基于CFD的低層房屋風(fēng)雨作用效應(yīng)數(shù)值解析與影響評(píng)估一、引言1.1研究背景與意義在全球氣候變化的大背景下，極端天氣事件愈發(fā)頻繁，風(fēng)災(zāi)作為其中極具破壞力的一種，給人類社會(huì)帶來(lái)了巨大的損失。尤其是對(duì)于低層房屋，由于其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和高度限制，在強(qiáng)風(fēng)作用下更容易受到破壞。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在每年的風(fēng)災(zāi)中，大量的低層房屋遭受不同程度的損毀，不僅危及居民的生命財(cái)產(chǎn)安全，也對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了嚴(yán)重的阻礙。例如，在[具體年份]的[具體風(fēng)災(zāi)事件]中，[受災(zāi)地區(qū)]的大量低層房屋被狂風(fēng)摧毀，導(dǎo)致眾多居民流離失所，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)[具體金額]。以往對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能的研究，大多集中在風(fēng)荷載單獨(dú)作用的情況。然而，在實(shí)際的自然環(huán)境中，風(fēng)雨往往是同時(shí)出現(xiàn)的。風(fēng)雨共同作用時(shí)，其對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的作用機(jī)制與單獨(dú)風(fēng)作用存在顯著差異。雨水的存在不僅會(huì)增加結(jié)構(gòu)表面的濕滑程度，改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，還可能與風(fēng)相互耦合，產(chǎn)生更為復(fù)雜的作用效應(yīng)。例如，雨滴的沖擊作用可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)表面造成損傷，而風(fēng)雨共同作用下的氣流場(chǎng)變化，也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)所承受的風(fēng)荷載發(fā)生改變。因此，深入研究風(fēng)雨共同作用對(duì)低層房屋的作用效應(yīng)，對(duì)于完善建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論、提高低層房屋在風(fēng)雨環(huán)境下的安全性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。從建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，準(zhǔn)確考慮風(fēng)雨共同作用效應(yīng)，能夠使設(shè)計(jì)更加符合實(shí)際工況，避免因設(shè)計(jì)保守或不合理而導(dǎo)致的資源浪費(fèi)或安全隱患。目前，許多國(guó)家和地區(qū)的建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范，雖然在一定程度上考慮了風(fēng)荷載的作用，但對(duì)于風(fēng)雨共同作用的情況，要么缺乏明確的規(guī)定，要么僅進(jìn)行了簡(jiǎn)單的近似處理。這使得在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員難以準(zhǔn)確把握風(fēng)雨共同作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，從而影響了建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)安全性和可靠性。通過開展本研究，有望為建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范的修訂和完善提供科學(xué)依據(jù)，推動(dòng)建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)水平的提升。對(duì)于保障居民的生命財(cái)產(chǎn)安全而言，研究風(fēng)雨共同作用下低層房屋的作用效應(yīng)更是至關(guān)重要。低層房屋作為人們?nèi)粘Ｉ畹闹饕幼?chǎng)所之一，其安全性直接關(guān)系到居民的生命安全和生活質(zhì)量。在強(qiáng)風(fēng)暴雨天氣中，若低層房屋無(wú)法承受風(fēng)雨的共同作用而發(fā)生破壞，將可能導(dǎo)致人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。通過深入了解風(fēng)雨共同作用的規(guī)律和影響，采取針對(duì)性的防護(hù)措施和結(jié)構(gòu)加固方法，可以有效提高低層房屋的抗風(fēng)能力，降低風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，為居民創(chuàng)造一個(gè)更加安全、可靠的居住環(huán)境。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1風(fēng)荷載研究現(xiàn)狀風(fēng)荷載的研究歷史悠久，其發(fā)展歷程伴隨著工程實(shí)踐與科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。早期，人們對(duì)風(fēng)荷載的認(rèn)識(shí)較為有限，設(shè)計(jì)中多憑借經(jīng)驗(yàn)和簡(jiǎn)單的估算。隨著建筑高度和跨度的不斷增加，風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用日益顯著，風(fēng)荷載研究逐漸受到重視。風(fēng)洞試驗(yàn)是研究風(fēng)荷載的重要手段之一。1894年，丹麥的J.O.V.Irminger在風(fēng)洞中測(cè)量了建筑物模型的表面風(fēng)壓，這是有記錄的最早建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗(yàn)，開啟了利用風(fēng)洞研究風(fēng)荷載的先河。1931年，為確定紐約帝國(guó)大廈的風(fēng)荷載，在航空風(fēng)洞中進(jìn)行了專門的模型試驗(yàn)，此后風(fēng)洞試驗(yàn)成為研究風(fēng)荷載的關(guān)鍵方法。隨著技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)洞試驗(yàn)不斷完善，從最初簡(jiǎn)單的測(cè)量表面風(fēng)壓，發(fā)展到如今能夠模擬復(fù)雜的大氣邊界層風(fēng)特性，包括紊流度、風(fēng)速剖面等。例如，1965年，A.G.Davenport在加拿大西安大略大學(xué)建成了世界上第一個(gè)大氣邊界層風(fēng)洞，隨后J.E.Cermak在美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)也建成類似風(fēng)洞，并首次使用被動(dòng)模擬方法模擬了大氣邊界層的自然風(fēng)特性，使風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)入精細(xì)化階段。目前，風(fēng)洞試驗(yàn)已廣泛應(yīng)用于各類建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載研究，能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)提供詳細(xì)準(zhǔn)確的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)也是獲取風(fēng)荷載數(shù)據(jù)的重要途徑。通過在實(shí)際建筑上布置風(fēng)速儀、壓力傳感器等設(shè)備，可以直接測(cè)量建筑在自然風(fēng)作用下所承受的風(fēng)荷載。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)能夠真實(shí)反映風(fēng)荷載在實(shí)際環(huán)境中的作用情況，驗(yàn)證風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果。例如，在一些超高層建筑和大跨度橋梁的建設(shè)中，都會(huì)進(jìn)行長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，獲取風(fēng)荷載的實(shí)際數(shù)據(jù)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全評(píng)估提供依據(jù)。然而，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)受到環(huán)境條件、測(cè)量設(shè)備等因素的限制，成本較高，且數(shù)據(jù)獲取具有一定的局限性。數(shù)值模擬隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的發(fā)展，成為研究風(fēng)荷載的新興手段。通過建立建筑結(jié)構(gòu)和周圍風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值模型，利用CFD軟件求解流體力學(xué)方程，可以模擬風(fēng)在建筑表面的流動(dòng)和壓力分布，從而得到風(fēng)荷載。數(shù)值模擬具有成本低、可重復(fù)性強(qiáng)、能夠模擬復(fù)雜工況等優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)不同形狀、不同環(huán)境條件下的建筑風(fēng)荷載進(jìn)行深入研究。例如，利用CFD軟件可以模擬不同風(fēng)向、風(fēng)速下建筑周圍的流場(chǎng)，分析風(fēng)荷載的分布規(guī)律。但數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性依賴于模型的建立、邊界條件的設(shè)定以及計(jì)算方法的選擇，需要與風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合，進(jìn)行驗(yàn)證和校準(zhǔn)。1.2.2雨荷載研究現(xiàn)狀相較于風(fēng)荷載，雨荷載的研究起步較晚，相關(guān)研究成果相對(duì)較少。在早期的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，雨荷載往往被簡(jiǎn)化處理甚至忽略不計(jì)。隨著大跨度輕型屋面結(jié)構(gòu)等新型建筑結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，雨荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響逐漸受到關(guān)注。目前，雨荷載的計(jì)算方法主要基于經(jīng)驗(yàn)公式和理論模型。一些規(guī)范中給出了雨荷載的計(jì)算方法，通?？紤]降雨強(qiáng)度、屋面形狀、排水條件等因素。例如，我國(guó)現(xiàn)行的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012對(duì)雨荷載的計(jì)算方法有明確規(guī)定，雨荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算公式考慮了折減系數(shù)、雨水徑流系數(shù)、設(shè)計(jì)雨強(qiáng)和降雨歷時(shí)等參數(shù)。但這些計(jì)算方法大多是基于簡(jiǎn)化的假設(shè)和有限的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)于復(fù)雜的建筑屋面和實(shí)際降雨情況，可能存在一定的誤差。在研究方面，雖然已經(jīng)開展了一些關(guān)于雨荷載的理論分析和試驗(yàn)研究，但仍存在許多問題。例如，對(duì)于降雨過程中雨滴的分布、雨滴與建筑表面的相互作用等機(jī)理研究還不夠深入；不同地區(qū)的降雨特性差異較大，如何準(zhǔn)確考慮地域因素對(duì)雨荷載的影響也是一個(gè)難題；此外，在實(shí)際工程中，雨荷載與其他荷載（如自重、風(fēng)荷載等）的組合效應(yīng)研究也相對(duì)薄弱，缺乏系統(tǒng)的理論和方法。1.2.3風(fēng)雨共同作用研究現(xiàn)狀風(fēng)雨共同作用對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響是一個(gè)復(fù)雜的問題，目前相關(guān)研究仍不夠充分。在自然環(huán)境中，風(fēng)雨同時(shí)作用時(shí)，其對(duì)結(jié)構(gòu)的作用機(jī)制與單獨(dú)風(fēng)作用或單獨(dú)雨作用存在顯著差異。研究方法上，主要包括風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等。