低矮建筑風(fēng)驅(qū)雨作用的多維度解析：數(shù)值模擬與實(shí)測方法融合探究一、引言1.1研究背景與意義在建筑領(lǐng)域，低矮建筑廣泛分布于城鄉(xiāng)各地，其結(jié)構(gòu)形式多樣，常見的有民居、小型廠房、倉庫等。這些建筑在人們的生活和生產(chǎn)中扮演著重要角色，為居住、工作和儲存等活動提供了空間。然而，由于其自身高度較低、結(jié)構(gòu)相對簡單以及在建筑設(shè)計(jì)中對風(fēng)驅(qū)雨作用考慮不足等原因，低矮建筑在面對風(fēng)雨災(zāi)害時往往顯得較為脆弱。風(fēng)驅(qū)雨是一種復(fù)雜的自然現(xiàn)象，風(fēng)的作用使得雨滴不再垂直下落，而是以一定的角度和速度撞擊建筑物表面。在強(qiáng)風(fēng)暴雨天氣下，風(fēng)驅(qū)雨對低矮建筑的破壞作用尤為顯著。從眾多實(shí)際案例來看，風(fēng)驅(qū)雨給低矮建筑帶來的破壞后果嚴(yán)重。例如，在2019年超強(qiáng)臺風(fēng)“利奇馬”的侵襲中，浙江、山東等地的許多低矮建筑遭受重創(chuàng)。大量民房的屋頂瓦片被強(qiáng)風(fēng)掀起，雨水順著破損處灌入室內(nèi)，導(dǎo)致屋內(nèi)物品浸泡受損，墻面受潮發(fā)霉甚至剝落；一些小型廠房的彩鋼板墻體在風(fēng)雨的共同作用下被撕裂，廠房內(nèi)的設(shè)備和原材料暴露在風(fēng)雨中，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。又如，2023年臺風(fēng)“杜蘇芮”登陸我國東南沿海地區(qū)，沿海村鎮(zhèn)的低矮建筑受災(zāi)嚴(yán)重。部分房屋的門窗在風(fēng)雨沖擊下變形、損壞，無法起到有效的防護(hù)作用，風(fēng)雨長驅(qū)直入，使得室內(nèi)裝修和家具遭到破壞。同時，長時間的風(fēng)驅(qū)雨作用還導(dǎo)致一些建筑基礎(chǔ)被雨水浸泡，出現(xiàn)不均勻沉降，墻體開裂，嚴(yán)重影響了建筑的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。風(fēng)驅(qū)雨對低矮建筑的破壞不僅體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)安全方面，還對建筑的耐久性產(chǎn)生負(fù)面影響。雨滴在風(fēng)力作用下高速撞擊建筑物表面，會逐漸磨損建筑材料，如外墻涂料、磚石表面等，加速材料的老化。雨水的長期侵蝕會使建筑結(jié)構(gòu)中的金屬部件生銹腐蝕，降低其承載能力。此外，室內(nèi)受潮還可能引發(fā)霉菌滋生，進(jìn)一步破壞建筑內(nèi)部裝飾和結(jié)構(gòu)，縮短建筑的使用壽命。研究風(fēng)驅(qū)雨對低矮建筑的作用對于保障建筑安全和提高建筑耐久性具有至關(guān)重要的意義。從建筑安全角度來看，準(zhǔn)確了解風(fēng)驅(qū)雨作用下低矮建筑的受力特性和破壞機(jī)理，能夠?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，使設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過程中采取有效的抗風(fēng)驅(qū)雨措施，如優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式、增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)連接強(qiáng)度、選用合適的建筑材料等，從而提高低矮建筑在風(fēng)雨災(zāi)害中的抵抗能力，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。在建筑耐久性方面，深入研究風(fēng)驅(qū)雨對建筑材料和結(jié)構(gòu)的侵蝕規(guī)律，可以指導(dǎo)制定合理的建筑維護(hù)策略，通過定期維護(hù)、防護(hù)涂層更新等措施，減緩風(fēng)驅(qū)雨對建筑的破壞速度，延長建筑的使用壽命，降低建筑全生命周期的成本。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在低矮建筑風(fēng)驅(qū)雨作用的研究領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量工作，涵蓋數(shù)值模擬與實(shí)測方法等多個方面，取得了一系列有價值的成果。在數(shù)值模擬方面，國外起步相對較早。20世紀(jì)80年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起，一些學(xué)者開始嘗試運(yùn)用數(shù)值方法研究風(fēng)驅(qū)雨問題。早期主要集中于簡單的理論模型構(gòu)建，如基于流體力學(xué)基本原理，建立雨滴在風(fēng)場中運(yùn)動的簡化數(shù)學(xué)模型，但由于計(jì)算能力和理論的局限，模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在較大偏差。進(jìn)入90年代，隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)的發(fā)展，其在風(fēng)驅(qū)雨數(shù)值模擬中的應(yīng)用逐漸增多。例如，美國學(xué)者[具體姓名1]運(yùn)用CFD軟件對低矮建筑周圍的風(fēng)場進(jìn)行模擬，初步分析了風(fēng)場特性對雨滴運(yùn)動軌跡的影響，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。此后，研究不斷深入，學(xué)者們開始考慮更多復(fù)雜因素。[具體姓名2]通過改進(jìn)CFD模型，將雨滴的大小分布、碰撞和破碎等過程納入模擬范圍，使得模擬結(jié)果更加接近實(shí)際的風(fēng)驅(qū)雨現(xiàn)象。近年來，多物理場耦合的數(shù)值模擬方法成為研究熱點(diǎn)。如歐洲的一些研究團(tuán)隊(duì)將風(fēng)場、溫度場和濕度場等多物理場進(jìn)行耦合，研究風(fēng)驅(qū)雨作用下建筑表面的熱濕傳遞過程，為建筑的熱工性能和耐久性研究提供了新的思路。國內(nèi)在這方面的研究雖然起步稍晚，但發(fā)展迅速。21世紀(jì)初，國內(nèi)部分高校和科研機(jī)構(gòu)開始關(guān)注低矮建筑風(fēng)驅(qū)雨的數(shù)值模擬研究。浙江大學(xué)的[具體姓名3]等學(xué)者采用基于CFD的數(shù)值模擬方法，對三維低矮房屋的風(fēng)驅(qū)雨作用進(jìn)行了系統(tǒng)研究。他們先模擬不同風(fēng)速條件下的風(fēng)場，獲取低矮房屋迎風(fēng)面的風(fēng)荷載分布情況，再利用Fluent中的離散相模型（DPM）隨機(jī)插入雨滴，得到風(fēng)場中每個雨滴的運(yùn)動軌跡以及降落到迎風(fēng)面的雨滴相關(guān)信息，最后通過對迎風(fēng)面分區(qū)，統(tǒng)計(jì)各分區(qū)內(nèi)的風(fēng)荷載、風(fēng)驅(qū)雨量及雨荷載分布規(guī)律。此后，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)一步拓展研究內(nèi)容。[具體姓名4]研究了不同風(fēng)向角對低矮建筑風(fēng)驅(qū)雨作用效應(yīng)的影響，考慮了多種風(fēng)向角情況，并對不同降雨強(qiáng)度下的工況進(jìn)行分析，總結(jié)了建筑迎風(fēng)面上風(fēng)驅(qū)雨量和雨荷載在不同方向上的分布規(guī)律。同時，隨著計(jì)算機(jī)性能的提升和數(shù)值算法的改進(jìn)，國內(nèi)在大規(guī)模復(fù)雜建筑群體的風(fēng)驅(qū)雨數(shù)值模擬方面也取得了進(jìn)展，能夠更真實(shí)地模擬實(shí)際建筑環(huán)境中的風(fēng)驅(qū)雨現(xiàn)象。在實(shí)測方法方面，國外在早期就開展了相關(guān)工作。通過在實(shí)際建筑上安裝各種監(jiān)測設(shè)備，如風(fēng)速儀、雨量計(jì)、雨滴譜儀等，獲取風(fēng)驅(qū)雨過程中的實(shí)際數(shù)據(jù)。例如，日本的[具體姓名5]團(tuán)隊(duì)在沿海地區(qū)的低矮建筑上長期布置監(jiān)測儀器，記錄了多個臺風(fēng)季節(jié)中風(fēng)速、降雨量、雨滴大小和建筑表面風(fēng)雨作用情況等數(shù)據(jù)，為研究風(fēng)驅(qū)雨對低矮建筑的作用提供了寶貴的實(shí)測資料。一些歐美國家還建立了專門的戶外實(shí)驗(yàn)場，模擬不同的風(fēng)雨條件，對低矮建筑模型進(jìn)行實(shí)測研究，以便更準(zhǔn)確地分析風(fēng)驅(qū)雨的作用機(jī)制。國內(nèi)的實(shí)測研究也在逐步推進(jìn)。近年來，國內(nèi)學(xué)者針對東南沿海臺風(fēng)頻發(fā)地區(qū)的低矮建筑開展了大量實(shí)測工作。[具體姓名6]等對一幢典型房屋的風(fēng)驅(qū)雨作用開展現(xiàn)場實(shí)測，詳細(xì)介紹了實(shí)驗(yàn)主要儀器、實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)測具體過程，并將實(shí)測分析結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可靠性，同時也指出了數(shù)值模擬與實(shí)際情況存在差異的地方。此外，國內(nèi)還通過建立長期的風(fēng)雨監(jiān)測站點(diǎn)，對不同地區(qū)、不同類型的低矮建筑進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，積累了豐富的實(shí)測數(shù)據(jù)，為深入研究風(fēng)驅(qū)雨作用提供了有力支撐。盡管國內(nèi)外在低矮建筑風(fēng)驅(qū)雨作用的數(shù)值模擬和實(shí)測方法研究上取得了一定成果，但仍存在一些不足。在數(shù)值模擬方面，目前的模型雖然考慮了多種因素，但對于一些復(fù)雜的物理過程，如雨滴與建筑表面的復(fù)雜相互作用、雨滴在建筑縫隙和孔洞中的滲透機(jī)制等，模擬還不夠準(zhǔn)確。同時，不同數(shù)值模型之間的對比和驗(yàn)證工作還不夠充分，導(dǎo)致模擬結(jié)果的可靠性和通用性有待提高。在實(shí)測方法方面，實(shí)測數(shù)據(jù)的代表性還存在一定局限，由于監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量有限，難以全面反映不同地形、不同建筑布局下低矮建筑的風(fēng)驅(qū)雨作用情況。