[发明专利]风驱雨量的有限区域计算方法

说明书

技术领域

本发明属于风工程技术领域，具体涉及一种风驱雨量的有限区域计算方法。

背景技术

在建筑领域，风驱雨对建筑墙面的作用会影响墙面的温湿特性，导致墙面受到侵蚀、径流污染，并发生霉变等，进而影响墙面使用寿命。同时，风驱雨对建筑墙面的润湿程度也是建筑热-空气-湿气交换模型的重要边界条件。定量描述建筑表面的风驱雨量分布对评估建筑墙面的风驱雨响应具有重要意义。

建筑墙面风驱雨量分布的研究手段主要包括实验测量方法、半经验方法和数值模拟方法。在3种方法中，数值模拟方法相比实验测量方法而言更易于开展，且不受天气条件限制，相比半经验方法而言则更为准确，因此已经成为国内外研究热点。

目前，风驱雨量的数值模拟方法主要基于欧拉-拉格朗日和欧拉-欧拉两类模型。在迄今有记录的降雨极值2286mm/h条件下，雨滴体积分数仅为4.2×10^-5，远小于10％。因此，欧拉-拉格朗日模型能更准确地模拟真实的风驱雨过程。欧拉-拉格朗日模型的主要思想是计算在连续介质风场中离散雨滴的运动过程，基于该模型的风驱雨量计算方法分为以下三步：首先，不考虑降雨，在给定的来流条件下求解Navier-Stokes方程，获得绕建筑物的风场；之后，确定离散雨滴的初始位置和初始速度，根据雨滴运动方程求解雨滴在风场中的运动轨迹；最后，根据雨滴轨迹起点和终点坐标计算建筑表面不同位置的特定收集率和收集率。其中，特定收集率表示某一直径雨滴在物面的风驱雨强度与在未受扰动水平面降雨强度之比；收集率表示将特定收集率按不同直径雨滴体积分数加权平均后的结果。

然而，当前基于欧拉-拉格朗日模型的风驱雨量计算方法需要的雨滴轨迹计算量很大。这是由于在计算雨滴轨迹时需要根据风场计算雨滴受力，再根据雨滴运动方程积分得到轨迹，在此过程中每一时间步均需要根据当地风速、雨滴速度、雨滴直径等参数计算雨滴所受阻力，使得单个雨滴轨迹的计算量很大。

更重要的是，现有方法需要计算大量雨滴的轨迹。在实际风雨环境下，建筑物绕流流场是连续场。根据雨滴运动方程可知，雨滴在流场作用下的运动轨迹满足一连续函数。当撞击到建筑墙面的雨滴数量很大时，可认为墙面收集率分布是近似连续的。而在数值计算中，由于计算的雨滴数量总是有限的，因此在计算收集率分布时必须采用离散化的思想，根据雨滴终点将墙面划分为多个不重叠的小区域，计算得到的特定收集率和收集率实际代表了某区域内的统计平均。因此，为更准确地获得各点风驱雨量，就需要不断增大雨滴数量，使得单个区域面积不断减小，从而使各区域收集率趋近于区域中心点的收集率，最终得到接近真实条件的收集率分布。基于该思想，现有方法往往需要计算很大数量的雨滴，以得到足够精确的收集率分布结果。又由于单个雨滴轨迹的计算量也很大，因此目前的风驱雨计算方法需要巨大的雨滴轨迹计算量。

发明内容

本发明提出一种风驱雨量的有限区域计算方法，与现有方法相比能够显著降低计算量，同时获得准确的收集率分布。

由于墙面收集率分布是连续的，因此若能构造出可描述收集率分布的连续函数，则可根据该连续函数获得墙面各点的收集率值。然而，由于流场的复杂性，收集率分布的连续函数无法直接通过理论推导得到，只能根据一定数量的样本点建立满足精度要求的重构函数。重构函数的样本点需要通过计算各区域收集率得到。本发明提供的风驱雨量的有限区域计算方法，对典型建筑外形建立满足精度要求的重构函数，所需样本点数量远小于当前基于欧拉-拉格朗日模型的风驱雨量计算方法所需计算的雨滴轨迹数量，即仅需将建筑墙面划分为较少数量的区域，即可通过各区域收集率建立能准确描述收集率分布的重构函数。基于所建立的重构函数，即可计算得到墙面角点、边界点和内部点的收集率值，进而得到整个墙面的收集率分布。

具体的，本发明提供的风驱雨量的有限区域计算方法，包括以下步骤：

步骤1：给定风场来流条件，求解Reynolds平均N-S方程(雷诺平均N-S方程)获得建筑绕流流场；

步骤2：对建筑选取待计算墙面，并对待计算墙面进行有限区域划分，计算以各有限区域角点为雨滴轨迹终点的雨滴轨迹；

步骤3：根据雨滴轨迹，计算各有限区域收集率，并将该收集率作为所述有限区域中心点处的收集率；

步骤4：根据各有限区域中心点坐标及其收集率，构造重构函数，再根据重构函数计算各有限区域角点收集率。