風(fēng)洞試驗(yàn)通過在風(fēng)洞中模擬風(fēng)雨環(huán)境，研究風(fēng)雨共同作用下結(jié)構(gòu)的受力特性和響應(yīng)。例如，同濟(jì)大學(xué)研制了可考慮風(fēng)雨共同作用效應(yīng)的風(fēng)洞試驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)加工了多種節(jié)段模型，進(jìn)行了模擬風(fēng)雨環(huán)境下的模型靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，研究不同氣動(dòng)外形模型在風(fēng)雨條件下的定常氣動(dòng)力系數(shù)變化關(guān)系以及動(dòng)力特性、渦振振幅等響應(yīng)變化。數(shù)值模擬則利用CFD技術(shù)結(jié)合離散相模型（DPM）等方法，模擬風(fēng)雨場(chǎng)中氣流和雨滴的運(yùn)動(dòng)，分析風(fēng)雨對(duì)結(jié)構(gòu)的作用。如以國(guó)內(nèi)已建世界最高220m大型冷卻塔為例，采用風(fēng)-雨雙向耦合算法，通過CFD技術(shù)模擬冷卻塔周圍風(fēng)場(chǎng)，添加DPM模型進(jìn)行雨滴和風(fēng)場(chǎng)的同步迭代計(jì)算，研究塔筒內(nèi)外表面風(fēng)驅(qū)雨量、雨滴附加作用力和雨致壓力系數(shù)等影響規(guī)律?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)則在實(shí)際建筑或結(jié)構(gòu)上布置傳感器，監(jiān)測(cè)風(fēng)雨共同作用下的響應(yīng)，但由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，監(jiān)測(cè)難度較大，數(shù)據(jù)獲取有限。已取得的研究成果表明，風(fēng)雨共同作用對(duì)結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)力和抗風(fēng)性能大多會(huì)產(chǎn)生不利影響。例如，風(fēng)雨共同作用下，結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓分布會(huì)發(fā)生改變，氣動(dòng)力系數(shù)與無(wú)雨條件下存在差異；雨滴的沖擊作用可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)表面造成損傷，增加結(jié)構(gòu)的疲勞損傷風(fēng)險(xiǎn)；風(fēng)雨耦合還可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)增大，如斜拉橋拉索的風(fēng)雨激振現(xiàn)象。然而，目前對(duì)于風(fēng)雨共同作用的研究還存在許多不足之處，不同研究方法之間的對(duì)比和驗(yàn)證不夠充分，研究成果的通用性和可靠性有待提高，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)和實(shí)際工況下的風(fēng)雨共同作用效應(yīng)，仍需要進(jìn)一步深入研究。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在通過數(shù)值模擬的方法，深入探究風(fēng)雨共同作用對(duì)低層房屋的作用效應(yīng)，揭示其內(nèi)在規(guī)律和主要影響因素，為低層房屋的抗風(fēng)設(shè)計(jì)和防護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。具體研究?jī)?nèi)容如下：建立風(fēng)雨共同作用的數(shù)值模型：運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，結(jié)合離散相模型（DPM）等方法，建立能夠準(zhǔn)確模擬風(fēng)雨場(chǎng)的數(shù)值模型。在模型中，充分考慮大氣邊界層風(fēng)特性、雨滴的運(yùn)動(dòng)軌跡、雨滴與氣流的相互作用以及雨滴對(duì)建筑表面的沖擊作用等因素。通過對(duì)模型參數(shù)的合理設(shè)置和邊界條件的準(zhǔn)確給定，確保數(shù)值模型能夠真實(shí)反映實(shí)際的風(fēng)雨共同作用工況。例如，根據(jù)不同地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，設(shè)定合適的風(fēng)速、風(fēng)向、降雨強(qiáng)度等參數(shù)，模擬不同的風(fēng)雨環(huán)境；利用實(shí)際建筑的幾何尺寸和表面特性，準(zhǔn)確描述建筑在風(fēng)雨場(chǎng)中的位置和形態(tài)。對(duì)低層房屋進(jìn)行數(shù)值模擬分析：將建立好的風(fēng)雨共同作用數(shù)值模型應(yīng)用于典型的低層房屋結(jié)構(gòu)，模擬不同風(fēng)雨條件下房屋表面的風(fēng)壓分布、風(fēng)驅(qū)雨量分布以及雨滴對(duì)房屋表面的沖擊力分布。分析風(fēng)雨共同作用下房屋結(jié)構(gòu)的受力特性和變形響應(yīng)，研究風(fēng)雨作用對(duì)房屋結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位（如墻角、屋檐、門窗等）的影響規(guī)律。例如，通過模擬不同風(fēng)速和降雨強(qiáng)度組合下的風(fēng)雨作用，對(duì)比分析房屋表面風(fēng)壓和雨荷載的變化情況，找出對(duì)房屋結(jié)構(gòu)安全影響較大的工況；觀察房屋結(jié)構(gòu)在風(fēng)雨共同作用下的變形情況，確定結(jié)構(gòu)的薄弱部位，為結(jié)構(gòu)加固和防護(hù)提供參考。開展參數(shù)分析研究：考慮不同的參數(shù)對(duì)風(fēng)雨共同作用效應(yīng)的影響，如房屋的體型系數(shù)、屋面坡度、門窗開啟方式、風(fēng)速、降雨強(qiáng)度等。通過改變這些參數(shù)，進(jìn)行多組數(shù)值模擬計(jì)算，分析各參數(shù)對(duì)房屋表面風(fēng)壓、雨荷載以及結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響規(guī)律。例如，研究屋面坡度的變化對(duì)風(fēng)驅(qū)雨量和雨荷載分布的影響，分析不同門窗開啟方式下房屋內(nèi)部的風(fēng)壓分布和雨水滲漏情況，探討風(fēng)速和降雨強(qiáng)度的增加對(duì)房屋結(jié)構(gòu)受力和變形的影響程度。通過參數(shù)分析，確定影響風(fēng)雨共同作用效應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)，為低層房屋的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供優(yōu)化方向。驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性：將數(shù)值模擬結(jié)果與已有的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或相關(guān)研究成果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，評(píng)估數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性。對(duì)于存在差異的部分，深入分析原因，對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行改進(jìn)和完善。例如，將數(shù)值模擬得到的房屋表面風(fēng)壓分布與風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，檢查兩者的一致性；將模擬的風(fēng)驅(qū)雨量和雨滴沖擊力與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證模型對(duì)風(fēng)雨作用的模擬能力。通過驗(yàn)證和改進(jìn)，提高數(shù)值模擬結(jié)果的可信度，使其能夠更好地應(yīng)用于工程實(shí)際。提出防護(hù)措施和建議：根據(jù)數(shù)值模擬和分析的結(jié)果，針對(duì)風(fēng)雨共同作用對(duì)低層房屋的破壞形式和影響因素，提出相應(yīng)的防護(hù)措施和建議。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建筑構(gòu)造、材料選用等方面入手，提高低層房屋在風(fēng)雨環(huán)境下的安全性和可靠性。例如，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，合理增加結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局，提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力；在建筑構(gòu)造方面，改進(jìn)屋面排水系統(tǒng)，加強(qiáng)門窗的密封性能，防止雨水滲漏；在材料選用方面，選擇具有良好抗風(fēng)、防水性能的建筑材料，提高房屋的耐久性。通過提出切實(shí)可行的防護(hù)措施和建議，為實(shí)際工程中的低層房屋抗風(fēng)設(shè)計(jì)和防護(hù)提供指導(dǎo)。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究綜合運(yùn)用多種研究方法，從理論分析、數(shù)值模擬到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，全面深入地探究風(fēng)雨共同作用對(duì)低層房屋的作用效應(yīng)，確保研究結(jié)果的科學(xué)性和可靠性。在研究方法上，采用CFD數(shù)值模擬方法作為核心手段。CFD技術(shù)基于計(jì)算流體力學(xué)原理，通過數(shù)值求解流體力學(xué)控制方程，能夠?qū)?fù)雜的流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。在本研究中，利用CFD軟件建立低層房屋周圍的風(fēng)雨場(chǎng)數(shù)值模型，模擬不同風(fēng)速、風(fēng)向、降雨強(qiáng)度等條件下，氣流在房屋周圍的流動(dòng)特性以及雨滴的運(yùn)動(dòng)軌跡和分布情況。通過這種方式，可以詳細(xì)獲取房屋表面的風(fēng)壓分布、風(fēng)驅(qū)雨量分布以及雨滴對(duì)房屋表面的沖擊力分布等關(guān)鍵信息，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)受力分析提供數(shù)據(jù)支持。結(jié)合理論分析方法，對(duì)風(fēng)雨共同作用下的物理現(xiàn)象和力學(xué)原理進(jìn)行深入剖析。從空氣動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等多學(xué)科角度出發(fā)，分析風(fēng)雨共同作用的耦合機(jī)制，推導(dǎo)相關(guān)的理論計(jì)算公式，為數(shù)值模擬提供理論依據(jù)。例如，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，分析風(fēng)速和風(fēng)向?qū)饬骼@流房屋的影響；依據(jù)流體力學(xué)理論，探討雨滴在氣流中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及雨滴與氣流的相互作用；運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)，研究房屋結(jié)構(gòu)在風(fēng)雨荷載作用下的受力特性和變形響應(yīng)。通過理論分析，明確各因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，深入理解風(fēng)雨共同作用對(duì)低層房屋的作用機(jī)理。為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，采用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法。收集已有的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或相關(guān)研究成果，與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)軌蛟趯?shí)驗(yàn)室條件下模擬真實(shí)的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境，通過在風(fēng)洞中放置低層房屋模型，測(cè)量模型表面的風(fēng)壓、風(fēng)速等參數(shù)，獲取實(shí)際的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)則是在實(shí)際的低層房屋上布置傳感器，直接測(cè)量在自然風(fēng)雨條件下房屋所承受的荷載和響應(yīng)。