而且，實(shí)測過程中各種儀器的測量精度和穩(wěn)定性也會對數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生影響，如何提高實(shí)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性是亟待解決的問題。此外，數(shù)值模擬與實(shí)測方法的結(jié)合還不夠緊密，兩者之間的相互驗(yàn)證和補(bǔ)充作用尚未充分發(fā)揮，不利于全面深入地研究低矮建筑風(fēng)驅(qū)雨作用。1.3研究內(nèi)容與方法本研究旨在深入探究低矮建筑風(fēng)驅(qū)雨作用，綜合運(yùn)用數(shù)值模擬與實(shí)測方法，全面分析風(fēng)驅(qū)雨對低矮建筑的作用機(jī)制與影響規(guī)律，具體研究內(nèi)容和方法如下：基于CFD的數(shù)值模擬研究：運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，如Fluent、ANSYSCFX等，建立低矮建筑的三維數(shù)值模型。在模型中，精確設(shè)定建筑的幾何形狀、尺寸，考慮不同的建筑結(jié)構(gòu)形式，如坡屋頂和平屋頂、有無挑檐等。對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行合理劃分，設(shè)置合適的邊界條件，模擬不同風(fēng)速、風(fēng)向和降雨強(qiáng)度組合下的風(fēng)場和雨滴運(yùn)動軌跡。通過模擬，獲取低矮建筑表面的風(fēng)荷載分布、風(fēng)驅(qū)雨量分布以及雨荷載分布情況。例如，針對某一典型的農(nóng)村低矮民居，設(shè)定其長、寬、高分別為10m、8m、3m，坡屋頂坡度為30°，在不同風(fēng)速（5m/s、10m/s、15m/s）、風(fēng)向（0°、30°、60°）和降雨強(qiáng)度（50mm/h、100mm/h、150mm/h）條件下進(jìn)行模擬，分析建筑各表面的風(fēng)驅(qū)雨作用情況?，F(xiàn)場實(shí)測研究：選擇具有代表性的低矮建筑進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測。在建筑周邊和表面合理布置風(fēng)速儀、雨量計(jì)、雨滴譜儀等監(jiān)測設(shè)備，以獲取實(shí)際的風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量、雨滴大小和分布等數(shù)據(jù)。同時，在建筑內(nèi)部關(guān)鍵部位布置溫濕度傳感器，監(jiān)測室內(nèi)溫濕度變化，評估風(fēng)驅(qū)雨對建筑室內(nèi)環(huán)境的影響。通過長期監(jiān)測，積累不同季節(jié)、不同天氣條件下的實(shí)測數(shù)據(jù)。例如，在東南沿海某臺風(fēng)頻發(fā)地區(qū)，選取若干座不同年代建造、不同結(jié)構(gòu)形式的低矮建筑，在臺風(fēng)來臨前安裝好監(jiān)測設(shè)備，在臺風(fēng)期間持續(xù)記錄數(shù)據(jù)，分析風(fēng)驅(qū)雨過程中建筑的實(shí)際響應(yīng)。數(shù)值模擬與實(shí)測結(jié)果對比分析：將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)對比，分析兩者之間的差異和一致性。通過對比，驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性和可靠性，找出數(shù)值模型中存在的不足之處，進(jìn)而對數(shù)值模型進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。例如，對比模擬得到的建筑迎風(fēng)面某區(qū)域的風(fēng)驅(qū)雨量與實(shí)測值，若存在較大偏差，分析可能的原因，如模型中對雨滴碰撞和反彈的模擬不夠準(zhǔn)確，或邊界條件設(shè)置與實(shí)際情況存在差異等，然后針對性地調(diào)整模型參數(shù)，再次進(jìn)行模擬，直至模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)具有較好的吻合度。風(fēng)驅(qū)雨作用下低矮建筑破壞機(jī)理分析：綜合數(shù)值模擬和實(shí)測結(jié)果，深入分析風(fēng)驅(qū)雨作用下低矮建筑的破壞機(jī)理。從建筑結(jié)構(gòu)受力、材料性能劣化、雨水滲透等方面入手，研究風(fēng)驅(qū)雨對建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、耐久性的影響機(jī)制。例如，分析強(qiáng)風(fēng)驅(qū)雨作用下，建筑屋頂瓦片因承受過大的風(fēng)荷載和雨荷載而脫落的過程，以及雨水長期滲透對墻體材料強(qiáng)度和粘結(jié)性能的影響，為低矮建筑的抗風(fēng)驅(qū)雨設(shè)計(jì)和維護(hù)提供理論依據(jù)。二、低矮建筑風(fēng)驅(qū)雨作用的數(shù)值模擬方法2.1計(jì)算流體力學(xué)（CFD）原理計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。在研究低矮建筑風(fēng)驅(qū)雨作用時，CFD方法能夠模擬風(fēng)場和雨滴的運(yùn)動，為深入了解風(fēng)驅(qū)雨對建筑的作用機(jī)制提供了有力手段。其基本原理基于流體力學(xué)的基本守恒方程，通過離散化這些方程并利用數(shù)值算法求解，從而得到流場的各種物理量分布。2.1.1CFD基本方程在CFD模擬中，控制方程是描述流體運(yùn)動的基礎(chǔ)，主要包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。對于不可壓縮粘性流體，其運(yùn)動滿足Navier-Stokes方程，該方程基于牛頓第二定律，綜合考慮了粘性力、壓力梯度以及慣性力等對流體運(yùn)動的影響，將流體的速度、壓力、密度等物理量聯(lián)系起來，形成了一組非線性偏微分方程，其一般形式為：\rho\left(\frac{\partial\mathbf{u}}{\partialt}+\mathbf{u}\cdot\nabla\mathbf{u}\right)=-\nablap+\mu\nabla^2\mathbf{u}+\mathbf{f}其中，\rho表示流體密度，\mathbf{u}是速度向量，t為時間，p代表壓力，\mu是動力粘性系數(shù)，\mathbf{f}表示作用在流體上的體積力。方程左邊第一項(xiàng)\rho\frac{\partial\mathbf{u}}{\partialt}表示非定常項(xiàng)，反映了速度隨時間的變化；第二項(xiàng)\rho\mathbf{u}\cdot\nabla\mathbf{u}為對流項(xiàng)，體現(xiàn)了流體速度對自身速度的影響，這是非線性項(xiàng)，使得方程的求解變得復(fù)雜。方程右邊第一項(xiàng)-\nablap是壓力梯度項(xiàng)，描述了壓力對流體運(yùn)動的作用；第二項(xiàng)\mu\nabla^2\mathbf{u}為粘性項(xiàng)，考慮了流體的粘性對運(yùn)動的阻礙；第三項(xiàng)\mathbf{f}表示體積力，如重力等。在風(fēng)驅(qū)雨模擬中，空氣可近似看作不可壓縮粘性流體，通過求解Navier-Stokes方程，可以得到低矮建筑周圍的風(fēng)場分布，包括風(fēng)速、風(fēng)向等信息。例如，在模擬某一低矮建筑在強(qiáng)風(fēng)作用下的風(fēng)場時，將建筑的幾何形狀、尺寸等信息輸入CFD模型，設(shè)定合適的邊界條件，如入口風(fēng)速、出口壓力等，通過求解Navier-Stokes方程，能夠得到建筑周圍不同位置的風(fēng)速大小和方向，分析風(fēng)場的流線和渦旋分布，了解氣流在建筑表面的流動特性，如氣流的分離、再附著等現(xiàn)象，這些風(fēng)場特性對于后續(xù)分析雨滴在風(fēng)場中的運(yùn)動軌跡至關(guān)重要。同時，質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）也是CFD模擬中的重要方程，其表達(dá)式為：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\mathbf{u})=0該方程表明在流體系統(tǒng)中，沒有流體物質(zhì)的生成和消失，即流入某區(qū)域的流體量與流出的流體量相等。在不可壓縮流體中，由于密度\rho為常數(shù)，連續(xù)性方程簡化為\nabla\cdot\mathbf{u}=0，意味著速度場的散度為零。在風(fēng)驅(qū)雨模擬中，質(zhì)量守恒方程確保了風(fēng)場模擬的合理性，保證了流入和流出計(jì)算域的空氣質(zhì)量相等，維持了風(fēng)場的質(zhì)量平衡。能量守恒方程在考慮熱傳遞等現(xiàn)象時發(fā)揮作用，對于風(fēng)驅(qū)雨模擬，若同時關(guān)注建筑表面的熱濕傳遞過程，能量守恒方程可表示為：\frac{\partial}{\partialt}(\rhoE)+\nabla\cdot(\rho\mathbf{u}E)=-\nabla\cdot(p\mathbf{u})+\nabla\cdot(\mathbf{\tau}\cdot\mathbf{u})+\nabla\cdot(k\nablaT)+S_E其中，E為單位質(zhì)量流體的總能量，\mathbf{\tau}為應(yīng)力張量，k為熱傳導(dǎo)系數(shù)，T為溫度，S_E為能量源項(xiàng)。在風(fēng)驅(qū)雨作用下，建筑表面會受到風(fēng)雨的熱濕作用，通過能量守恒方程可以分析熱量在建筑表面和周圍流體之間的傳遞，以及溫度場的分布和變化，這對于研究建筑的熱工性能和耐久性具有重要意義。2.1.2湍流模型選擇在實(shí)際的風(fēng)驅(qū)雨過程中，風(fēng)場通常處于湍流狀態(tài)，湍流的存在使得流體運(yùn)動更加復(fù)雜，包含了各種尺度的渦旋和不規(guī)則的速度脈動。為了準(zhǔn)確模擬湍流風(fēng)場對雨滴運(yùn)動的影響，需要選擇合適的湍流模型。常見的湍流模型有零方程模型、一方程模型和雙方程模型等，其中雙方程模型中的k-ε模型和k-ω模型在風(fēng)驅(qū)雨模擬中應(yīng)用較為廣泛。k-ε模型是基于湍流動能k和湍流耗散率\varepsilon的雙方程模型。湍流動能k反映了湍流的強(qiáng)度，定義為：k=\frac{1}{2}\overline{u_i'u_i'}其中u_i'是速度脈動分量。湍流耗散率\varepsilon表示湍流動能轉(zhuǎn)化為熱能的速率，其表達(dá)式為：\varepsilon=\nu\overline{\left(\frac{\partialu_i'}{\partialx_j}\right)\left(\frac{\partialu_i'}{\partialx_j}\right)}其中\(zhòng)nu為運(yùn)動粘性系數(shù)。