[发明专利]风驱雨量的目标轨迹追踪计算方法

说明书

本发明公开了一种风驱雨量的目标轨迹追踪计算方法，属于风工程技术领域。所述计算方法包括，给定风场来流条件，求解雷诺平均N‑S方程获得建筑绕流流场；根据待计算区域建立虚平面，并计算样本轨迹在待计算区域或虚平面上的样本轨迹终点；利用代理模型方法，根据样本轨迹起点和样本轨迹终点建立关于雨滴起点和终点坐标关系的函数关系式；给定待计算区域上的雨滴轨迹终点坐标，计算雨滴轨迹起点坐标；求解雨滴运动方程，得到有效轨迹，根据有效轨迹计算该待计算区域的收集率分布。本发明实现了对建筑侧面、背风面及边界和角点区域收集率的准确计算，同时所需的雨滴轨迹计算量相比现有方法显著下降。

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目标轨迹追踪计算方法。

背景技术

风驱雨是风工程研究的一个热点问题，风驱雨的研究在建筑、交通等领域均具有重要意义。风驱雨会影响建筑墙面的保温性能，导致墙面发生霉变，甚至影响墙面使用寿命；风驱雨还可能影响高速列车、飞机等交通工具的运行安全。为评估风驱雨的影响，就需要确定风驱雨量的大小。

目前，采用数值模拟方法定量计算风驱雨量大小是国内外的研究热点。风驱雨数值模拟方法通常基于欧拉-拉格朗日和欧拉-欧拉两类模型。由于在实际降雨条件下雨滴所占体积分数远小于10％，不满足通常认为的采用欧拉-欧拉模型时各相体积分数应大于10％的要求，因此基于欧拉-拉格朗日模型的计算方法应用更为广泛，且通常认为该模型能够更准确地模拟风驱雨现象中雨滴的运动过程。在基于欧拉-拉格朗日模型的风驱雨计算方法中，首先需要获得建筑等研究对象的绕流流场。基于该流场，计算一定量离散雨滴的轨迹，其中一些轨迹应终止于待研究的物体表面。最后根据终止于物面的雨滴轨迹计算该面上的风驱雨量。表征风驱雨量大小的参数主要有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。

当前对建筑表面风驱雨量的研究主要考虑建筑迎风面的收集率分布，仅有少量研究对建筑侧面收集率分布进行了分析，对建筑背风面收集率分布则尚未见到研究报道。分析建筑绕流流场的速度分布特点可知，撞击到建筑侧面和背风面的雨滴数量所占比例小于撞击到建筑迎风面的雨滴。由于当前基于欧拉-拉格朗日模型的计算方法需要待计算表面具有一定数量的雨滴以保证收集率计算精度，因此若要准确计算建筑侧面和背风面的收集率分布，需要计算的雨滴数量比仅计算建筑迎风面时所需雨滴数量更大，导致计算量巨大。

另外，在建筑迎风面的收集率分布在边界和角点处具有较大梯度，为准确计算边界、角点等区域的收集率，当前方法需要在这些区域计算更多雨滴轨迹，以减小根据雨滴终点所划分区域的面积，提高收集率计算精度。然而由于建筑绕流流场复杂，当前的雨滴轨迹计算方法无法直接确定合适的雨滴初始条件来保证雨滴终点位于边界和角点区域，只能通过在可能的范围内计算大量雨滴轨迹，以提高终点落入关心区域的雨滴轨迹数量。

由以上分析可见，若采用当前基于欧拉-拉格朗日模型的计算方法研究建筑侧面和背风面以及边界和角点区域的收集率分布，则需要计算巨量的雨滴轨迹，且难以保证收集率计算的准确性。

发明内容

本发明提出一种风驱雨量的目标轨迹追踪计算方法，通过建立新的雨滴轨迹计算方法，实现对建筑侧面、背风面及边界和角点区域收集率的准确计算，同时所需的雨滴轨迹计算量相比现有方法显著下降。

对于建筑侧面、背风面、边界、角点等区域而言，采用现有方法计算雨滴轨迹难以保证有足够数量的雨滴落在所关心区域内。本发明提供的目标轨迹追踪计算方法则预先给定雨滴终点，并通过建立描述雨滴起点和终点位置关系的模型来计算恰好终止于给定终点的雨滴轨迹。采用本发明的方法，只需确定合理的雨滴终点位置，即能得到准确的收集率分布。