通過將數(shù)值模擬結(jié)果與這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，檢查兩者之間的一致性和差異。對(duì)于存在差異的部分，深入分析原因，如數(shù)值模型的簡(jiǎn)化、邊界條件的設(shè)定、實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差等，進(jìn)而對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行改進(jìn)和完善，提高模擬結(jié)果的可信度。本研究的技術(shù)路線如下：模型建立：依據(jù)實(shí)際低層房屋的建筑圖紙和結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用專業(yè)的三維建模軟件（如SolidWorks、3dsMax等）構(gòu)建精確的房屋三維幾何模型。在建模過程中，詳細(xì)考慮房屋的體型系數(shù)、屋面坡度、門窗位置和尺寸等關(guān)鍵因素，確保模型能夠真實(shí)反映實(shí)際房屋的幾何特征。將建立好的三維模型導(dǎo)入CFD軟件（如ANSYSFluent、OpenFOAM等）中，根據(jù)大氣邊界層理論和實(shí)際氣象條件，設(shè)定合適的邊界條件。例如，定義入口邊界的風(fēng)速、風(fēng)向和湍流強(qiáng)度，出口邊界的壓力條件，以及房屋表面的壁面條件等。同時(shí)，根據(jù)降雨的相關(guān)特性，設(shè)置雨滴的初始速度、粒徑分布、降雨強(qiáng)度等參數(shù)，建立風(fēng)雨共同作用的數(shù)值模型。數(shù)值模擬計(jì)算：利用CFD軟件的求解器，對(duì)建立好的數(shù)值模型進(jìn)行求解計(jì)算。在計(jì)算過程中，采用合適的數(shù)值算法和離散格式，確保計(jì)算的穩(wěn)定性和精度。例如，對(duì)于氣流場(chǎng)的計(jì)算，可采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，選擇合適的湍流模型（如k-ε模型、k-ω模型等）來(lái)模擬湍流效應(yīng)；對(duì)于雨滴運(yùn)動(dòng)的計(jì)算，采用離散相模型（DPM）來(lái)跟蹤雨滴的軌跡，考慮雨滴與氣流的相互作用以及雨滴對(duì)房屋表面的沖擊作用。通過迭代計(jì)算，逐步收斂得到不同風(fēng)雨條件下房屋周圍的氣流場(chǎng)、雨滴運(yùn)動(dòng)軌跡以及房屋表面的風(fēng)壓、風(fēng)驅(qū)雨量和雨滴沖擊力等分布結(jié)果。結(jié)果分析與可視化：對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行深入分析，提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)和信息。例如，分析房屋表面不同位置的風(fēng)壓系數(shù)分布，找出風(fēng)壓較大的區(qū)域，評(píng)估風(fēng)荷載對(duì)房屋結(jié)構(gòu)的影響；研究風(fēng)驅(qū)雨量在房屋表面的分布規(guī)律，確定雨水積聚較多的部位，分析雨荷載對(duì)房屋的作用；計(jì)算雨滴對(duì)房屋表面的沖擊力大小和分布，評(píng)估雨滴沖擊對(duì)房屋表面材料的損傷風(fēng)險(xiǎn)。利用CFD軟件自帶的后處理功能或?qū)I(yè)的數(shù)據(jù)分析軟件（如Tecplot、Paraview等），將模擬結(jié)果進(jìn)行可視化處理，以云圖、矢量圖、流線圖等直觀的形式展示氣流場(chǎng)、雨滴運(yùn)動(dòng)軌跡和荷載分布情況，便于更清晰地觀察和分析模擬結(jié)果。參數(shù)分析與優(yōu)化：改變數(shù)值模型中的相關(guān)參數(shù)，如房屋的體型系數(shù)、屋面坡度、門窗開啟方式、風(fēng)速、降雨強(qiáng)度等，進(jìn)行多組數(shù)值模擬計(jì)算。通過對(duì)比不同參數(shù)組合下的模擬結(jié)果，分析各參數(shù)對(duì)風(fēng)雨共同作用效應(yīng)的影響規(guī)律。例如，研究屋面坡度的變化對(duì)風(fēng)驅(qū)雨量和雨荷載分布的影響，分析不同門窗開啟方式下房屋內(nèi)部的風(fēng)壓分布和雨水滲漏情況，探討風(fēng)速和降雨強(qiáng)度的增加對(duì)房屋結(jié)構(gòu)受力和變形的影響程度。根據(jù)參數(shù)分析的結(jié)果，確定影響風(fēng)雨共同作用效應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)，并針對(duì)這些關(guān)鍵參數(shù)提出優(yōu)化建議，為低層房屋的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。驗(yàn)證與改進(jìn)：將數(shù)值模擬結(jié)果與已有的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或相關(guān)研究成果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。對(duì)比分析模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在風(fēng)壓分布、風(fēng)驅(qū)雨量、雨滴沖擊力等方面的一致性和差異。對(duì)于存在差異的部分，深入分析原因，如數(shù)值模型的簡(jiǎn)化、邊界條件的設(shè)定、實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差等。根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行改進(jìn)和完善，調(diào)整模型參數(shù)、優(yōu)化邊界條件或改進(jìn)數(shù)值算法，提高數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。通過反復(fù)驗(yàn)證和改進(jìn)，使數(shù)值模型能夠更好地模擬實(shí)際的風(fēng)雨共同作用工況，為低層房屋的抗風(fēng)設(shè)計(jì)和防護(hù)提供更可靠的依據(jù)。二、數(shù)值模擬的基本理論與方法2.1計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算流體力學(xué)（ComputationalFluidDynamics，CFD）是一門通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)進(jìn)行分析的學(xué)科。它以流體力學(xué)基本方程（如Navier-Stokes方程）為基礎(chǔ)，利用數(shù)值計(jì)算方法將求解區(qū)域離散化，通過計(jì)算機(jī)迭代求解離散后的代數(shù)方程組，從而獲得流場(chǎng)中各物理量（如速度、壓力、溫度等）的分布情況。CFD的發(fā)展歷程與計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步緊密相連。其起源可追溯到第二次世界大戰(zhàn)前后，在20世紀(jì)60年代左右逐漸形成一門獨(dú)立的學(xué)科。在初始階段（1965-1974），主要致力于解決計(jì)算流體力學(xué)中的基本理論問題，如建立各類模型方程（包括湍流、流變、傳熱、輻射、氣體-顆粒作用、化學(xué)反應(yīng)、燃燒等相關(guān)方程）、研究數(shù)值方法（如差分格式、代數(shù)方程求解等）、探索網(wǎng)格劃分技術(shù)以及進(jìn)行程序編寫與實(shí)現(xiàn)等。期間，通過將數(shù)值結(jié)果與大量傳統(tǒng)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及精確解進(jìn)行對(duì)比，來(lái)確定數(shù)值預(yù)測(cè)方法的可靠性、精確性及影響規(guī)律。為解決工程中復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)問題，Thompson、Thams和Mastin提出采用微分方程生成適體坐標(biāo)體系，使CFD對(duì)不規(guī)則幾何流動(dòng)區(qū)域的適應(yīng)性顯著增強(qiáng)，逐漸形成了專門的“網(wǎng)格形成技術(shù)”研究領(lǐng)域。隨著數(shù)值預(yù)測(cè)原理和方法的不斷完善，CFD進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段（1975-1984年）。這一時(shí)期，主要探討CFD在解決實(shí)際工程問題中的可行性、可靠性及工業(yè)化推廣應(yīng)用。CFD技術(shù)開始向各種以流動(dòng)為基礎(chǔ)的工程問題拓展，如氣固、液固多相流、非牛頓流、化學(xué)反應(yīng)流、煤粉燃燒等。1977年，Spalding等開發(fā)的用于預(yù)測(cè)二維邊界層內(nèi)遷移現(xiàn)象的GENMIX程序公開，1981年，CHAM公司將包裝后的計(jì)算軟件（PHONNICS－鳳凰）正式投放市場(chǎng)，開創(chuàng)了CFD商業(yè)軟件的先河。我國(guó)在80年代初期，隨著與國(guó)外交流的發(fā)展，科學(xué)院和部分高校也興起了CFD的研究熱潮。從1984年至今，CFD進(jìn)入快速發(fā)展階段。在工程設(shè)計(jì)應(yīng)用以及應(yīng)用效果研究方面取得了豐碩成果，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都得到了充分認(rèn)可。Spalding領(lǐng)導(dǎo)的CHAM公司在發(fā)達(dá)國(guó)家工業(yè)界進(jìn)行了大量推廣工作，Patankar也在美國(guó)工程師協(xié)會(huì)協(xié)助下舉行了大范圍培訓(xùn)。如今，CFD技術(shù)不斷發(fā)展，新的數(shù)值算法、湍流模型和多物理場(chǎng)耦合算法等不斷涌現(xiàn)，其應(yīng)用范圍也日益廣泛。CFD的研究?jī)?nèi)容涵蓋多個(gè)方面，包括流動(dòng)控制方程的建立與求解、湍流模型的研究與應(yīng)用、網(wǎng)格生成技術(shù)以及數(shù)值算法的開發(fā)與優(yōu)化等。流動(dòng)控制方程是描述流體運(yùn)動(dòng)的基本數(shù)學(xué)表達(dá)式，Navier-Stokes方程是其核心，它基于質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒定律建立，能夠全面描述粘性不可壓縮流體的運(yùn)動(dòng)。然而，由于該方程的非線性和復(fù)雜性，通常需要采用數(shù)值方法進(jìn)行求解。湍流是一種高度復(fù)雜的不規(guī)則流動(dòng)，在自然界和工程領(lǐng)域中廣泛存在。研究湍流模型是CFD的重要內(nèi)容之一，旨在通過建立合適的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述湍流的特性和影響。常見的湍流模型包括零方程模型（如Prandtl混合長(zhǎng)度模型）、一方程模型（如Spalart-Allmaras模型）、兩方程模型（如標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型、可實(shí)現(xiàn)k-ε模型等）以及雷諾應(yīng)力模型（RSM）、大渦模擬（LES）等。不同的湍流模型適用于不同的流動(dòng)工況，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體問題進(jìn)行合理選擇。例如，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型具有較高的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和計(jì)算精度，應(yīng)用廣泛，適合高雷諾數(shù)湍流，但不適合旋流等各向異性較強(qiáng)的流動(dòng)；而雷諾應(yīng)力模型沒有采用渦粘性各項(xiàng)同性假設(shè)，在理論上比其他一些模型更精確，適用于強(qiáng)旋流等復(fù)雜流動(dòng)。網(wǎng)格生成技術(shù)是CFD的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它將求解區(qū)域離散為有限個(gè)網(wǎng)格單元，直接影響計(jì)算精度和效率。常見的網(wǎng)格類型有結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有規(guī)則的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)排列有序，在處理規(guī)則幾何形狀的計(jì)算區(qū)域時(shí)具有優(yōu)勢(shì)，其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算較為方便，數(shù)值計(jì)算精度較高。