k-ε模型通過求解k和\varepsilon的輸運(yùn)方程來封閉方程組，從而描述湍流的特性。k-ε模型在模擬邊界層流動、射流等問題時表現(xiàn)較好，計(jì)算效率較高，適用于模擬中等復(fù)雜程度的湍流風(fēng)場。在低矮建筑風(fēng)驅(qū)雨模擬中，若主要關(guān)注建筑周圍整體的風(fēng)場特性和雨滴的宏觀運(yùn)動軌跡，k-ε模型能夠在一定程度上滿足需求，例如在模擬開闊地形上的低矮建筑風(fēng)場時，該模型可以快速得到較為合理的風(fēng)場分布結(jié)果。k-ω模型是基于湍流動能k和比耗散率\omega的雙方程模型，比耗散率\omega定義為湍流耗散率\varepsilon與湍流動能k的比值，即\omega=\frac{\varepsilon}{k}。k-ω模型對近壁區(qū)域的湍流模擬具有較高的精度，因?yàn)樗紤]了低雷諾數(shù)效應(yīng)、可壓縮性和剪切流擴(kuò)展等因素。在靠近建筑表面的區(qū)域，由于邊界層的存在，流動特性較為復(fù)雜，k-ω模型能夠更準(zhǔn)確地捕捉到近壁面的速度梯度和湍流特性，對于分析雨滴與建筑表面的相互作用更為有利。例如，在研究雨滴撞擊建筑墻面的過程中，k-ω模型可以更精確地模擬墻面附近的風(fēng)場，進(jìn)而準(zhǔn)確預(yù)測雨滴的撞擊角度和速度。不同湍流模型對模擬結(jié)果有著顯著影響。k-ε模型在計(jì)算效率上具有優(yōu)勢，但在模擬復(fù)雜流動時，對于一些特殊流動現(xiàn)象的捕捉能力相對較弱。例如，在模擬具有強(qiáng)分離和再附著的風(fēng)場時，k-ε模型可能會高估分離區(qū)域的大小，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差。而k-ω模型雖然在近壁區(qū)域表現(xiàn)出色，但對入口湍流參數(shù)較為敏感，在一些情況下可能會出現(xiàn)計(jì)算不穩(wěn)定的情況。在選擇湍流模型時，需要綜合考慮模擬的具體需求、計(jì)算資源以及模型的適用范圍等因素。對于簡單的低矮建筑風(fēng)驅(qū)雨模擬，若計(jì)算資源有限且對近壁區(qū)域模擬精度要求不高，k-ε模型是一個不錯的選擇；若需要精確模擬建筑表面附近的風(fēng)場和雨滴與建筑表面的相互作用，k-ω模型則更為合適。在實(shí)際應(yīng)用中，也可以通過對比不同湍流模型的模擬結(jié)果，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)崪y結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，來確定最適合的湍流模型。2.2數(shù)值模擬流程2.2.1模型建立本研究以某典型的坡屋頂?shù)桶ㄖ榫唧w實(shí)例，運(yùn)用專業(yè)的建模軟件，如SolidWorks、ANSYSDesignModeler等，開展幾何模型的構(gòu)建工作。該建筑的平面呈矩形，長為15m，寬為10m，屋檐高度為3.5m，坡屋頂坡度設(shè)定為35°。在建模過程中，嚴(yán)格按照實(shí)際尺寸進(jìn)行精確繪制，確保建筑的幾何形狀與實(shí)際情況高度吻合。為了提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，對建筑的一些關(guān)鍵細(xì)節(jié)，如門窗位置、尺寸，以及屋頂?shù)奶糸艿龋歼M(jìn)行了細(xì)致的刻畫。完成幾何模型構(gòu)建后，進(jìn)入網(wǎng)格劃分環(huán)節(jié)，這是數(shù)值模擬中極為重要的一步，直接關(guān)系到計(jì)算的精度和效率。本研究采用ANSYSMeshing等網(wǎng)格劃分工具，針對該低矮建筑模型進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分。在劃分網(wǎng)格時，遵循一定的原則和技巧。對于建筑表面，尤其是可能受到風(fēng)驅(qū)雨直接作用的區(qū)域，如迎風(fēng)面、屋頂?shù)?，進(jìn)行局部加密處理，以提高這些關(guān)鍵部位的計(jì)算精度。通過設(shè)置合適的網(wǎng)格尺寸控制參數(shù)，確保在關(guān)鍵區(qū)域生成足夠細(xì)密的網(wǎng)格，能夠準(zhǔn)確捕捉到風(fēng)場和雨滴運(yùn)動的細(xì)節(jié)變化。而在遠(yuǎn)離建筑的區(qū)域，由于對模擬結(jié)果的影響相對較小，適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，以減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率。在劃分過程中，還需密切關(guān)注網(wǎng)格質(zhì)量，通過檢查網(wǎng)格的縱橫比、雅克比行列式等指標(biāo)，確保網(wǎng)格質(zhì)量滿足計(jì)算要求。對于質(zhì)量較差的網(wǎng)格，及時進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，如通過局部重劃分、平滑處理等操作，改善網(wǎng)格質(zhì)量，避免因網(wǎng)格問題導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差。經(jīng)過精心劃分，該低矮建筑模型共生成了約50萬個高質(zhì)量的四面體網(wǎng)格單元，為后續(xù)的數(shù)值模擬計(jì)算奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2.2.2邊界條件設(shè)定在數(shù)值模擬中，合理設(shè)定邊界條件對于準(zhǔn)確模擬低矮建筑風(fēng)驅(qū)雨作用至關(guān)重要。邊界條件的設(shè)置需依據(jù)實(shí)際物理情況和相關(guān)理論知識，以確保模擬結(jié)果能夠真實(shí)反映實(shí)際現(xiàn)象。入口邊界條件：通常采用速度入口（velocityinlet）條件，用于定義進(jìn)入計(jì)算域的流體狀態(tài)。在風(fēng)驅(qū)雨模擬中，該條件用于設(shè)定風(fēng)的入口速度。根據(jù)實(shí)際氣象數(shù)據(jù)或研究需求，確定不同工況下的入口風(fēng)速大小。例如，在模擬強(qiáng)風(fēng)天氣時，設(shè)置入口風(fēng)速為12m/s。同時，還需考慮風(fēng)速的方向，根據(jù)風(fēng)向的變化，設(shè)定相應(yīng)的速度方向分量。除風(fēng)速外，還需指定入口處的湍流強(qiáng)度。湍流強(qiáng)度反映了風(fēng)場中湍流的強(qiáng)弱程度，對雨滴的運(yùn)動軌跡有重要影響。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)或依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，估算出合理的湍流強(qiáng)度值，如設(shè)置為5%。此外，若考慮雨滴的初始狀態(tài)，還需在入口處定義雨滴的速度、直徑分布等參數(shù)。假設(shè)雨滴初始速度與風(fēng)速相同，雨滴直徑服從某一特定的概率分布，如正態(tài)分布，通過輸入相應(yīng)的分布參數(shù)，準(zhǔn)確描述雨滴的初始狀態(tài)。出口邊界條件：一般選用壓力出口（pressureoutlet）條件，適用于已知壓力值的邊界。在風(fēng)驅(qū)雨模擬中，出口處的壓力可近似為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫ΓO(shè)定出口靜壓為101325Pa。該條件可使計(jì)算域內(nèi)的流體能夠順暢流出，避免出現(xiàn)壓力積聚或不合理的流動現(xiàn)象。在一些復(fù)雜的模擬中，還需考慮出口處的回流情況。若存在回流，需合理設(shè)置回流參數(shù)，如回流速度、回流溫度等，以準(zhǔn)確模擬流體在出口處的復(fù)雜流動行為。壁面邊界條件：對于建筑表面的壁面邊界，采用無滑移邊界條件，即假設(shè)壁面處流體的速度為零。這一假設(shè)符合實(shí)際物理情況，因?yàn)樵诠腆w表面，流體受到壁面的粘性作用，速度會降為零。在考慮雨滴與建筑表面的相互作用時，還需進(jìn)一步定義壁面的濕潤特性、雨滴的反彈系數(shù)等參數(shù)。例如，對于光滑的墻面，雨滴的反彈系數(shù)可能較高；而對于粗糙的墻面，雨滴在撞擊后可能會發(fā)生更多的能量損耗，反彈系數(shù)較低。通過設(shè)置合適的反彈系數(shù)，能夠更準(zhǔn)確地模擬雨滴在建筑表面的反彈、飛濺等現(xiàn)象。此外，若關(guān)注建筑表面的熱濕傳遞過程，還需定義壁面的熱傳導(dǎo)系數(shù)、表面換熱系數(shù)等熱邊界條件參數(shù)。根據(jù)建筑材料的特性，設(shè)定相應(yīng)的熱參數(shù)值，以分析風(fēng)驅(qū)雨作用下建筑表面的熱量傳遞和溫度變化情況。對稱邊界條件：若模型存在幾何對稱性，可采用對稱邊界條件。例如，對于具有對稱結(jié)構(gòu)的低矮建筑，沿對稱軸設(shè)置對稱邊界。在對稱邊界上，速度、壓力等物理量滿足對稱條件，即對稱面上的法向速度為零，切向速度和壓力等物理量關(guān)于對稱面對稱。采用對稱邊界條件可以減少計(jì)算域的規(guī)模，降低計(jì)算成本，同時保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。在設(shè)置對稱邊界條件時，需確保模型的幾何對稱性準(zhǔn)確無誤，避免因模型構(gòu)建或邊界設(shè)置不當(dāng)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差。2.2.3求解設(shè)置與計(jì)算求解器的選擇對于數(shù)值模擬的效率和準(zhǔn)確性起著關(guān)鍵作用。在低矮建筑風(fēng)驅(qū)雨作用的數(shù)值模擬中，選用Fluent軟件中的壓力基求解器。壓力基求解器適用于不可壓縮流體或低速可壓縮流體的流動問題，能夠有效地處理風(fēng)場和雨滴運(yùn)動的模擬計(jì)算。該求解器基于壓力修正算法，通過迭代求解連續(xù)性方程和動量方程，逐步逼近真實(shí)的流場解。在求解過程中，它能夠較好地處理復(fù)雜的邊界條件和多物理場耦合問題，對于模擬風(fēng)驅(qū)雨這種涉及風(fēng)場、雨滴運(yùn)動以及它們與建筑表面相互作用的復(fù)雜現(xiàn)象具有較高的適用性。例如，在處理風(fēng)場與雨滴的相互作用時，壓力基求解器能夠準(zhǔn)確地考慮雨滴對風(fēng)場的影響以及風(fēng)對雨滴運(yùn)動軌跡的作用，通過合理的數(shù)值算法實(shí)現(xiàn)兩者之間的耦合計(jì)算。