋面积雪重分布数值模拟研究中,需要根据积雪的演化不断改变网格,采用本文的参数化、自动化的网格划分方法,将大大提高工作效率。根据准稳态求解思想,提出了准稳态自适应步进策略。该策略通过控制积雪演化相对残差,自动计算每个稳态子过程的等效物理时长,推进计算流程。与根据气象数据或风洞试验数据确定稳态子过程数量的方法相比,准稳态自适应步进策略可以在无现场实测或风洞试验数据的情况下进行计算,因此对于在设计初期评估屋面雪荷载有一定的优势。与根据最终雪质量运输率或积雪高度的相对残差确定稳态子过程数量的方法相比,准稳态自适应步进策略无需反复试算不同的划分数量,可以自动推进计算,节省了较多计算量。采用基于网格自动划分的准稳态自适应步进策略,对双坡屋面积雪重分布进行数值模拟研究。数值模拟结果与风洞试验吻合较好,验证了本文提出的方法的有效性和准确性。
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