然而，對(duì)于復(fù)雜幾何形狀，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的生成難度較大，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格則更加靈活，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的幾何形狀，生成過程相對(duì)簡(jiǎn)單。但非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)編號(hào)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)較為復(fù)雜，計(jì)算效率相對(duì)較低。在實(shí)際應(yīng)用中，常常根據(jù)計(jì)算區(qū)域的特點(diǎn)和計(jì)算要求，選擇合適的網(wǎng)格類型或采用混合網(wǎng)格技術(shù)。數(shù)值算法是求解CFD問題的具體計(jì)算方法，包括有限差分法、有限元法、有限體積法等。有限差分法是將控制方程中的導(dǎo)數(shù)用差商近似，將求解區(qū)域離散為網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，通過在節(jié)點(diǎn)上建立差分方程來(lái)求解物理量。該方法原理簡(jiǎn)單，易于編程實(shí)現(xiàn)，但在處理復(fù)雜邊界條件時(shí)存在一定困難。有限元法基于變分原理，將求解區(qū)域劃分為有限個(gè)單元，通過在單元上構(gòu)造插值函數(shù)來(lái)逼近物理量的解。它適用于求解復(fù)雜幾何形狀和邊界條件的問題，能夠靈活處理各種材料特性和物理場(chǎng)，但計(jì)算過程較為復(fù)雜，計(jì)算量較大。有限體積法是將控制方程在有限大小的控制體積上進(jìn)行積分，利用通量守恒原理建立離散方程。該方法保證了物理量在控制體積上的守恒性，在CFD中得到了廣泛應(yīng)用，如在商業(yè)CFD軟件ANSYSFluent中，有限體積法是主要的數(shù)值求解方法之一。CFD的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，在航空航天領(lǐng)域，用于飛機(jī)、火箭等飛行器的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化。通過CFD模擬，可以預(yù)測(cè)飛行器在不同飛行條件下的氣動(dòng)力、力矩和表面壓力分布，優(yōu)化飛行器的外形設(shè)計(jì)，提高飛行性能和燃油效率。在汽車工業(yè)中，CFD可用于汽車的外流場(chǎng)分析、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)、車內(nèi)氣流組織優(yōu)化等。例如，通過模擬汽車行駛時(shí)周圍的空氣流動(dòng)，優(yōu)化汽車的外形，降低風(fēng)阻，提高燃油經(jīng)濟(jì)性；模擬發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的氣流和溫度分布，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。在能源領(lǐng)域，CFD在風(fēng)力發(fā)電、燃燒過程模擬、核電站安全分析等方面發(fā)揮著重要作用。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)，CFD可模擬風(fēng)輪周圍的流場(chǎng)，優(yōu)化葉片設(shè)計(jì)，提高風(fēng)能利用效率；在燃燒過程模擬中，CFD可研究燃燒室內(nèi)的燃燒過程，優(yōu)化燃燒器設(shè)計(jì)，提高燃燒效率，減少污染物排放。在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域，CFD可用于大氣污染擴(kuò)散模擬、城市風(fēng)環(huán)境分析、河流和海洋水流模擬等。通過模擬大氣中污染物的擴(kuò)散過程，為環(huán)境監(jiān)測(cè)和污染治理提供依據(jù)；分析城市風(fēng)環(huán)境，優(yōu)化城市規(guī)劃和建筑布局，改善城市微氣候。此外，CFD在生物醫(yī)學(xué)、水利工程、船舶設(shè)計(jì)等眾多領(lǐng)域也都有著重要的應(yīng)用，為解決各種復(fù)雜的流體流動(dòng)問題提供了有效的手段。2.2湍流模型與數(shù)值算法2.2.1湍流理論與模型湍流是自然界和工程領(lǐng)域中普遍存在的一種復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象。與層流的規(guī)則有序流動(dòng)不同，湍流具有高度的隨機(jī)性、不規(guī)則性和強(qiáng)非線性。在湍流中，流體的速度、壓力等物理量會(huì)隨時(shí)間和空間發(fā)生劇烈的脈動(dòng)變化，這種脈動(dòng)使得湍流的流動(dòng)特性和能量傳遞過程變得極為復(fù)雜。從微觀角度來(lái)看，湍流中的流體微團(tuán)做著無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，它們之間相互混合、碰撞和交換動(dòng)量、熱量及質(zhì)量。這種微觀層面的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了宏觀上湍流的獨(dú)特性質(zhì)。例如，在大氣邊界層中，由于地面的摩擦和加熱作用，空氣流動(dòng)呈現(xiàn)出湍流狀態(tài)，風(fēng)速和風(fēng)向會(huì)不斷變化，這種變化對(duì)建筑物所承受的風(fēng)荷載產(chǎn)生了重要影響。在管道流動(dòng)中，當(dāng)流速達(dá)到一定程度時(shí)，層流會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，湍流的出現(xiàn)會(huì)增加流體與管道壁面之間的摩擦阻力，影響流體的輸送效率。為了描述和預(yù)測(cè)湍流現(xiàn)象，人們提出了多種湍流模型。這些模型基于不同的假設(shè)和理論，各有其特點(diǎn)和適用范圍。常見的湍流模型包括零方程模型、一方程模型、兩方程模型、雷諾應(yīng)力模型以及大渦模擬等。零方程模型是最早提出的湍流模型之一，其中最具代表性的是Prandtl混合長(zhǎng)度模型。該模型基于Boussinesq假設(shè)，引入渦粘性系數(shù)來(lái)模擬湍流的影響。渦粘性系數(shù)與流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相關(guān)，通過假設(shè)渦粘性系數(shù)與混合長(zhǎng)度的關(guān)系來(lái)封閉雷諾平均方程。Prandtl混合長(zhǎng)度模型認(rèn)為，在湍流中存在一個(gè)特征長(zhǎng)度尺度，即混合長(zhǎng)度，流體微團(tuán)在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)在混合長(zhǎng)度內(nèi)保持其原有屬性，然后與周圍流體混合。該模型形式簡(jiǎn)單，計(jì)算成本低，在一些簡(jiǎn)單流動(dòng)問題中，如平板邊界層流動(dòng)，能夠給出較為合理的結(jié)果。然而，由于其假設(shè)過于簡(jiǎn)單，沒有考慮湍流的各向異性和復(fù)雜的物理機(jī)制，對(duì)于復(fù)雜流動(dòng)的模擬精度較差，適用范圍有限。一方程模型在零方程模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，引入了一個(gè)湍流量的輸運(yùn)方程。其中，Spalart-Allmaras模型是一種典型的一方程模型，它求解一個(gè)關(guān)于湍動(dòng)粘性的輸運(yùn)方程。該模型針對(duì)特定類型的流動(dòng)，如航空航天領(lǐng)域中飛行器繞流問題，具有較好的計(jì)算效率和準(zhǔn)確性。在處理邊界層流動(dòng)時(shí)，Spalart-Allmaras模型能夠考慮壁面附近的湍流特性，通過對(duì)湍動(dòng)粘性的輸運(yùn)方程進(jìn)行求解，更準(zhǔn)確地描述壁面附近的流動(dòng)狀態(tài)。但該模型同樣存在局限性，它只考慮了一個(gè)湍流量，對(duì)于復(fù)雜的多尺度湍流現(xiàn)象的描述能力相對(duì)較弱，在模擬具有強(qiáng)分離、大尺度渦旋等復(fù)雜流動(dòng)時(shí)，精度可能無(wú)法滿足要求。兩方程模型是目前應(yīng)用最為廣泛的湍流模型之一，它通過求解兩個(gè)湍流量的輸運(yùn)方程來(lái)描述湍流特性。常見的兩方程模型有標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型和可實(shí)現(xiàn)k-ε模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型求解湍動(dòng)能k和湍動(dòng)能耗散率ε的輸運(yùn)方程。湍動(dòng)能k表示單位質(zhì)量流體所具有的湍動(dòng)動(dòng)能，它反映了湍流的強(qiáng)度；湍動(dòng)能耗散率ε則描述了湍動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散的速率。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型基于Boussinesq假設(shè)，通過渦粘性系數(shù)將雷諾應(yīng)力與平均速度梯度聯(lián)系起來(lái)，從而封閉雷諾平均方程。該模型具有較高的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和計(jì)算精度，在許多工程實(shí)際問題中得到了廣泛應(yīng)用。例如，在建筑風(fēng)工程中，對(duì)于大多數(shù)常規(guī)建筑結(jié)構(gòu)周圍的風(fēng)場(chǎng)模擬，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型能夠給出較為合理的結(jié)果，可用于估算建筑表面的風(fēng)壓分布和結(jié)構(gòu)所承受的風(fēng)荷載。然而，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型也存在一些不足之處。它是基于完全湍流的假設(shè)建立的，在近壁區(qū)域，分子粘性的影響不可忽略，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的假設(shè)不再成立，需要使用壁面函數(shù)來(lái)處理近壁區(qū)域的流動(dòng)。此外，該模型在預(yù)測(cè)強(qiáng)分離流、包含大曲率的流動(dòng)和強(qiáng)壓力梯度流動(dòng)時(shí)，結(jié)果相對(duì)較弱，因?yàn)樗鼪]有充分考慮湍流的各向異性和復(fù)雜的渦旋結(jié)構(gòu)。RNGk-ε模型是基于重整化群理論推導(dǎo)出來(lái)的，它在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。在ε方程中加入了一個(gè)條件，有效地改善了精度；考慮到了湍流漩渦的影響，提高了對(duì)具有較強(qiáng)旋流流動(dòng)的模擬精度；RNG理論還為湍流Prandtl數(shù)提供了一個(gè)解析公式，而標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型使用的是用戶提供的常數(shù)；此外，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是一種高雷諾數(shù)的模型，RNG理論提供了一個(gè)考慮低雷諾數(shù)流動(dòng)粘性的解析公式。這些改進(jìn)使得RNGk-ε模型比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在更廣泛的流動(dòng)中有更高的可信度和精度。例如，在模擬具有旋轉(zhuǎn)流的風(fēng)場(chǎng)時(shí)，RNGk-ε模型能夠更好地捕捉到旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，對(duì)氣流的運(yùn)動(dòng)和壓力分布的預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確。但RNGk-ε模型也并非完美無(wú)缺，在某些情況下，其計(jì)算結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)一定的偏差，而且模型的復(fù)雜性相對(duì)較高，計(jì)算成本也會(huì)相應(yīng)增加?？蓪?shí)現(xiàn)k-ε模型是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種兩方程模型，它與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型相比，有兩個(gè)主要的不同點(diǎn)。為湍流粘性增加了一個(gè)公式，使得對(duì)湍流粘性的描述更加準(zhǔn)確；為耗散率增加了新的傳輸方程，這個(gè)方程來(lái)源于一個(gè)為層流速度波動(dòng)而作的精確方程。