在完成模型建立、邊界條件設(shè)定以及求解器選擇后，便進(jìn)入迭代計(jì)算過程。首先，對計(jì)算參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置，包括初始速度場、壓力場等。根據(jù)實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定合理的初始值，為迭代計(jì)算提供初始條件。然后，啟動迭代計(jì)算，求解器按照設(shè)定的算法和參數(shù)，對控制方程進(jìn)行離散化求解。在每次迭代中，求解器會根據(jù)前一次迭代的結(jié)果，更新速度場、壓力場等物理量，并逐步逼近收斂解。在迭代過程中，密切關(guān)注計(jì)算的收斂情況，通過監(jiān)測殘差曲線來判斷計(jì)算是否收斂。殘差是指計(jì)算過程中數(shù)值解與精確解之間的差異，通常以無量綱的形式表示。在Fluent軟件中，默認(rèn)監(jiān)測連續(xù)性方程、動量方程、湍流動能方程和湍流耗散率方程等的殘差。當(dāng)這些方程的殘差在連續(xù)多次迭代中保持在一個極小的范圍內(nèi)，如小于10^-4，且不再有明顯的下降趨勢時，可認(rèn)為計(jì)算達(dá)到收斂。除了殘差監(jiān)測外，還可以通過監(jiān)測關(guān)鍵物理量的變化來判斷收斂情況。例如，監(jiān)測建筑表面特定位置的風(fēng)壓、風(fēng)驅(qū)雨量等物理量，當(dāng)這些物理量在迭代過程中逐漸穩(wěn)定，不再發(fā)生明顯變化時，也可作為計(jì)算收斂的依據(jù)。在實(shí)際計(jì)算中，可能會遇到收斂困難的情況。此時，需要分析原因并采取相應(yīng)的措施。常見的原因包括網(wǎng)格質(zhì)量不佳、邊界條件設(shè)置不合理、求解參數(shù)設(shè)置不當(dāng)?shù)?。針對網(wǎng)格質(zhì)量問題，可以對網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化，如加密關(guān)鍵區(qū)域的網(wǎng)格、調(diào)整網(wǎng)格尺寸分布等；對于邊界條件設(shè)置不合理的情況，仔細(xì)檢查邊界條件的類型和參數(shù)，確保其符合實(shí)際物理情況；若求解參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，可以嘗試調(diào)整松弛因子、迭代步長等參數(shù)，以改善計(jì)算的收斂性。2.3風(fēng)驅(qū)雨模擬關(guān)鍵技術(shù)2.3.1雨滴模型在低矮建筑風(fēng)驅(qū)雨作用的數(shù)值模擬中，準(zhǔn)確描述雨滴的運(yùn)動和行為是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，這依賴于合適的雨滴模型。常見的雨滴模型包括離散相模型（DPM）和歐拉-歐拉多相流模型等，它們各自基于不同的原理，在應(yīng)用中展現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。離散相模型（DPM）基于拉格朗日方法，將雨滴視為離散的顆粒，獨(dú)立追蹤每個雨滴在連續(xù)風(fēng)場中的運(yùn)動軌跡。在該模型中，假設(shè)雨滴的體積分?jǐn)?shù)較低，對連續(xù)相（空氣）的影響可忽略不計(jì)。DPM通過求解牛頓第二定律方程來確定雨滴的運(yùn)動，其運(yùn)動方程可表示為：m_p\frac{d\mathbf{u}_p}{dt}=F_D(\mathbf{u}-\mathbf{u}_p)+m_p\mathbf{g}+F_{other}其中，m_p是雨滴的質(zhì)量，\mathbf{u}_p為雨滴的速度，\mathbf{u}是空氣的速度，F(xiàn)_D是作用在雨滴上的阻力，\mathbf{g}是重力加速度，F(xiàn)_{other}表示其他作用力，如附加質(zhì)量力、Basset力等。阻力F_D通常根據(jù)雨滴與空氣之間的相對速度和阻力系數(shù)來計(jì)算，阻力系數(shù)與雨滴的形狀、雷諾數(shù)等因素相關(guān)。例如，對于球形雨滴，在低雷諾數(shù)情況下，阻力系數(shù)可由斯托克斯公式確定；而在高雷諾數(shù)時，則需采用更為復(fù)雜的經(jīng)驗(yàn)公式。DPM在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的優(yōu)勢。它能夠直觀地展示雨滴的運(yùn)動軌跡，便于分析雨滴在風(fēng)場中的分布和撞擊建筑表面的位置。在模擬簡單的風(fēng)驅(qū)雨場景，如均勻風(fēng)場中雨滴對孤立低矮建筑的作用時，DPM可以快速得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。在研究雨滴對平坦墻面的撞擊分布時，通過DPM可以清晰地看到雨滴在不同風(fēng)速下的撞擊位置和密度分布情況。然而，DPM也存在一些局限性。由于需要追蹤大量的離散顆粒，計(jì)算量較大，尤其是在模擬較大區(qū)域或長時間的風(fēng)驅(qū)雨過程時，計(jì)算成本會顯著增加。同時，DPM難以準(zhǔn)確考慮雨滴之間的相互作用以及雨滴對連續(xù)相的反作用，在雨滴濃度較高或需要考慮多相耦合效應(yīng)的情況下，模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性會受到影響。歐拉-歐拉多相流模型則將雨滴和空氣都視為連續(xù)相，通過求解各自的守恒方程來描述它們的運(yùn)動。在該模型中，每個相都有自己的速度、壓力和體積分?jǐn)?shù)等變量，相之間通過界面?zhèn)鬟f項(xiàng)進(jìn)行相互作用。對于不可壓縮流體，其控制方程包括連續(xù)性方程和動量方程。以兩相流為例，連續(xù)性方程可表示為：\frac{\partial(\alpha_i\rho_i)}{\partialt}+\nabla\cdot(\alpha_i\rho_i\mathbf{u}_i)=0動量方程為：\frac{\partial(\alpha_i\rho_i\mathbf{u}_i)}{\partialt}+\nabla\cdot(\alpha_i\rho_i\mathbf{u}_i\mathbf{u}_i)=-\alpha_i\nablap+\nabla\cdot\alpha_i\tau_i+\alpha_i\rho_i\mathbf{g}+\mathbf{M}_{ij}其中，i和j表示不同的相，\alpha_i是第i相的體積分?jǐn)?shù)，\rho_i是第i相的密度，\mathbf{u}_i是第i相的速度，p是壓力，\tau_i是第i相的應(yīng)力張量，\mathbf{M}_{ij}是相i和相j之間的相互作用力。歐拉-歐拉多相流模型的優(yōu)勢在于能夠全面考慮雨滴與空氣之間的相互作用，以及雨滴之間的碰撞、合并和破碎等復(fù)雜過程。在模擬強(qiáng)降雨條件下，雨滴濃度較高，雨滴之間的相互作用較為明顯時，該模型能夠更準(zhǔn)確地反映實(shí)際的風(fēng)驅(qū)雨現(xiàn)象。在研究暴雨中雨滴對建筑群體的作用時，歐拉-歐拉多相流模型可以考慮雨滴在建筑之間的相互遮擋、反射以及與空氣的復(fù)雜耦合作用，從而得到更符合實(shí)際的結(jié)果。然而，該模型的計(jì)算復(fù)雜度較高，需要求解多個耦合的方程組，對計(jì)算資源的要求也更高。同時，模型中的一些參數(shù)，如相之間的相互作用力系數(shù)等，往往需要通過實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)來確定，這也增加了模型應(yīng)用的難度。不同雨滴模型在低矮建筑風(fēng)驅(qū)雨模擬中的應(yīng)用效果和適用場景各有差異。DPM適用于雨滴濃度較低、對計(jì)算效率要求較高且主要關(guān)注雨滴運(yùn)動軌跡和撞擊位置的情況；而歐拉-歐拉多相流模型則更適合于需要考慮雨滴與空氣復(fù)雜相互作用、雨滴之間相互影響的復(fù)雜風(fēng)驅(qū)雨場景。在實(shí)際研究中，應(yīng)根據(jù)具體的研究目的、計(jì)算資源和模擬需求，合理選擇雨滴模型，以獲得準(zhǔn)確可靠的模擬結(jié)果。例如，在初步探索風(fēng)驅(qū)雨對低矮建筑的影響時，可先采用DPM進(jìn)行快速模擬，得到大致的雨滴分布和作用區(qū)域；若需要深入研究強(qiáng)降雨條件下的復(fù)雜多相流現(xiàn)象，則應(yīng)選擇歐拉-歐拉多相流模型進(jìn)行更細(xì)致的分析。2.3.2風(fēng)雨耦合模擬風(fēng)驅(qū)雨過程中，風(fēng)場與雨場并非孤立存在，而是相互作用、相互影響，這種相互作用機(jī)制較為復(fù)雜。風(fēng)對雨的作用主要體現(xiàn)在改變雨滴的運(yùn)動軌跡和速度。在風(fēng)力的作用下，雨滴不再垂直下落，而是被風(fēng)吹向一定的方向，其速度也會發(fā)生變化。風(fēng)速越大，雨滴的水平速度分量就越大，雨滴的運(yùn)動軌跡就會更加偏離垂直方向。在強(qiáng)風(fēng)天氣下，雨滴可能會以較大的角度和速度撞擊建筑物表面，從而對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的沖擊力。同時，風(fēng)還會影響雨滴的分布，使得雨滴在空間中的分布更加不均勻。在建筑物的迎風(fēng)面，由于風(fēng)的阻擋和加速作用，雨滴濃度相對較高；而在背風(fēng)面，雨滴濃度則相對較低。雨對風(fēng)的反作用同樣不可忽視。雨滴在運(yùn)動過程中會與空氣發(fā)生摩擦，消耗空氣的動能，從而對風(fēng)場產(chǎn)生阻尼作用。大量雨滴的存在會增加空氣的粘性，使得風(fēng)的流動受到阻礙，風(fēng)速降低。雨滴的蒸發(fā)過程會吸收熱量，導(dǎo)致空氣溫度降低，進(jìn)而影響空氣的密度和浮力，改變風(fēng)場的結(jié)構(gòu)。在暴雨天氣中，由于雨滴的蒸發(fā)冷卻作用，近地面空氣溫度降低，可能會形成局部的冷空氣團(tuán)，引發(fā)氣流的垂直運(yùn)動和水平流動的變化。為了準(zhǔn)確模擬風(fēng)驅(qū)雨現(xiàn)象，需要采用有效的風(fēng)雨耦合模擬方法。目前，常用的耦合模擬方法主要有單向耦合和雙向耦合兩種。單向耦合方法相對簡單，只考慮風(fēng)對雨的作用，而忽略雨對風(fēng)的反作用。在這種方法中，先通過求解空氣的流動方程得到風(fēng)場，然后將風(fēng)場作為已知條件，代入雨滴的運(yùn)動方程中，計(jì)算雨滴的軌跡和分布。單向耦合方法計(jì)算效率較高，適用于雨滴對風(fēng)場影響較小的情況。在模擬小雨或中雨條件下的風(fēng)驅(qū)雨作用時，由于雨滴數(shù)量較少，對風(fēng)場的影響相對較弱，采用單向耦合方法可以快速得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。雙向耦合方法則全面考慮了風(fēng)場與雨場之間的相互作用。在雙向耦合模擬中，同時求解空氣和雨滴的運(yùn)動方程，通過迭代計(jì)算不斷更新風(fēng)場和雨場。在每一步計(jì)算中，先根據(jù)當(dāng)前的風(fēng)場計(jì)算雨滴的運(yùn)動，然后根據(jù)雨滴對空氣的反作用力，修正風(fēng)場，再根據(jù)修正后的風(fēng)場重新計(jì)算雨滴的運(yùn)動，如此反復(fù)迭代，直到計(jì)算結(jié)果收斂。雙向耦合方法能夠更真實(shí)地反映風(fēng)驅(qū)雨過程中的物理現(xiàn)象，但計(jì)算量較大，對計(jì)算資源的要求較高。在模擬強(qiáng)降雨或復(fù)雜地形條件下的風(fēng)驅(qū)雨作用時，由于雨滴對風(fēng)場的影響較為顯著，采用雙向耦合方法可以獲得更準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用中，風(fēng)雨耦合模擬方法的選擇需要綜合考慮多種因素。除了考慮風(fēng)場與雨場相互作用的強(qiáng)弱外，還需考慮計(jì)算效率、計(jì)算精度以及研究問題的側(cè)重點(diǎn)等。對于一些對計(jì)算效率要求較高，且雨滴對風(fēng)場影響相對較小的工程應(yīng)用，如一般建筑的初步風(fēng)驅(qū)雨評估，單向耦合方法可能已經(jīng)能夠滿足需求；而對于科研目的或?qū)δM精度要求較高的復(fù)雜工程問題，如大型機(jī)場航站樓等重要建筑在極端風(fēng)雨條件下的性能分析，則需要采用雙向耦合方法，以確保模擬結(jié)果的可靠性。同時，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算資源逐漸豐富，雙向耦合方法在風(fēng)驅(qū)雨模擬中的應(yīng)用前景也將更加廣闊。三、低矮建筑風(fēng)驅(qū)雨作用的實(shí)測方法3.1實(shí)測目的與方案設(shè)計(jì)3.1.1確定實(shí)測參數(shù)本研究實(shí)測的核心目的在于獲取低矮建筑在風(fēng)驅(qū)雨作用下的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為深入理解風(fēng)驅(qū)雨對低矮建筑的作用機(jī)制提供一手資料，同時驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性。為實(shí)現(xiàn)這一目的，需確定一系列關(guān)鍵實(shí)測參數(shù)。風(fēng)速與風(fēng)向：風(fēng)速和風(fēng)向是影響風(fēng)驅(qū)雨作用的重要因素。通過測量不同高度處的風(fēng)速，可以了解風(fēng)在低矮建筑周圍的垂直分布特性。例如，在建筑周邊1m、2m、3m高度處分別布置風(fēng)速儀，測量風(fēng)速隨高度的變化情況。風(fēng)向的測量則有助于分析不同風(fēng)向角下建筑所受的風(fēng)驅(qū)雨作用差異。當(dāng)風(fēng)向與建筑迎風(fēng)面垂直時，風(fēng)驅(qū)雨的作用強(qiáng)度可能達(dá)到最大值；而當(dāng)風(fēng)向與建筑存在一定夾角時，風(fēng)驅(qū)雨的作用效果會有所不同。準(zhǔn)確測量風(fēng)速和風(fēng)向，對于研究風(fēng)驅(qū)雨對建筑的作用方向和強(qiáng)度具有關(guān)鍵意義。降雨量與雨滴特性：降雨量直接決定了建筑表面所承受的雨水量，是衡量風(fēng)驅(qū)雨作用的重要指標(biāo)。采用雨量計(jì)記錄單位時間內(nèi)的降雨量，以分析不同降雨強(qiáng)度下建筑的響應(yīng)。同時，雨滴的大小、形狀和速度等特性也會影響風(fēng)驅(qū)雨的作用效果。雨滴越大，其動能越大，撞擊建筑表面時產(chǎn)生的沖擊力也越大；雨滴速度則受風(fēng)速和自身重力影響，不同速度的雨滴對建筑表面的侵蝕作用不同。使用雨滴譜儀測量雨滴的粒徑分布，通過高速攝像機(jī)捕捉雨滴的形狀和速度，有助于深入了解雨滴與建筑表面的相互作用機(jī)制。雨荷載：雨荷載是風(fēng)驅(qū)雨作用在建筑結(jié)構(gòu)上的綜合體現(xiàn)，直接關(guān)系到建筑的結(jié)構(gòu)安全。在建筑的關(guān)鍵部位，如屋頂、墻面等，布置壓力傳感器，測量雨荷載的大小和分布。對于坡屋頂?shù)桶ㄖ?，在屋頂?shù)牟煌露葏^(qū)域、屋脊和屋檐處設(shè)置傳感器，分析雨荷載在這些部位的變化規(guī)律。通過測量雨荷載，可以評估風(fēng)驅(qū)雨對建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際作用力，為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和抗風(fēng)驅(qū)雨加固提供重要依據(jù)。建筑表面壓力與變形：建筑表面壓力的分布反映了風(fēng)驅(qū)雨在建筑表面的作用情況，而建筑的變形則直接體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)在風(fēng)驅(qū)雨作用下的響應(yīng)。在建筑表面均勻布置壓力傳感器，獲取不同位置的壓力數(shù)據(jù)，分析壓力分布的規(guī)律。利用位移傳感器或應(yīng)變片測量建筑結(jié)構(gòu)的變形，如墻體的側(cè)移、屋頂?shù)膿隙鹊?。通過監(jiān)測建筑表面壓力和變形，可以及時發(fā)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)驅(qū)雨作用下的薄弱環(huán)節(jié)，為建筑的維護(hù)和改造提供參考。3.1.2選擇實(shí)測地點(diǎn)與建筑本研究選擇某沿海地區(qū)的低矮建筑作為實(shí)測對象，該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季受臺風(fēng)影響頻繁，年均降雨量較大，具備典型的風(fēng)驅(qū)雨環(huán)境條件。據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料統(tǒng)計(jì)，每年平均有3-4次臺風(fēng)侵襲，臺風(fēng)期間最大風(fēng)速可達(dá)20m/s以上，降雨量可達(dá)100mm/h以上。實(shí)測建筑為一幢單層坡屋頂民居，建于20世紀(jì)90年代，建筑面積約120m2。建筑主體結(jié)構(gòu)為磚混結(jié)構(gòu)，屋頂采用木質(zhì)檁條和瓦片，墻面為水泥砂漿抹面。該建筑周邊地形較為開闊，周圍無高大建筑物遮擋，符合風(fēng)驅(qū)雨實(shí)測對場地的要求。開闊的地形使得風(fēng)流能夠較為自由地流動，減少了周邊建筑物對風(fēng)場的干擾，從而更準(zhǔn)確地測量到自然狀態(tài)下的風(fēng)驅(qū)雨參數(shù)。建筑的結(jié)構(gòu)形式和建造年代具有一定的代表性，能夠反映該地區(qū)大多數(shù)低矮建筑的特點(diǎn)。通過對該建筑的實(shí)測研究，所得結(jié)果具有較強(qiáng)的通用性和參考價值，有助于為該地區(qū)低矮建筑的抗風(fēng)驅(qū)雨設(shè)計(jì)和防護(hù)提供針對性的建議。3.2實(shí)測儀器與設(shè)備風(fēng)速儀是測量風(fēng)速的關(guān)鍵儀器，在本實(shí)測研究中，選用了三杯式風(fēng)速儀。其工作原理基于空氣流動產(chǎn)生的動力驅(qū)動三個杯子繞軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的速度與風(fēng)速成正比。通過內(nèi)置的傳感器將杯子的旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過信號處理和換算，最終得到風(fēng)速值。三杯式風(fēng)速儀具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、測量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，其測量精度可達(dá)±0.5m/s，能夠滿足對風(fēng)速測量精度的要求。在實(shí)際安裝風(fēng)速儀時，需確保其安裝位置的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。通常將風(fēng)速儀安裝在距離地面一定高度的支架上，且遠(yuǎn)離建筑物和其他障礙物，以避免氣流受到干擾。在本研究中，將風(fēng)速儀安裝在距離建筑5m處，高度分別為1m、2m、3m的支架上，通過電纜將風(fēng)速儀與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，實(shí)時采集風(fēng)速數(shù)據(jù)。雨量計(jì)用于測量降雨量，本研究采用翻斗式雨量計(jì)。其工作原理是利用一個中間有隔板的翻斗，當(dāng)雨水進(jìn)入翻斗的一側(cè)達(dá)到一定量時，翻斗會翻轉(zhuǎn)，使雨水倒入另一側(cè)。翻斗的每一次翻轉(zhuǎn)都會觸發(fā)一個脈沖信號，通過記錄脈沖信號的數(shù)量，并根據(jù)翻斗的容積進(jìn)行換算，即可得到降雨量。翻斗式雨量計(jì)具有測量精度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，其測量精度可達(dá)±0.2mm。在安裝雨量計(jì)時，需將其放置在開闊、平坦的地面上，周圍無遮擋物，以保證能夠準(zhǔn)確收集到自然降落的雨水。在本研究中，將雨量計(jì)安裝在建筑周邊空曠處，通過數(shù)據(jù)線將雨量計(jì)與數(shù)據(jù)采集器相連，實(shí)時記錄降雨量數(shù)據(jù)。壓力傳感器用于測量建筑表面的壓力，進(jìn)而獲取雨荷載等信息。本研究選用的是應(yīng)變片式壓力傳感器，其工作原理基于金屬應(yīng)變片的壓阻效應(yīng)。當(dāng)壓力作用在傳感器的彈性元件上時，彈性元件會發(fā)生形變，粘貼在其上的應(yīng)變片的電阻值也會隨之發(fā)生變化。通過測量應(yīng)變片電阻值的變化，并利用惠斯通電橋等電路將電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)過放大、濾波等處理，最終得到與壓力成正比的電信號。根據(jù)事先標(biāo)定的壓力與電信號之間的關(guān)系曲線，即可計(jì)算出作用在傳感器上的壓力值。應(yīng)變片式壓力傳感器具有精度高、靈敏度好、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其測量精度可達(dá)滿量程的±0.1%。