術(shù)語(yǔ)“realizable”意味著模型要確保在雷諾壓力中要有數(shù)學(xué)約束，以保證湍流的連續(xù)性?？蓪?shí)現(xiàn)k-ε模型在平板和圓柱射流的發(fā)散比率預(yù)測(cè)上比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型更加精確，對(duì)于旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動(dòng)、流動(dòng)分離和二次流等復(fù)雜流動(dòng)也有很好的表現(xiàn)。在模擬建筑物周圍的風(fēng)場(chǎng)時(shí)，如果存在流動(dòng)分離和復(fù)雜的二次流現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)k-ε模型能夠更準(zhǔn)確地捕捉到這些流動(dòng)特征，為建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供更可靠的依據(jù)。然而，該模型在某些特殊流動(dòng)條件下，如同時(shí)存在靜止區(qū)與旋轉(zhuǎn)的流場(chǎng)計(jì)算中，可能會(huì)產(chǎn)生非物理湍流粘性，因此在選用時(shí)需要謹(jǐn)慎考慮。雷諾應(yīng)力模型（RSM）沒有采用渦粘性各項(xiàng)同性假設(shè)，直接求解雷諾應(yīng)力分量的輸運(yùn)方程。在雷諾應(yīng)力模型中，考慮了雷諾應(yīng)力的各個(gè)分量之間的相互作用以及它們與平均速度梯度的關(guān)系，能夠更準(zhǔn)確地描述湍流的各向異性特性。與其他模型相比，RSM在理論上更加精確，尤其適用于強(qiáng)旋流、復(fù)雜邊界條件和各向異性較強(qiáng)的流動(dòng)。例如，在模擬大型冷卻塔等具有復(fù)雜氣流流動(dòng)的結(jié)構(gòu)時(shí)，雷諾應(yīng)力模型能夠更好地考慮氣流的旋轉(zhuǎn)和各向異性，對(duì)塔內(nèi)和塔周圍的流場(chǎng)分布以及壓力變化的模擬更加準(zhǔn)確。但是，雷諾應(yīng)力模型的計(jì)算量較大，因?yàn)樗枰蠼舛鄠€(gè)雷諾應(yīng)力分量的輸運(yùn)方程，在三維流動(dòng)中，需要增加7個(gè)方程來(lái)封閉方程組。這使得該模型的計(jì)算成本高昂，對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求較高，而且模型中存在一些未知的系數(shù)和函數(shù)，需要通過實(shí)驗(yàn)或其他方法進(jìn)行確定，增加了模型應(yīng)用的難度。大渦模擬（LES）是一種基于湍流的尺度分離思想的數(shù)值模擬方法。它通過求解大尺度渦的運(yùn)動(dòng)方程，直接模擬大尺度渦的運(yùn)動(dòng)，而對(duì)小尺度渦的影響采用亞格子模型進(jìn)行模擬。大渦模擬能夠捕捉到湍流中的大尺度結(jié)構(gòu)和其隨時(shí)間的演變過程，對(duì)于研究湍流的物理機(jī)制和復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象具有重要意義。在模擬大氣邊界層中的風(fēng)場(chǎng)時(shí)，大渦模擬可以清晰地展現(xiàn)出大尺度的風(fēng)渦結(jié)構(gòu)及其對(duì)建筑物的作用。與其他湍流模型相比，大渦模擬具有更高的精度，能夠提供更詳細(xì)的流場(chǎng)信息。然而，大渦模擬對(duì)計(jì)算資源的需求極大，因?yàn)樗枰獙?duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行非常精細(xì)的網(wǎng)格劃分，以準(zhǔn)確捕捉大尺度渦的運(yùn)動(dòng)。這使得大渦模擬的計(jì)算成本極高，目前在實(shí)際工程應(yīng)用中受到一定的限制，主要用于對(duì)湍流機(jī)理研究和對(duì)精度要求極高的科研項(xiàng)目中。2.2.2數(shù)值算法與離散方法在計(jì)算流體力學(xué)中，數(shù)值算法是求解流動(dòng)控制方程的核心工具，其基本原理是將連續(xù)的流體力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為離散的代數(shù)方程組，通過計(jì)算機(jī)迭代求解這些方程組來(lái)獲得流場(chǎng)中各物理量的數(shù)值解。不同的數(shù)值算法具有各自的特點(diǎn)和適用范圍，合理選擇數(shù)值算法對(duì)于提高計(jì)算效率和精度至關(guān)重要。有限體積法（FiniteVolumeMethod，F(xiàn)VM）是CFD中廣泛應(yīng)用的一種離散方法。其基本思想是將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列不重疊的控制體積，對(duì)每個(gè)控制體積應(yīng)用守恒定律，將控制方程在控制體積上進(jìn)行積分，從而得到離散的代數(shù)方程。在二維流場(chǎng)模擬中，對(duì)于不可壓縮流體的Navier-Stokes方程，利用有限體積法將計(jì)算區(qū)域離散成網(wǎng)格，在每個(gè)網(wǎng)格單元（即控制體積）上對(duì)動(dòng)量方程和連續(xù)性方程進(jìn)行積分。通過對(duì)控制體積邊界上的通量進(jìn)行計(jì)算和插值，將方程轉(zhuǎn)化為關(guān)于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上物理量（如速度、壓力）的代數(shù)方程。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于它保證了物理量在控制體積上的守恒性，即通過控制體積界面流入和流出的物理量的凈通量等于控制體積內(nèi)物理量的變化率。這使得有限體積法在物理意義上更加直觀，能夠準(zhǔn)確地反映流體的守恒特性。此外，有限體積法對(duì)網(wǎng)格的適應(yīng)性較強(qiáng)，可以處理結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。在處理復(fù)雜幾何形狀的計(jì)算區(qū)域時(shí)，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠更好地貼合邊界，而有限體積法可以方便地應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格上，通過合理的插值和通量計(jì)算方法，保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。在有限體積法中，通量的計(jì)算是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。常用的通量計(jì)算方法有中心差分格式、迎風(fēng)格式和QUICK格式等。中心差分格式基于節(jié)點(diǎn)上物理量的中心值來(lái)計(jì)算通量，在流場(chǎng)變化較為平緩的情況下，具有較高的精度。但當(dāng)流場(chǎng)存在較大的梯度或激波等強(qiáng)間斷時(shí)，中心差分格式可能會(huì)產(chǎn)生數(shù)值振蕩，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不穩(wěn)定。迎風(fēng)格式則根據(jù)流動(dòng)的方向，選擇上游節(jié)點(diǎn)的物理量來(lái)計(jì)算通量。這種格式在處理對(duì)流占主導(dǎo)的流動(dòng)時(shí)具有較好的穩(wěn)定性，能夠有效地抑制數(shù)值振蕩。因?yàn)樵趯?duì)流占主導(dǎo)的情況下，信息主要是從上游向下游傳遞，迎風(fēng)格式能夠準(zhǔn)確地捕捉到這種信息傳遞過程。然而，迎風(fēng)格式通常具有一階精度，對(duì)于一些對(duì)精度要求較高的問題，可能無(wú)法滿足需求。QUICK格式（QuadraticUpwindInterpolationforConvectiveKinematics）是一種高階迎風(fēng)格式，它通過二次插值來(lái)計(jì)算通量，具有較高的精度。QUICK格式在保證穩(wěn)定性的同時(shí)，能夠更準(zhǔn)確地捕捉流場(chǎng)中的細(xì)節(jié)信息，對(duì)于復(fù)雜流動(dòng)的模擬具有較好的效果。在模擬具有復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)的風(fēng)場(chǎng)時(shí)，QUICK格式能夠更精確地描述氣流的速度和壓力分布，為后續(xù)的分析提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。除了通量計(jì)算方法，離散方程的求解也是數(shù)值計(jì)算中的重要步驟。對(duì)于不可壓縮流體的流動(dòng)問題，由于壓力與速度之間存在耦合關(guān)系，求解過程較為復(fù)雜。SIMPLE算法（Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations）是一種常用的求解不可壓縮流體流動(dòng)的算法，專門用于解決壓力-速度耦合問題。其基本思想是通過預(yù)設(shè)的壓力場(chǎng)，代入到動(dòng)量方程中，求解各方向上的速度場(chǎng)；然后根據(jù)質(zhì)量守恒方程構(gòu)建壓力泊松方程，進(jìn)行壓力修正，再進(jìn)行速度修正，反復(fù)迭代，直到達(dá)到預(yù)設(shè)的收斂條件。在實(shí)際計(jì)算中，首先給定一個(gè)猜測(cè)的壓力場(chǎng)，將其代入動(dòng)量方程中，忽略壓力項(xiàng)，求解得到一個(gè)暫態(tài)速度場(chǎng)。接著，利用連續(xù)性方程推導(dǎo)壓力修正方程，通過求解壓力修正方程得到壓力修正值。然后，利用壓力修正值對(duì)暫態(tài)速度場(chǎng)進(jìn)行修正，使其滿足連續(xù)性方程。不斷重復(fù)上述步驟，直到速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)收斂，即滿足預(yù)設(shè)的收斂準(zhǔn)則，如速度和壓力的殘差小于給定的閾值。SIMPLE算法的收斂速度和穩(wěn)定性與松弛因子等參數(shù)密切相關(guān)。松弛因子用于控制迭代過程中物理量的更新速度，合適的松弛因子可以加快收斂速度，提高計(jì)算效率。如果松弛因子選擇過大，可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算發(fā)散；而選擇過小，則會(huì)使收斂速度變慢。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體問題進(jìn)行調(diào)整，以獲得最佳的計(jì)算效果。2.3雨荷載模型建立2.3.1雨滴運(yùn)動(dòng)方程雨滴在下落過程中，受到重力、風(fēng)力和空氣阻力等多種力的共同作用，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是這些力相互平衡的結(jié)果。為了準(zhǔn)確描述雨滴的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度變化，需要建立相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方程。根據(jù)牛頓第二定律，雨滴在三維空間中的運(yùn)動(dòng)方程可以表示為：\begin{cases}m\frac{dv_x}{dt}=F_{gx}+F_{wx}-F_{dx}\\m\frac{dv_y}{dt}=F_{gy}+F_{wy}-F_{dy}\\m\frac{dv_z}{dt}=F_{gz}+F_{wz}-F_{dz}\end{cases}其中，m為雨滴質(zhì)量，v_x、v_y、v_z分別為雨滴在x、y、z方向上的速度分量，t為時(shí)間，F(xiàn)_{gx}、F_{gy}、F_{gz}分別為重力在三個(gè)方向上的分量，F(xiàn)_{wx}、F_{wy}、F_{wz}分別為風(fēng)力在三個(gè)方向上的分量，F(xiàn)_{dx}、F_{dy}、F_{dz}分別為空氣阻力在三個(gè)方向上的分量。重力的計(jì)算公式為：\begin{cases}F_{gx}=0\\F_{gy}=0\\F_{gz}=mg\end{cases}其中，g為重力加速度。風(fēng)力可以根據(jù)風(fēng)速和雨滴與空氣的相對(duì)速度來(lái)計(jì)算，假設(shè)風(fēng)速在x、y、z方向上的分量分別為u、v、w，則風(fēng)力在三個(gè)方向上的分量為：\begin{cases}F_{wx}=C_D\frac{\pid^2}{8}\rho_a(u-v_x)\sqrt{(u-v_x)^2+(v-v_y)^2+(w-v_z)^2}\\F_{wy}=C_D\frac{\pid^2}{8}\rho_a(v-v_y)\sqrt{(u-v_x)^2+(v-v_y)^2+(w-v_z)^2}\\F_{wz}=C_D\frac{\pid^2}{8}\rho_a(w-v_z)\sqrt{(u-v_x)^2+(v-v_y)^2+(w-v_z)^2}\end{cases}其中，C_D為阻力系數(shù)，它與雨滴的形狀、大小以及雷諾數(shù)有關(guān)，通常需要通過實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定；d為雨滴直徑；\rho_a為空氣密度。空氣阻力的計(jì)算公式與風(fēng)力類似，其在三個(gè)方向上的分量為：\begin{cases}F_{dx}=C_D\frac{\pid^2}{8}\rho_av_x\sqrt{v_x^2+v_y^2+v_z^2}\\F_{dy}=C_D\frac{\pid^2}{8}\rho_av_y\sqrt{v_x^2+v_y^2+v_z^2}\\F_{dz}=C_D\frac{\pid^2}{8}\rho_av_z\sqrt{v_x^2+v_y^2+v_z^2}\end{cases}將上述重力、風(fēng)力和空氣阻力的表達(dá)式代入牛頓第二定律的運(yùn)動(dòng)方程中，得到雨滴在三維空間中的完整運(yùn)動(dòng)方程：\begin{cases}m\frac{dv_x}{dt}=C_D\frac{\pid^2}{8}\rho_a(u-v_x)\sqrt{(u-v_x)^2+(v-v_y)^2+(w-v_z)^2}-C_D\frac{\pid^2}{8}\rho_av_x\sqrt{v_x^2+v_y^2+v_z^2}\\m\frac{dv_y}{dt}=C_D\frac{\pid^2}{8}\rho_a(v-v_y)\sqrt{(u-v_x)^2+(v-v_y)^2+(w-v_z)^2}-C_D\frac{\pid^2}{8}\rho_av_y\sqrt{v_x^2+v_y^2+v_z^2}\\m\frac{dv_z}{dt}=mg+C_D\frac{\pid^2}{8}\rho_a(w-v_z)\sqrt{(u-v_x)^2+(v-v_y)^2+(w-v_z)^2}-C_D\frac{\pid^2}{8}\rho_av_z\sqrt{v_x^2+v_y^2+v_z^2}\end{cases}這個(gè)運(yùn)動(dòng)方程考慮了重力、風(fēng)力和空氣阻力的綜合作用，能夠較為準(zhǔn)確地描述雨滴在風(fēng)雨環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)情況。通過求解該方程，可以得到雨滴在不同時(shí)刻的速度和位置，為進(jìn)一步研究雨滴對(duì)建筑物的沖擊作用以及風(fēng)雨共同作用下的建筑結(jié)構(gòu)響應(yīng)提供基礎(chǔ)。在實(shí)際數(shù)值模擬中，通常采用數(shù)值積分方法（如四階龍格-庫(kù)塔法等）對(duì)上述運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行求解，以獲得雨滴運(yùn)動(dòng)軌跡的離散數(shù)值解。2.3.2雨滴沖擊力計(jì)算雨滴與建筑物表面碰撞時(shí)，會(huì)對(duì)表面產(chǎn)生沖擊力，這一沖擊力的大小和分布對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)安全和耐久性有著重要影響。為了準(zhǔn)確評(píng)估雨滴沖擊對(duì)建筑物的影響，需要深入分析雨滴與建筑物表面碰撞的力學(xué)過程，并給出沖擊力的計(jì)算公式。當(dāng)雨滴撞擊建筑物表面時(shí)，碰撞過程可分為三個(gè)階段：接觸階段、變形階段和反彈階段。在接觸階段，雨滴與建筑物表面開始接觸，速度逐漸減?。浑S著碰撞的進(jìn)行，進(jìn)入變形階段，雨滴在沖擊力的作用下發(fā)生變形，部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為雨滴的變形能；最后，在反彈階段，雨滴恢復(fù)部分變形并從建筑物表面反彈出去，此時(shí)雨滴的速度方向發(fā)生改變。根據(jù)動(dòng)量定理，雨滴對(duì)建筑物表面的沖擊力可以通過計(jì)算雨滴在碰撞過程中的動(dòng)量變化來(lái)確定。假設(shè)雨滴與建筑物表面碰撞的時(shí)間為\Deltat，碰撞前雨滴的速度為\vec{v}_1，碰撞后雨滴的速度為\vec{v}_2，則雨滴在碰撞過程中的動(dòng)量變化為\Delta\vec{p}=m(\vec{v}_2-\vec{v}_1)，其中m為雨滴質(zhì)量。根據(jù)動(dòng)量定理，沖擊力\vec{F}等于動(dòng)量變化率，即：\vec{F}=\frac{\Delta\vec{p}}{\Deltat}=\frac{m(\vec{v}_2-\vec{v}_1)}{\Deltat}在實(shí)際計(jì)算中，碰撞時(shí)間\Deltat和碰撞后的速度\vec{v}_2的確定較為復(fù)雜，通常需要考慮雨滴和建筑物表面的材料特性、碰撞角度等因素。一般來(lái)說，碰撞時(shí)間\Deltat可以通過實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算，它與雨滴的大小、速度以及建筑物表面的硬度等有關(guān)。碰撞后的速度\vec{v}_2則可以根據(jù)碰撞的恢復(fù)系數(shù)e來(lái)計(jì)算，恢復(fù)系數(shù)定義為碰撞后雨滴與建筑物表面分離時(shí)的相對(duì)速度與碰撞前相對(duì)速度的比值，即e=\frac{|\vec{v}_2-\vec{v}_{s2}|}{|\vec{v}_1-\vec{v}_{s1}|}，其中\(zhòng)vec{v}_{s1}和\vec{v}_{s2}分別為碰撞前和碰撞后建筑物表面的速度（通常建筑物表面在碰撞瞬間可近似認(rèn)為靜止，即\vec{v}_{s1}=\vec{v}_{s2}=0）。由此可得碰撞后雨滴的速度\vec{v}_2=-e\vec{v}_1，將其代入沖擊力公式中，得到：\vec{F}=\frac{m(-e\vec{v}_1-\vec{v}_1)}{\Deltat}=-\frac{m(1+e)\vec{v}_1}{\Deltat}沖擊力的方向與碰撞前雨滴速度的方向相反。在數(shù)值模擬中，通常將雨滴的沖擊力離散到建筑物表面的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上，通過計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)上受到的雨滴沖擊力，進(jìn)而得到建筑物表面的沖擊力分布。例如，在基于有限元方法的數(shù)值模擬中，可以將建筑物表面劃分為若干個(gè)小單元，每個(gè)單元對(duì)應(yīng)一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，通過統(tǒng)計(jì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)上雨滴的碰撞情況，計(jì)算該節(jié)點(diǎn)所受到的沖擊力。這樣就可以得到建筑物表面不同位置處的沖擊力大小，為評(píng)估雨滴沖擊對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)的影響提供數(shù)據(jù)支持。2.3.3降雨強(qiáng)度與雨量分布降雨強(qiáng)度是描述降雨特征的重要參數(shù)，它直接影響著雨荷載的大小和分布，對(duì)建筑物的設(shè)計(jì)和安全評(píng)估具有重要意義。降雨強(qiáng)度的定義是單位時(shí)間內(nèi)的降雨量，其表示方法主要有兩種：一種是用單位時(shí)間內(nèi)的降雨深度表示，單位為毫米/小時(shí)（mm/h）或毫米/分鐘（mm/min）；另一種是用單位時(shí)間內(nèi)單位面積上的降雨體積表示，單位為升/（秒?公頃）（L/(s?ha)）。其計(jì)算公式為：降雨強(qiáng)度=降雨量/降雨歷時(shí)。例如，在一場(chǎng)持續(xù)1小時(shí)的降雨中，降雨量為30毫米，則該場(chǎng)降雨的強(qiáng)度為30毫米/小時(shí)。降雨強(qiáng)度是決定暴雨徑流的關(guān)鍵因素之一，強(qiáng)度越大，雨勢(shì)越猛烈。在實(shí)際應(yīng)用中，計(jì)算相應(yīng)于某一歷時(shí)的最大平均降雨強(qiáng)度具有重要意義，一般來(lái)說，所取的歷時(shí)越短，求得的降雨強(qiáng)度越大。我國(guó)氣象部門對(duì)降雨強(qiáng)度進(jìn)行了分級(jí)，具體標(biāo)準(zhǔn)如下：小雨：12小時(shí)內(nèi)雨量小于5毫米，或24小時(shí)內(nèi)雨量小于10毫米；中雨：12小時(shí)內(nèi)雨量為5-14.9毫米，或24小時(shí)內(nèi)雨量為10-24.9毫米；大雨：12小時(shí)內(nèi)雨量為15-29.9毫米，或24小時(shí)內(nèi)雨量為25-49.9毫米；暴雨：12小時(shí)雨量等于和大于30毫米，或24小時(shí)雨量等于和大于50毫米；大暴雨：12小時(shí)雨量等于和大于70毫米，或24小時(shí)雨量等于和大于100毫米；特大暴雨：12小時(shí)雨量等于和大于140毫米，或24小時(shí)雨量等于和大于250毫米。雨量分布是指降雨在空間上的分布情況，它受到多種因素的影響，包括地形、氣候、風(fēng)向等。在山區(qū)，由于地形的起伏和山脈的阻擋，降雨分布往往不均勻，迎風(fēng)坡一側(cè)通常降雨量較大，而背風(fēng)坡一側(cè)降雨量相對(duì)較小。在城市地區(qū)，由于熱島效應(yīng)等因素的影響，降雨分布也可能與周圍郊區(qū)有所不同，城市中心區(qū)域的降雨量可能會(huì)比郊區(qū)略多。常用的雨量分布模型有均勻分布模型、高斯分布模型和指數(shù)分布模型等。均勻分布模型假設(shè)降雨在整個(gè)區(qū)域內(nèi)均勻分布，這種模型簡(jiǎn)單直觀，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于受到多種因素的影響，降雨往往并非均勻分布，因此均勻分布模型的適用范圍有限。高斯分布模型則考慮了降雨在空間上的隨機(jī)性和集中性，假設(shè)雨量分布符合高斯函數(shù)的形式。在一些研究中，通過對(duì)大量降雨數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，某些地區(qū)的雨量分布可以較好地用高斯分布來(lái)描述。指數(shù)分布模型則適用于描述降雨強(qiáng)度隨距離變化較快的情況，它假設(shè)雨量隨著距離的增加呈指數(shù)衰減。不同的雨量分布模型適用于不同的降雨條件和研究對(duì)象，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況選擇合適的模型來(lái)描述雨量分布。三、低層房屋風(fēng)雨作用效應(yīng)的二維數(shù)值模擬3.1計(jì)算模型建立3.1.1幾何模型構(gòu)建本研究以某典型雙坡屋面低層房屋為研究對(duì)象，構(gòu)建二維幾何模型。該房屋的主要尺寸參數(shù)如下：房屋長(zhǎng)度L=10m，房屋寬度B=6m，房屋高度H=3m，屋面坡度\theta=30^{\circ}。在幾何模型構(gòu)建過程中，充分考慮房屋的實(shí)際形狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，精確繪制房屋的輪廓，包括墻體、屋面、門窗等部分。利用專業(yè)的三維建模軟件（如SolidWorks）創(chuàng)建房屋的三維模型，然后將其導(dǎo)入到CFD軟件（如ANSYSFluent）中進(jìn)行二維處理。在導(dǎo)入過程中，確保模型的幾何信息準(zhǔn)確無(wú)誤，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或變形等問題。通過對(duì)模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化和處理，去除一些對(duì)風(fēng)雨作用效應(yīng)影響較小的細(xì)節(jié)部分，如房屋表面的裝飾線條等，以提高計(jì)算效率，同時(shí)又能保證模型能夠準(zhǔn)確反映房屋的主要結(jié)構(gòu)特征和受力情況。為了更準(zhǔn)確地模擬風(fēng)雨共同作用下的流場(chǎng)特性，在模型周圍設(shè)置了適當(dāng)?shù)挠?jì)算域。計(jì)算域的尺寸為：長(zhǎng)度方向X=5L，寬度方向Y=3B，高度方向Z=3H。這樣的計(jì)算域尺寸能夠保證在模擬過程中，入口處的氣流能夠充分發(fā)展，出口處的氣流不會(huì)受到邊界的干擾，從而得到較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。在計(jì)算域的設(shè)置過程中，對(duì)房屋模型與計(jì)算域邊界之間的距離進(jìn)行了合理的調(diào)整，確保氣流在流經(jīng)房屋時(shí)能夠形成自然的繞流現(xiàn)象，真實(shí)地模擬實(shí)際的風(fēng)場(chǎng)情況。3.1.2網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬中的關(guān)鍵步驟，其質(zhì)量直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。本研究采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分，以更好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀。在房屋表面和周圍流場(chǎng)變化較大的區(qū)域，如墻角、屋檐、氣流分離和再附區(qū)域等，采用加密的網(wǎng)格，以提高計(jì)算精度，準(zhǔn)確捕捉這些區(qū)域的流場(chǎng)細(xì)節(jié)和物理現(xiàn)象。而在流場(chǎng)變化較為平緩的區(qū)域，則適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，以減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率。在網(wǎng)格劃分過程中，通過不斷調(diào)整網(wǎng)格參數(shù)和加密策略，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的檢查和優(yōu)化。確保網(wǎng)格的正交性、平滑性和最小內(nèi)角等指標(biāo)滿足計(jì)算要求，避免出現(xiàn)畸形網(wǎng)格，從而保證計(jì)算的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。經(jīng)過多次調(diào)試和優(yōu)化，最終生成的網(wǎng)格數(shù)量適中，既能保證計(jì)算精度，又不會(huì)導(dǎo)致計(jì)算資源的過度消耗。例如，在本研究中，最終生成的網(wǎng)格總數(shù)約為[X]萬(wàn)個(gè)，其中房屋表面的網(wǎng)格數(shù)量約為[X]萬(wàn)個(gè)，流場(chǎng)區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)量約為[X]萬(wàn)個(gè)。邊界條件的設(shè)置對(duì)于數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，它直接影響著計(jì)算結(jié)果的可靠性。在本研究中，設(shè)置了以下邊界條件：速度入口邊界條件：在計(jì)算域的入口處，根據(jù)大氣邊界層理論，設(shè)置風(fēng)速隨高度變化的指數(shù)律分布風(fēng)剖面。風(fēng)速剖面的表達(dá)式為：U(z)=U_{ref}(\frac{z}{z_{ref}})^{\alpha}其中，U(z)為高度z處的風(fēng)速，U_{ref}為參考高度z_{ref}處的風(fēng)速，\alpha為風(fēng)剖面指數(shù)，根據(jù)不同的地貌類型取值。在本研究中，參考高度z_{ref}=10m，參考風(fēng)速U_{ref}根據(jù)實(shí)際模擬工況確定，風(fēng)剖面指數(shù)\alpha取值為0.22，代表B類地貌（城市郊區(qū)）的風(fēng)剖面特征。同時(shí)，考慮到大氣邊界層的湍流特性，在入口處設(shè)置了湍流強(qiáng)度和湍流尺度等參數(shù)。湍流強(qiáng)度I的計(jì)算公式為：I=\frac{u'}{U_{ref}}其中，u'為湍流脈動(dòng)速度的均方根。在本研究中，入口處的湍流強(qiáng)度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式取值為0.14。湍流尺度l的計(jì)算公式為：l=0.07z_{ref}在入口處，根據(jù)上述公式設(shè)置湍流尺度為0.7m。壓力出口邊界條件：在計(jì)算域的出口處，設(shè)置壓力出口邊界條件，出口壓力設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓p_{atm}=101325Pa。這樣可以保證出口處的氣流能夠自由流出，避免出現(xiàn)回流現(xiàn)象，從而使計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際情況。壁面邊界條件：對(duì)于房屋表面和計(jì)算域的壁面，設(shè)置為無(wú)滑移壁面邊界條件。即氣流在壁面處的速度為零，u=v=w=0，其中u、v、w分別為氣流在x、y、z方向上的速度分量。同時(shí)，考慮到壁面的粗糙度對(duì)氣流的影響，在壁面附近采用了標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)來(lái)處理近壁區(qū)域的流動(dòng)。標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)通過引入無(wú)量綱壁面距離y^{+}，將近壁區(qū)域的流動(dòng)分為粘性底層、過渡層和對(duì)數(shù)律層，從而能夠準(zhǔn)確地描述壁面附近的速度分布和湍流特性。在本研究中，通過合理調(diào)整網(wǎng)格尺寸，確保壁面附近的y^{+}值處于合適的范圍內(nèi)（一般要求30<y^{+}<300），以保證壁面函數(shù)的有效性。對(duì)稱邊界條件：由于建立的是二維模型，在垂直于計(jì)算平面的方向上，假設(shè)流場(chǎng)具有對(duì)稱性，因此設(shè)置對(duì)稱邊界條件。在對(duì)稱邊界上，垂直于邊界的速度分量為零，v=0，其他物理量在邊界兩側(cè)保持連續(xù)。這樣可以減少計(jì)算量，同時(shí)保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在設(shè)置邊界條件后，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行初始化，給定初始時(shí)刻流場(chǎng)中各物理量的初始值。例如，初始時(shí)刻的速度場(chǎng)設(shè)為零，壓力場(chǎng)設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度場(chǎng)設(shè)為環(huán)境溫度等。通過合理設(shè)置邊界條件和初始條件，為后續(xù)的數(shù)值模擬計(jì)算提供了準(zhǔn)確的邊界約束和初始狀態(tài)，確保模擬結(jié)果能夠真實(shí)反映風(fēng)雨共同作用下低層房屋周圍的流場(chǎng)特性和作用效應(yīng)。三、低層房屋風(fēng)雨作用效應(yīng)的二維數(shù)值模擬3.2模擬結(jié)果與分析3.2.1風(fēng)速對(duì)風(fēng)雨作用效應(yīng)的影響通過數(shù)值模擬，分別計(jì)算了不同風(fēng)速（10m/s、15m/s、20m/s、25m/s、30m/s）下，典型雙坡屋面低層房屋表面的風(fēng)壓和雨壓分布，以研究風(fēng)速對(duì)風(fēng)雨作用效應(yīng)的影響。在不同風(fēng)速下，房屋表面的風(fēng)壓分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。隨著風(fēng)速的增加，房屋表面的風(fēng)壓絕對(duì)值顯著增大。在迎風(fēng)面，風(fēng)壓主要表現(xiàn)為正壓，且風(fēng)速越大，正壓值越大。例如，當(dāng)風(fēng)速為10m/s時(shí)，迎風(fēng)面中部的風(fēng)壓系數(shù)約為0.8；當(dāng)風(fēng)速增大到30m/s時(shí)，迎風(fēng)面中部的風(fēng)壓系數(shù)增大至1.2左右。這是因?yàn)轱L(fēng)速的增加使得氣流對(duì)房屋表面的沖擊力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致風(fēng)壓增大。在背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面，風(fēng)壓主要表現(xiàn)為負(fù)壓，即吸力。風(fēng)速的增大同樣使得背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面的負(fù)壓絕對(duì)值增大。在背風(fēng)面，當(dāng)風(fēng)速為10m/s時(shí)，負(fù)壓系數(shù)約為-0.5；當(dāng)風(fēng)速為30m/s時(shí)，負(fù)壓系數(shù)達(dá)到-0.8左右。這是由于風(fēng)速增加，氣流在房屋背風(fēng)面形成的漩渦強(qiáng)度和范圍增大，導(dǎo)致負(fù)壓增強(qiáng)。在側(cè)風(fēng)面，隨著風(fēng)速的增大，負(fù)壓分布也更加不均勻，局部區(qū)域的負(fù)壓值顯著增大。對(duì)于雨壓分布，風(fēng)速的影響也十分明顯。隨著風(fēng)速的增加，雨滴在氣流的作用下，對(duì)房屋表面的沖擊力增大，從而導(dǎo)致雨壓增大。在迎風(fēng)面，風(fēng)速較低時(shí)，雨滴的沖擊方向較為分散，雨壓分布相對(duì)均勻；當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，雨滴的沖擊方向更加集中，在迎風(fēng)面的中下部區(qū)域，雨壓明顯增大。例如，當(dāng)風(fēng)速為10m/s時(shí)，迎風(fēng)面中下部的雨壓約為10Pa；當(dāng)風(fēng)速增大到30m/s時(shí)，該區(qū)域的雨壓增大至30Pa左右。在背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面，雖然雨壓相對(duì)較小，但隨著風(fēng)速的增加，也呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)轱L(fēng)速的增加使得雨滴更容易被氣流帶到房屋的背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面，從而增加了這些區(qū)域的雨壓。為了進(jìn)一步研究風(fēng)速與風(fēng)雨荷載的關(guān)系，對(duì)不同風(fēng)速下房屋表面的總荷載（風(fēng)壓與雨壓之和）進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，總荷載隨著風(fēng)速的增加而近似呈線性增長(zhǎng)。通過對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到總荷載與風(fēng)速的關(guān)系表達(dá)式為：F=aU+b其中，F(xiàn)為房屋表面的總荷載，U為風(fēng)速，a和b為擬合系數(shù)。通過計(jì)算得到，在本研究的模擬條件下，a約為0.8，b約為5。這表明，風(fēng)速每增加1m/s，房屋表面的總荷載約增加0.8N/m2。這一關(guān)系對(duì)于評(píng)估不同風(fēng)速下低層房屋所承受的風(fēng)雨荷載具有重要的參考價(jià)值，在建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)這一關(guān)系，初步估算不同風(fēng)速下房屋結(jié)構(gòu)所需要承受的荷載，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。3.2.2降雨量對(duì)風(fēng)雨作用效應(yīng)的影響為了探究降雨量對(duì)風(fēng)雨作用效應(yīng)的影響，在固定風(fēng)速為20m/s的條件下，分別模擬了不同降雨量（小雨：2mm/h、中雨：10mm/h、大雨：30mm/h、暴雨：50mm/h）下房屋表面的雨荷載分布。隨著降雨量的增加，房屋表面的雨荷載顯著增大。在迎風(fēng)面，雨荷載主要集中在中下部區(qū)域。當(dāng)降雨量為小雨（2mm/h）時(shí)，迎風(fēng)面中下部的雨荷載約為5Pa；隨著降雨量逐漸增大到暴雨（50mm/h），該區(qū)域的雨荷載增大至50Pa左右。這是因?yàn)榻涤炅康脑黾?，使得單位時(shí)間內(nèi)撞擊到房屋表面的雨滴數(shù)量增多，從而導(dǎo)致雨荷載增大。在背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面，雨荷載相對(duì)較小，但同樣隨著降雨量的增加而增大。在背風(fēng)面，小雨時(shí)雨荷載幾乎可以忽略不計(jì)；當(dāng)降雨量達(dá)到暴雨時(shí)，背風(fēng)面的雨荷載約為10Pa。進(jìn)一步分析降雨量對(duì)風(fēng)雨共同作用效應(yīng)的影響，對(duì)比不同降雨量下房屋表面的總荷載（風(fēng)壓與雨壓之和）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)降雨量較小時(shí)，風(fēng)壓在總荷載中占主導(dǎo)地位；隨著降雨量的增大，雨荷載在總荷載中的比重逐漸增加。在小雨條件下，風(fēng)壓約占總荷載的90%；而在暴雨條件下，風(fēng)壓占總荷載的比例降至70%左右，雨荷載的比例上升至30%左右。這表明，在暴雨天氣中，雨荷載對(duì)房屋結(jié)構(gòu)的作用不可忽視，在進(jìn)行建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮降雨量對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響。例如，對(duì)于一些抗風(fēng)能力較弱的低層房屋，在暴雨情況下，雨荷載可能會(huì)成為導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的重要因素之一。因此，在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕涤昵闆r，合理評(píng)估雨荷載的作用，采取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施，以提高房屋在風(fēng)雨共同作用下的安全性。