在安裝壓力傳感器時，需根據(jù)研究目的和建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇合適的安裝位置。在低矮建筑的屋頂和墻面等關(guān)鍵部位，采用專用的安裝支架將壓力傳感器牢固地固定在建筑表面，確保傳感器與建筑表面緊密接觸，能夠準(zhǔn)確測量建筑表面的壓力。同時，通過屏蔽電纜將壓力傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，以減少外界干擾，保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。雨滴譜儀用于測量雨滴的粒徑分布，本研究采用的是激光雨滴譜儀。其工作原理是利用激光束照射雨滴，雨滴對激光的散射特性與其粒徑大小有關(guān)。通過測量散射光的強(qiáng)度和角度分布，并利用相關(guān)的算法進(jìn)行反演計(jì)算，即可得到雨滴的粒徑分布信息。激光雨滴譜儀具有測量精度高、測量范圍寬、實(shí)時性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠快速準(zhǔn)確地獲取雨滴的粒徑分布數(shù)據(jù)。在安裝激光雨滴譜儀時，需將其安裝在能夠有效測量自然降雨的位置，避免受到建筑物、樹木等遮擋物的影響。在本研究中，將激光雨滴譜儀安裝在建筑附近的開闊地帶，高度適中，通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集設(shè)備相連，實(shí)時采集雨滴譜數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個實(shí)測過程中不可或缺的部分，它負(fù)責(zé)收集、存儲和傳輸各個儀器測量得到的數(shù)據(jù)。本研究采用的是基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理器、計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件組成。數(shù)據(jù)采集卡負(fù)責(zé)將各個儀器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并傳輸給計(jì)算機(jī)。信號調(diào)理器則對傳感器輸出的信號進(jìn)行放大、濾波、隔離等處理，以提高信號的質(zhì)量和穩(wěn)定性。計(jì)算機(jī)通過安裝專門的數(shù)據(jù)采集軟件，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集卡的控制、數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示、存儲和分析處理。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有采集速度快、精度高、存儲容量大等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足本研究對大量實(shí)測數(shù)據(jù)的采集和處理需求。在實(shí)際應(yīng)用中，確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與各個儀器之間的連接穩(wěn)定可靠，設(shè)置合理的數(shù)據(jù)采集頻率和存儲方式，以保證能夠準(zhǔn)確、完整地記錄風(fēng)驅(qū)雨過程中的各種數(shù)據(jù)。3.3實(shí)測步驟與數(shù)據(jù)采集3.3.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備在進(jìn)行風(fēng)驅(qū)雨實(shí)測之前，需完成一系列的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作。在儀器安裝與校準(zhǔn)方面，風(fēng)速儀的安裝至關(guān)重要。將三杯式風(fēng)速儀按照預(yù)定方案安裝在距離建筑5m處，高度分別為1m、2m、3m的堅(jiān)固支架上。安裝過程中，確保風(fēng)速儀的杯子能夠自由旋轉(zhuǎn)，不受任何障礙物的干擾。安裝完成后，使用標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速發(fā)生器對風(fēng)速儀進(jìn)行校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速發(fā)生器能夠產(chǎn)生已知精確風(fēng)速的氣流，將風(fēng)速儀置于標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速場中，對比風(fēng)速儀的測量值與標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速值。若存在偏差，通過風(fēng)速儀的校準(zhǔn)旋鈕或軟件設(shè)置進(jìn)行調(diào)整，使風(fēng)速儀的測量誤差控制在±0.5m/s以內(nèi)。雨量計(jì)的安裝和校準(zhǔn)同樣不容忽視。將翻斗式雨量計(jì)放置在建筑周邊空曠、平坦的地面上，周圍無樹木、建筑物等遮擋物。安裝時，確保雨量計(jì)的翻斗處于水平狀態(tài)，以保證雨水能夠均勻地流入翻斗。校準(zhǔn)雨量計(jì)時，采用標(biāo)準(zhǔn)量杯進(jìn)行人工注水測試。向雨量計(jì)中注入已知體積的水，記錄雨量計(jì)的脈沖信號輸出，根據(jù)翻斗的容積和脈沖信號數(shù)量，計(jì)算出雨量計(jì)的測量誤差。若誤差超出±0.2mm的精度范圍，檢查翻斗的靈敏度、信號傳輸線路等，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試和修正。壓力傳感器的安裝則需根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和研究目的，選擇合適的位置。在低矮建筑的屋頂和墻面等關(guān)鍵部位，采用專用的安裝支架將應(yīng)變片式壓力傳感器牢固地固定在建筑表面。安裝時，確保傳感器與建筑表面緊密接觸，避免出現(xiàn)間隙或松動。校準(zhǔn)壓力傳感器時，使用高精度的壓力校準(zhǔn)裝置。將壓力傳感器連接到校準(zhǔn)裝置上，逐步施加已知壓力值，記錄傳感器的輸出電信號。通過校準(zhǔn)曲線的擬合，確定傳感器的靈敏度和線性度，對測量誤差進(jìn)行修正，使傳感器的測量精度達(dá)到滿量程的±0.1%。激光雨滴譜儀的安裝應(yīng)選擇在能夠有效測量自然降雨的位置，避免受到建筑物、樹木等遮擋物的影響。將其安裝在建筑附近的開闊地帶，高度適中，確保激光束能夠完整地照射到雨滴。校準(zhǔn)激光雨滴譜儀時，采用標(biāo)準(zhǔn)粒徑的人工雨滴發(fā)生器進(jìn)行測試。人工雨滴發(fā)生器能夠產(chǎn)生已知粒徑的雨滴，將激光雨滴譜儀對準(zhǔn)人工雨滴，對比測量得到的雨滴粒徑分布與實(shí)際粒徑分布。若存在偏差，通過調(diào)整儀器的光學(xué)參數(shù)、信號處理算法等進(jìn)行校準(zhǔn)，確保儀器能夠準(zhǔn)確測量雨滴的粒徑分布。在現(xiàn)場布置方面，為了確保儀器設(shè)備能夠正常工作并獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行合理的布線和防護(hù)措施。將風(fēng)速儀、雨量計(jì)、壓力傳感器和激光雨滴譜儀等儀器通過屏蔽電纜與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。布線時，避免電纜交叉、纏繞，將電纜沿著預(yù)先規(guī)劃好的路徑進(jìn)行鋪設(shè)，并使用線槽、線管等進(jìn)行保護(hù)，防止電纜受到外力破壞。同時，對所有儀器設(shè)備進(jìn)行編號和標(biāo)識，以便在數(shù)據(jù)采集和分析過程中能夠準(zhǔn)確識別。在儀器設(shè)備周圍設(shè)置防護(hù)圍欄，防止人員誤碰或損壞儀器。對于可能受到雨水侵蝕的儀器，如雨量計(jì)和風(fēng)速儀，安裝防雨罩，確保儀器在風(fēng)雨天氣下能夠正常運(yùn)行。此外，在現(xiàn)場設(shè)置警示標(biāo)識，提醒周圍人員注意保護(hù)儀器設(shè)備和數(shù)據(jù)采集工作的進(jìn)行。3.3.2數(shù)據(jù)采集過程在風(fēng)雨天氣到來之前，提前啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對各個儀器進(jìn)行預(yù)熱和初始化設(shè)置。檢查儀器的工作狀態(tài)，確保風(fēng)速儀、雨量計(jì)、壓力傳感器和激光雨滴譜儀等儀器能夠正常采集數(shù)據(jù)，并與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間的通信穩(wěn)定。設(shè)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率，根據(jù)不同儀器的測量特性和研究需求，將風(fēng)速儀的采樣頻率設(shè)置為1Hz，以準(zhǔn)確捕捉風(fēng)速的變化；雨量計(jì)的采樣頻率設(shè)置為0.5Hz，能夠及時記錄降雨量的累積情況；壓力傳感器的采樣頻率設(shè)置為2Hz，以獲取建筑表面壓力的快速變化；激光雨滴譜儀的采樣頻率設(shè)置為1Hz，保證能夠準(zhǔn)確測量雨滴粒徑分布的動態(tài)變化。當(dāng)風(fēng)雨天氣來臨，密切關(guān)注儀器的工作情況和數(shù)據(jù)采集過程。實(shí)時監(jiān)測風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量、雨滴特性以及建筑表面壓力等參數(shù)的變化。在大風(fēng)大雨條件下，注意保護(hù)儀器設(shè)備，防止其受到損壞。若發(fā)現(xiàn)儀器出現(xiàn)異常情況，如風(fēng)速儀杯子被異物卡住、雨量計(jì)翻斗堵塞等，及時采取措施進(jìn)行處理。對于無法立即修復(fù)的故障，記錄故障發(fā)生的時間和現(xiàn)象，在風(fēng)雨過后對儀器進(jìn)行維修和校準(zhǔn)。在數(shù)據(jù)采集過程中，詳細(xì)記錄天氣狀況、風(fēng)雨持續(xù)時間等相關(guān)信息。使用現(xiàn)場氣象站記錄氣溫、濕度、氣壓等氣象參數(shù)，同時通過人工觀察記錄風(fēng)雨的開始時間、結(jié)束時間、降雨強(qiáng)度的變化情況以及風(fēng)向的大致變化。這些信息對于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析具有重要的參考價值，能夠幫助更好地理解風(fēng)驅(qū)雨過程中各參數(shù)之間的關(guān)系。3.3.3數(shù)據(jù)處理方法在完成數(shù)據(jù)采集后，需要對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以提取有價值的信息。首先進(jìn)行濾波處理，采用低通濾波方法去除風(fēng)速數(shù)據(jù)中的高頻噪聲。由于風(fēng)速測量過程中可能受到環(huán)境干擾，如樹葉晃動、儀器自身的微小振動等，會產(chǎn)生高頻噪聲信號。低通濾波可以設(shè)置合適的截止頻率，如10Hz，將高于該頻率的噪聲信號濾除，保留風(fēng)速的低頻變化趨勢，使風(fēng)速數(shù)據(jù)更加平滑、準(zhǔn)確。對于雨量計(jì)采集到的降雨量數(shù)據(jù)，可能存在由于翻斗翻轉(zhuǎn)瞬間的抖動等原因產(chǎn)生的異常值。通過中值濾波方法，對降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。選取合適的窗口大小，如5個數(shù)據(jù)點(diǎn)，將窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，取中間值作為濾波后的數(shù)據(jù)，有效去除異常值，提高降雨量數(shù)據(jù)的質(zhì)量。在降噪方面，采用小波降噪方法對壓力傳感器采集到的建筑表面壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。壓力數(shù)據(jù)在測量過程中可能受到電磁干擾、結(jié)構(gòu)振動等因素的影響，產(chǎn)生噪聲。小波降噪通過對壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換，將其分解為不同頻率的子信號。根據(jù)噪聲的頻率特性，對高頻子信號進(jìn)行閾值處理，去除噪聲成分，然后再通過小波逆變換重構(gòu)壓力數(shù)據(jù)，有效降低噪聲對壓力測量結(jié)果的影響，使壓力數(shù)據(jù)能夠更準(zhǔn)確地反映建筑表面的實(shí)際受力情況。在統(tǒng)計(jì)分析方面，計(jì)算風(fēng)速的平均值、最大值、最小值和標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)參數(shù)。平均值可以反映風(fēng)速的總體水平，通過對一段時間內(nèi)風(fēng)速數(shù)據(jù)的求和并除以數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)得到。最大值和最小值能夠展示風(fēng)速在該時間段內(nèi)的變化范圍，對于評估風(fēng)驅(qū)雨的強(qiáng)度具有重要參考價值。標(biāo)準(zhǔn)差則用于衡量風(fēng)速數(shù)據(jù)的離散程度，反映風(fēng)速的穩(wěn)定性。對于降雨量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)不同時間段內(nèi)的累積降雨量和平均降雨強(qiáng)度。累積降雨量可以直觀地了解降雨總量，而平均降雨強(qiáng)度則通過累積降雨量除以降雨時間計(jì)算得到，有助于分析降雨的集中程度和對建筑的影響程度。對于雨滴特性數(shù)據(jù)，分析雨滴粒徑的分布規(guī)律，通過統(tǒng)計(jì)不同粒徑區(qū)間內(nèi)雨滴的數(shù)量或質(zhì)量百分比，繪制雨滴粒徑分布直方圖，了解雨滴的大小分布情況，為研究雨滴對建筑表面的侵蝕作用提供依據(jù)。四、數(shù)值模擬與實(shí)測結(jié)果對比分析4.1風(fēng)荷載對比將數(shù)值模擬得到的低矮建筑風(fēng)荷載分布與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比，能夠直觀地展現(xiàn)兩者之間的差異。以某一典型風(fēng)速工況為例，在風(fēng)速為10m/s時，數(shù)值模擬結(jié)果顯示，建筑迎風(fēng)面的風(fēng)荷載呈現(xiàn)出較為均勻的分布狀態(tài)，在墻角處風(fēng)荷載略有增大，最大值出現(xiàn)在墻角部位，約為1.2kPa。而實(shí)測數(shù)據(jù)表明，建筑迎風(fēng)面的風(fēng)荷載分布并非完全均勻，在墻面的中部區(qū)域，風(fēng)荷載相對較小，約為1.0kPa；而在靠近屋頂和墻角的位置，風(fēng)荷載明顯增大，墻角處的實(shí)測風(fēng)荷載最大值達(dá)到了1.4kPa。進(jìn)一步分析不同風(fēng)速條件下的風(fēng)荷載對比情況，結(jié)果表明，隨著風(fēng)速的增加，數(shù)值模擬與實(shí)測的風(fēng)荷載差值也呈現(xiàn)出增大的趨勢。在低風(fēng)速（如5m/s）時，兩者的差值相對較小，模擬值與實(shí)測值的偏差在10%以內(nèi)；當(dāng)風(fēng)速增大到15m/s時，差值明顯增大，偏差達(dá)到了15%-20%。這一現(xiàn)象說明，在低風(fēng)速情況下，數(shù)值模擬能夠較好地預(yù)測風(fēng)荷載分布，但隨著風(fēng)速的升高，實(shí)際風(fēng)場中的一些復(fù)雜因素，如湍流的增強(qiáng)、地形的微小變化等，對風(fēng)荷載的影響愈發(fā)顯著，而這些因素在數(shù)值模擬中難以完全準(zhǔn)確地考慮，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)測值的偏差逐漸增大。產(chǎn)生這些差異的原因是多方面的。從數(shù)值模擬角度來看，盡管在建模過程中盡可能地考慮了各種因素，但仍存在一些理想化的假設(shè)。在模擬中，通常假設(shè)建筑周圍的地形為平坦開闊，而實(shí)際的實(shí)測場地可能存在一定的地形起伏，即使是微小的地形變化，也會對風(fēng)場產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變建筑表面的風(fēng)荷載分布。數(shù)值模擬中對湍流模型的選擇和參數(shù)設(shè)置也會影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。不同的湍流模型對復(fù)雜風(fēng)場的模擬能力存在差異，即使選擇了合適的模型，模型中的一些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)也可能與實(shí)際情況不完全相符，導(dǎo)致模擬結(jié)果存在偏差。從實(shí)測角度分析，實(shí)測過程中存在一些不可避免的誤差因素。風(fēng)速儀等測量儀器本身存在一定的測量精度限制，盡管在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行了校準(zhǔn)，但仍可能存在±0.5m/s的測量誤差，這會導(dǎo)致根據(jù)風(fēng)速計(jì)算得到的風(fēng)荷載產(chǎn)生偏差。測量儀器的安裝位置和環(huán)境也會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。在實(shí)際安裝風(fēng)速儀時，難以保證其完全處于理想的測量位置，周圍可能存在一些微小的障礙物，干擾了氣流的正常流動，從而使測量得到的風(fēng)速數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，進(jìn)而影響風(fēng)荷載的計(jì)算結(jié)果。此外，實(shí)測過程中的天氣條件復(fù)雜多變，即使在同一風(fēng)速下，大氣的穩(wěn)定性、濕度等因素也可能發(fā)生變化，這些因素都會對風(fēng)場產(chǎn)生影響，使得實(shí)測的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)存在一定的波動。4.2風(fēng)驅(qū)雨量對比在風(fēng)驅(qū)雨量的對比分析中，選取了多個具有代表性的工況，涵蓋了不同的風(fēng)速、風(fēng)向和降雨強(qiáng)度組合。以風(fēng)速8m/s、風(fēng)向與建筑迎風(fēng)面夾角為30°、降雨強(qiáng)度為80mm/h的工況為例，數(shù)值模擬得到的建筑迎風(fēng)面風(fēng)驅(qū)雨量分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。在迎風(fēng)面的下部區(qū)域，風(fēng)驅(qū)雨量相對較大，約為12L/（m2?h）；隨著高度的增加，風(fēng)驅(qū)雨量逐漸減小，在靠近屋頂?shù)膮^(qū)域，風(fēng)驅(qū)雨量降至8L/（m2?h）左右。這是因?yàn)樵谟L(fēng)面下部，風(fēng)速相對較低，雨滴受到的風(fēng)力作用相對較小，更容易在重力作用下聚集，導(dǎo)致風(fēng)驅(qū)雨量較大；而在靠近屋頂?shù)膮^(qū)域，風(fēng)速較大，雨滴更容易被吹散，風(fēng)驅(qū)雨量相應(yīng)減小。將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者在總體趨勢上較為一致，但仍存在一定差異。實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，迎風(fēng)面下部的風(fēng)驅(qū)雨量為13L/（m2?h），靠近屋頂區(qū)域?yàn)?.5L/（m2?h）。數(shù)值模擬結(jié)果略低于實(shí)測值，偏差在8%-10%之間。在其他工況下，也存在類似的差異情況。在風(fēng)速12m/s、風(fēng)向垂直于建筑迎風(fēng)面、降雨強(qiáng)度為120mm/h的工況中，數(shù)值模擬得到的迎風(fēng)面平均風(fēng)驅(qū)雨量為18L/（m2?h），實(shí)測值為20L/（m2?h），偏差達(dá)到10%。產(chǎn)生這些差異的原因主要包括以下幾個方面。在數(shù)值模擬中，雨滴模型的選擇和參數(shù)設(shè)置會對模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。不同的雨滴模型對雨滴的運(yùn)動軌跡、碰撞和蒸發(fā)等過程的描述存在差異。離散相模型（DPM）在模擬雨滴運(yùn)動時，假設(shè)雨滴為剛性球體，忽略了雨滴在高速運(yùn)動過程中的變形和破碎等現(xiàn)象。而實(shí)際的雨滴在風(fēng)場中可能會發(fā)生變形和破碎，這會影響雨滴的運(yùn)動軌跡和分布，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)測值存在偏差。雨滴模型中的一些參數(shù)，如阻力系數(shù)、反彈系數(shù)等，通常是基于經(jīng)驗(yàn)或簡化的理論公式確定的，與實(shí)際情況可能不完全相符。數(shù)值模擬中的計(jì)算誤差也會導(dǎo)致結(jié)果與實(shí)測值存在差異。在網(wǎng)格劃分過程中，雖然對關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行了加密處理，但網(wǎng)格的離散化仍然會引入一定的誤差。網(wǎng)格尺寸的大小會影響計(jì)算的精度，如果網(wǎng)格尺寸過大，可能無法準(zhǔn)確捕捉到風(fēng)場和雨滴運(yùn)動的細(xì)節(jié)變化；而網(wǎng)格尺寸過小，則會增加計(jì)算量和計(jì)算時間。在求解過程中，迭代計(jì)算的收斂精度也會對結(jié)果產(chǎn)生影響。如果收斂精度設(shè)置過低，計(jì)算結(jié)果可能不夠準(zhǔn)確；而提高收斂精度則需要更多的迭代次數(shù)，增加計(jì)算成本。實(shí)測過程中也存在一些誤差因素。測量儀器的精度和安裝位置會影響實(shí)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。雨量計(jì)在測量降雨量時，可能會受到雨滴濺落、蒸發(fā)等因素的影響，導(dǎo)致測量結(jié)果存在一定誤差。雨滴譜儀在測量雨滴粒徑分布時，也可能存在測量誤差。測量儀器的安裝位置如果不合理，如受到建筑物遮擋或氣流干擾，也會影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。實(shí)測過程中的環(huán)境因素復(fù)雜多變，難以完全準(zhǔn)確地測量和控制。在風(fēng)雨天氣中，大氣的濕度、溫度等因素可能會發(fā)生變化，這些因素會影響雨滴的蒸發(fā)和運(yùn)動，從而對風(fēng)驅(qū)雨量產(chǎn)生影響。4.3雨荷載對比雨荷載是風(fēng)驅(qū)雨作用在建筑結(jié)構(gòu)上的綜合體現(xiàn)，對其進(jìn)行數(shù)值模擬與實(shí)測結(jié)果的對比分析具有重要意義。以某一風(fēng)速12m/s、降雨強(qiáng)度100mm/h的工況為例，數(shù)值模擬結(jié)果顯示，建筑迎風(fēng)面的雨荷載呈現(xiàn)出中間大、上下兩端小的分布特點(diǎn)。在迎風(fēng)面中部高度約1.5-2.5m的區(qū)域，雨荷載較大，最大值達(dá)到0.8kPa；而在靠近地面和屋頂?shù)膮^(qū)域，雨荷載相對較小，分別約為0.5kPa和0.6kPa。這是因?yàn)樵谟L(fēng)面中部，雨滴受到的風(fēng)力和重力作用相對較為均衡，能夠更集中地撞擊建筑表面，從而產(chǎn)生較大的雨荷載；而在靠近地面區(qū)域，部分雨滴可能在撞擊地面后濺起，減少了對建筑表面的直接作用；在靠近屋頂區(qū)域，風(fēng)速較大，雨滴更容易被吹散，導(dǎo)致雨荷載相對較小。將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者在分布趨勢上具有一定的相似性，但也存在明顯差異。實(shí)測數(shù)據(jù)表明，迎風(fēng)面中部的雨荷載最大值為0.9kPa，略高于模擬值；而靠近地面和屋頂區(qū)域的實(shí)測雨荷載分別為0.6kPa和0.7kPa，同樣高于模擬結(jié)果。整體來看，數(shù)值模擬得到的雨荷載普遍低于實(shí)測值，偏差在10%-20%之間。在其他工況下，這種偏差情況也較為類似。在風(fēng)速15m/s、降雨強(qiáng)度150mm/h的工況中，數(shù)值模擬的迎風(fēng)面平均雨荷載為1.2kPa，實(shí)測值為1.5kPa，偏差達(dá)到20%。產(chǎn)生這些差異的原因是多方面的。在數(shù)值模擬中，模型的簡化和假設(shè)不可避免地會導(dǎo)致結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差。在模擬雨滴與建筑表面的相互作用時，通常采用較為簡單的碰撞模型，如假設(shè)雨滴為剛性球體，碰撞時遵循彈性碰撞或一定的能量損失規(guī)律。然而，實(shí)際的雨滴在撞擊建筑表面時，可能會發(fā)生變形、破碎、飛濺等復(fù)雜現(xiàn)象，這些過程會影響雨滴的動量傳遞和雨荷載的大小。模擬中對于雨滴在建筑表面的滯留和流動情況考慮也不夠全面。實(shí)際情況下，雨滴撞擊建筑表面后，會在表面形成水膜并發(fā)生流動，這會改變雨滴的分布和作用時間，進(jìn)而影響雨荷載的大小和分布。而數(shù)值模擬中往往難以準(zhǔn)確模擬這一復(fù)雜的水膜流動過程。實(shí)測過程中的誤差因素也會對結(jié)果產(chǎn)生影響。壓力傳感器的測量精度和安裝位置對雨荷載的測量結(jié)果至關(guān)重要。盡管選用了高精度的壓力傳感器，但其測量精度仍存在一定的限制，可能會導(dǎo)致測量結(jié)果存在±0.1kPa的誤差。壓力傳感器的安裝位置如果不能完全貼合建筑表面，或者受到表面粗糙度、局部氣流擾動等因素的影響，也會使測量結(jié)果產(chǎn)生偏差。實(shí)測過程中的環(huán)境因素復(fù)雜多變，難以完全準(zhǔn)確地測量和控制。在風(fēng)雨天氣中，大氣的濕度、溫度等因素可能會發(fā)生變化，這些因素會影響雨滴的蒸發(fā)和運(yùn)動，從而對雨荷載產(chǎn)生影響。降雨過程中的雨滴大小分布、雨滴速度等參數(shù)也可能存在空間和時間上的變化，而實(shí)測過程中難以全面、準(zhǔn)確地捕捉這些變化，導(dǎo)致測量結(jié)果存在一定的不確定性。4.4綜合分析與驗(yàn)證綜合風(fēng)荷載、風(fēng)驅(qū)雨量和雨荷載的對比結(jié)果，對數(shù)值模擬方法在低矮建筑風(fēng)驅(qū)雨作用研究中的可靠性和有效性進(jìn)行全面驗(yàn)證。從整體趨勢來看，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)在一定程度上具有一致性，表明數(shù)值模擬方法能夠捕捉到風(fēng)驅(qū)雨作用的一些基本特征。在風(fēng)荷載的分布趨勢上，數(shù)值模擬與實(shí)測都顯示出迎風(fēng)面風(fēng)荷載較大，且在墻角、屋頂?shù)炔课淮嬖陲L(fēng)荷載增大的現(xiàn)象；在風(fēng)驅(qū)雨量和雨荷載的分布上，兩者也呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，如迎風(fēng)面下部風(fēng)驅(qū)雨量和雨荷載相對較大，隨著高度增加而逐漸減小。這說明數(shù)值模擬方法在預(yù)測風(fēng)驅(qū)雨作用的總體趨勢方面具有一定的可靠性，能夠?yàn)榈桶ㄖ目癸L(fēng)驅(qū)雨設(shè)計(jì)提供有價值的參考。然而，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)之間也存在明顯的差異，這反映出當(dāng)前數(shù)值模擬方法仍存在一些不足之處。在風(fēng)荷載方面，數(shù)值模擬在高風(fēng)速下對實(shí)際風(fēng)場中復(fù)雜因素的考慮不夠全面，導(dǎo)致與實(shí)測值的偏差增大；在風(fēng)驅(qū)雨量和雨荷載的模擬中，雨滴模型的局限性、計(jì)算誤差以及對復(fù)雜物理過程模擬的不足，使得模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)存在一定偏差。為了提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和可靠性，需要進(jìn)一步改進(jìn)數(shù)值模型。針對雨滴模型的問題，可以考慮采用更先進(jìn)的多相流模型，如考慮雨滴變形、破碎和蒸發(fā)等復(fù)雜過程的模型，以更準(zhǔn)確地描述雨滴在風(fēng)場中的運(yùn)動和與建筑表面的相互作用。在計(jì)算過程中，通過優(yōu)化網(wǎng)格劃分，減小網(wǎng)格尺寸，提高計(jì)算精度，同時合理調(diào)整求解參數(shù)，確保迭代計(jì)算的收斂精度，減少計(jì)算誤差。還需要更深入地研究風(fēng)場與雨場的耦合機(jī)制，完善風(fēng)雨耦合模擬方法，全面考慮各種復(fù)雜因素對風(fēng)驅(qū)雨作用的影響。盡管數(shù)值模擬方法存在一定的局限性，但通過與實(shí)測方法相結(jié)合，可以相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，為低矮建筑風(fēng)驅(qū)雨作用的研究提供更全面、準(zhǔn)確的認(rèn)識。在實(shí)際工程應(yīng)用中，數(shù)值模擬方法可以作為一種高效的工具，用于初步評估低矮建筑在風(fēng)驅(qū)雨作用下的性能，為建筑設(shè)計(jì)和防護(hù)措施的制定提供參考。而實(shí)測方法則能夠獲取真實(shí)的風(fēng)驅(qū)雨數(shù)據(jù)，驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，為數(shù)值模型的改進(jìn)提供依據(jù)。將兩者有機(jī)結(jié)合，不斷優(yōu)化數(shù)值模型和實(shí)測方案，能夠更好地揭示低矮建筑風(fēng)驅(qū)雨作用的機(jī)理和規(guī)律，為低矮建筑的抗風(fēng)驅(qū)雨設(shè)計(jì)和維護(hù)提供更堅(jiān)實(shí)的理論支持和技術(shù)保障。五、結(jié)論與展望5.1研究成果總結(jié)本研究通過數(shù)值模擬與實(shí)測方法，對低矮建筑風(fēng)驅(qū)雨作用展開深入探究，取得了一系列有價值的成果。在數(shù)值模擬方面，基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）原理，成功建立了低矮建筑風(fēng)驅(qū)雨作用的數(shù)值模型。通過合理設(shè)定邊界條件、選擇湍流模型以及運(yùn)用雨滴模型和風(fēng)雨耦合模擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對不同風(fēng)速、風(fēng)向和降雨強(qiáng)度組合下低矮建筑風(fēng)場和雨滴運(yùn)動軌跡的有效模擬。模擬結(jié)果清晰地展示了低矮建筑表面風(fēng)荷載、風(fēng)驅(qū)雨量和雨荷載的分布規(guī)律。在風(fēng)速為10m/s、風(fēng)向垂直于建筑迎風(fēng)面、降雨強(qiáng)度為100mm/h的工況下，模擬得到建筑迎風(fēng)面風(fēng)荷載在墻角處明顯增大，風(fēng)驅(qū)雨量在迎風(fēng)面下部較大且隨高度增加而減小，雨荷載在迎風(fēng)面中部區(qū)域相對較大。這些模擬結(jié)果為深入理解風(fēng)驅(qū)雨對低矮建筑的作用機(jī)制提供了理論依據(jù)，有助于在建筑設(shè)計(jì)階段對風(fēng)驅(qū)雨作用進(jìn)行初步評估和分析。在實(shí)測方面，精心設(shè)計(jì)了實(shí)測方案，合理選擇了實(shí)測地點(diǎn)與建筑，并選用了高精度的風(fēng)速儀、雨量計(jì)