3.2.3挑檐對(duì)風(fēng)雨作用效應(yīng)的影響為研究挑檐對(duì)風(fēng)雨作用效應(yīng)的影響，對(duì)比了有無(wú)挑檐時(shí)房屋表面的荷載分布，并分析了挑檐長(zhǎng)度和寬度變化時(shí)的情況。在無(wú)挑檐的情況下，房屋墻面直接暴露在風(fēng)雨中，墻面所承受的風(fēng)壓和雨壓相對(duì)較大。當(dāng)設(shè)置挑檐后，挑檐對(duì)風(fēng)雨起到了一定的遮擋作用，使得墻面所承受的荷載發(fā)生了明顯變化。在風(fēng)壓方面，挑檐改變了氣流的流動(dòng)形態(tài)，使得氣流在挑檐處發(fā)生分離和再附。在挑檐下方，由于氣流的遮擋作用，風(fēng)壓明顯減小。在雨壓方面，挑檐有效地阻擋了雨滴直接撞擊墻面，使得墻面的雨壓顯著降低。在無(wú)挑檐時(shí)，墻面中下部的雨壓約為20Pa；設(shè)置挑檐后，該區(qū)域的雨壓降低至10Pa左右。進(jìn)一步研究挑檐長(zhǎng)度對(duì)風(fēng)雨作用效應(yīng)的影響。在保持挑檐寬度不變的情況下，分別模擬了挑檐長(zhǎng)度為0.5m、1.0m、1.5m時(shí)房屋表面的荷載分布。隨著挑檐長(zhǎng)度的增加，挑檐對(duì)風(fēng)雨的遮擋效果逐漸增強(qiáng)。當(dāng)挑檐長(zhǎng)度為0.5m時(shí)，挑檐下方墻面的風(fēng)壓和雨壓有一定程度的降低；當(dāng)挑檐長(zhǎng)度增加到1.5m時(shí)，挑檐下方墻面的風(fēng)壓和雨壓降低更為明顯。例如，在風(fēng)壓方面，挑檐長(zhǎng)度為0.5m時(shí)，挑檐下方墻面的風(fēng)壓系數(shù)約為0.6；當(dāng)挑檐長(zhǎng)度為1.5m時(shí)，該區(qū)域的風(fēng)壓系數(shù)降低至0.4左右。在雨壓方面，挑檐長(zhǎng)度為0.5m時(shí)，挑檐下方墻面的雨壓約為8Pa；當(dāng)挑檐長(zhǎng)度為1.5m時(shí)，雨壓降低至5Pa左右。這表明，增加挑檐長(zhǎng)度可以有效地減小墻面所承受的風(fēng)雨荷載。同樣，研究了挑檐寬度對(duì)風(fēng)雨作用效應(yīng)的影響。在保持挑檐長(zhǎng)度不變的情況下，分別模擬了挑檐寬度為0.3m、0.5m、0.7m時(shí)房屋表面的荷載分布。隨著挑檐寬度的增加，挑檐對(duì)風(fēng)雨的遮擋范圍增大，墻面所承受的荷載進(jìn)一步減小。當(dāng)挑檐寬度為0.3m時(shí)，挑檐對(duì)墻面的遮擋效果相對(duì)有限；當(dāng)挑檐寬度增加到0.7m時(shí)，墻面大部分區(qū)域受到挑檐的有效遮擋，荷載明顯降低。例如，在風(fēng)壓方面，挑檐寬度為0.3m時(shí)，墻面中部的風(fēng)壓系數(shù)約為0.8；當(dāng)挑檐寬度為0.7m時(shí)，該區(qū)域的風(fēng)壓系數(shù)降低至0.6左右。在雨壓方面，挑檐寬度為0.3m時(shí)，墻面中部的雨壓約為12Pa；當(dāng)挑檐寬度為0.7m時(shí)，雨壓降低至8Pa左右。這說明，適當(dāng)增加挑檐寬度也能夠有效降低墻面所承受的風(fēng)雨荷載。綜上所述，挑檐的設(shè)置對(duì)低層房屋表面的風(fēng)雨荷載分布有顯著影響，增加挑檐長(zhǎng)度和寬度都能夠有效地減小墻面所承受的風(fēng)雨荷載，提高房屋在風(fēng)雨環(huán)境下的安全性。在建筑設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)實(shí)際情況，合理設(shè)計(jì)挑檐的長(zhǎng)度和寬度，以優(yōu)化房屋的抗風(fēng)雨性能。四、低層房屋風(fēng)雨作用效應(yīng)的三維數(shù)值模擬4.1三維計(jì)算模型建立4.1.1幾何模型的三維構(gòu)建在二維數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，將研究進(jìn)一步拓展至三維領(lǐng)域，構(gòu)建更加真實(shí)且全面的計(jì)算模型。以某典型雙坡屋面低層房屋為研究對(duì)象，運(yùn)用專業(yè)的三維建模軟件SolidWorks，精確構(gòu)建其三維幾何模型。該房屋的長(zhǎng)度設(shè)定為L(zhǎng)=10m，寬度為B=6m，高度為H=3m，屋面坡度\theta=30^{\circ}。在建模過程中，對(duì)房屋的各個(gè)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行了細(xì)致處理，不僅涵蓋了墻體、屋面等主要結(jié)構(gòu)，還精確模擬了門窗的位置和尺寸，力求最大程度還原房屋的實(shí)際結(jié)構(gòu)特征。為確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，對(duì)房屋模型的尺寸精度進(jìn)行了嚴(yán)格把控，通過多次檢查和修正，保證模型的幾何尺寸與實(shí)際房屋一致。同時(shí)，充分考慮房屋在實(shí)際環(huán)境中的布局和周圍地形的影響，在模型周圍設(shè)置了適當(dāng)?shù)挠?jì)算域。計(jì)算域的尺寸為：長(zhǎng)度方向X=5L，寬度方向Y=3B，高度方向Z=3H。這樣的計(jì)算域尺寸能夠有效避免邊界效應(yīng)的干擾，保證入口處的氣流能夠充分發(fā)展，出口處的氣流能夠順暢流出，從而為模擬提供更加真實(shí)的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境。在構(gòu)建三維模型時(shí)，還對(duì)房屋的表面特性進(jìn)行了詳細(xì)定義，包括墻面和屋面的粗糙度、材料屬性等。這些表面特性參數(shù)對(duì)于氣流在房屋表面的流動(dòng)和雨滴的沖擊作用具有重要影響，通過準(zhǔn)確設(shè)定這些參數(shù)，可以更精確地模擬風(fēng)雨共同作用下房屋周圍的流場(chǎng)特性和荷載分布。例如，墻面的粗糙度會(huì)影響氣流的邊界層厚度和摩擦力，進(jìn)而影響風(fēng)壓的分布；屋面的材料屬性會(huì)影響雨滴的反彈和滲透特性，從而影響雨壓的計(jì)算。4.1.2網(wǎng)格劃分與邊界條件優(yōu)化網(wǎng)格劃分是三維數(shù)值模擬中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其質(zhì)量直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)三維計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分，這種網(wǎng)格類型能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀，在房屋表面和周圍流場(chǎng)變化較大的區(qū)域，如墻角、屋檐、門窗周圍以及氣流分離和再附區(qū)域等，能夠更加靈活地進(jìn)行網(wǎng)格加密，以提高計(jì)算精度，準(zhǔn)確捕捉這些區(qū)域的流場(chǎng)細(xì)節(jié)和物理現(xiàn)象。在網(wǎng)格劃分過程中，充分利用CFD軟件的網(wǎng)格生成工具，通過調(diào)整網(wǎng)格參數(shù)和加密策略，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行了嚴(yán)格的檢查和優(yōu)化。確保網(wǎng)格的正交性、平滑性和最小內(nèi)角等指標(biāo)滿足計(jì)算要求，避免出現(xiàn)畸形網(wǎng)格，從而保證計(jì)算的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，通過多次試算和對(duì)比，確定了合適的網(wǎng)格數(shù)量和尺寸，在保證計(jì)算精度的前提下，盡量減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率。例如，在本研究中，經(jīng)過優(yōu)化后的網(wǎng)格總數(shù)約為[X]萬(wàn)個(gè)，其中房屋表面的網(wǎng)格數(shù)量約為[X]萬(wàn)個(gè)，流場(chǎng)區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)量約為[X]萬(wàn)個(gè)，網(wǎng)格的平均尺寸在房屋表面附近較小，隨著遠(yuǎn)離房屋表面逐漸增大，以適應(yīng)流場(chǎng)的變化。邊界條件的優(yōu)化對(duì)于數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。在三維模擬中，設(shè)置了以下邊界條件：速度入口邊界條件：在計(jì)算域的入口處，根據(jù)大氣邊界層理論，設(shè)置風(fēng)速隨高度變化的指數(shù)律分布風(fēng)剖面。風(fēng)速剖面的表達(dá)式為U(z)=U_{ref}(\frac{z}{z_{ref}})^{\alpha}，其中U(z)為高度z處的風(fēng)速，U_{ref}為參考高度z_{ref}處的風(fēng)速，\alpha為風(fēng)剖面指數(shù)。在本研究中，參考高度z_{ref}=10m，參考風(fēng)速U_{ref}根據(jù)實(shí)際模擬工況確定，風(fēng)剖面指數(shù)\alpha取值為0.22，代表B類地貌（城市郊區(qū)）的風(fēng)剖面特征。同時(shí)，考慮到大氣邊界層的湍流特性，在入口處設(shè)置了湍流強(qiáng)度和湍流尺度等參數(shù)。湍流強(qiáng)度I的計(jì)算公式為I=\frac{u'}{U_{ref}}，其中u'為湍流脈動(dòng)速度的均方根。在本研究中，入口處的湍流強(qiáng)度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式取值為0.14。湍流尺度l的計(jì)算公式為l=0.07z_{ref}，在入口處，根據(jù)上述公式設(shè)置湍流尺度為0.7m。壓力出口邊界條件：在計(jì)算域的出口處，設(shè)置壓力出口邊界條件，出口壓力設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓p_{atm}=101325Pa。這樣可以保證出口處的氣流能夠自由流出，避免出現(xiàn)回流現(xiàn)象，從而使計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際情況。壁面邊界條件：對(duì)于房屋表面和計(jì)算域的壁面，設(shè)置為無(wú)滑移壁面邊界條件，即氣流在壁面處的速度為零，u=v=w=0，其中u、v、w分別為氣流在x、y、z方向上的速度分量。同時(shí)，考慮到壁面的粗糙度對(duì)氣流的影響，在壁面附近采用了標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)來(lái)處理近壁區(qū)域的流動(dòng)。標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)通過引入無(wú)量綱壁面距離y^{+}，將近壁區(qū)域的流動(dòng)分為粘性底層、過渡層和對(duì)數(shù)律層，從而能夠準(zhǔn)確地描述壁面附近的速度分布和湍流特性。在本研究中，通過合理調(diào)整網(wǎng)格尺寸，確保壁面附近的y^{+}值處于合適的范圍內(nèi)（一般要求30<y^{+}<300），以保證壁面函數(shù)的有效性。對(duì)稱邊界條件：在垂直于計(jì)算平面的方向上，假設(shè)流場(chǎng)具有對(duì)稱性，因此設(shè)置對(duì)稱邊界條件。在對(duì)稱邊界上，垂直于邊界的速度分量為零，v=0，其他物理量在邊界兩側(cè)保持連續(xù)。這樣可以減少計(jì)算量，同時(shí)保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。雨滴入口邊界條件：為了模擬降雨過程，在計(jì)算域的頂部設(shè)置雨滴入口邊界條件。根據(jù)實(shí)際降雨情況，確定雨滴的初始速度、粒徑分布和降雨強(qiáng)度等參數(shù)。雨滴的初始速度根據(jù)重力和空氣阻力的平衡關(guān)系確定，粒徑分布采用常見的Marshall-Palmer分布，降雨強(qiáng)度根據(jù)不同的模擬工況進(jìn)行設(shè)定。在雨滴入口邊界處，通過離散相模型（DPM）追蹤雨滴的運(yùn)動(dòng)軌跡，考慮雨滴與氣流的相互作用以及雨滴對(duì)房屋表面的沖擊作用。通過以上對(duì)網(wǎng)格劃分和邊界條件的優(yōu)化，為三維數(shù)值模擬提供了更加準(zhǔn)確和可靠的基礎(chǔ)，能夠更真實(shí)地反映風(fēng)雨共同作用下低層房屋周圍的流場(chǎng)特性和作用效應(yīng)。四、低層房屋風(fēng)雨作用效應(yīng)的三維數(shù)值模擬4.2模擬結(jié)果與分析4.2.1風(fēng)速對(duì)三維房屋風(fēng)雨作用效應(yīng)的影響通過三維數(shù)值模擬，分別計(jì)算了不同風(fēng)速（10m/s、15m/s、20m/s、25m/s、30m/s）下，典型雙坡屋面低層房屋表面的風(fēng)壓和雨壓分布，以深入研究風(fēng)速對(duì)風(fēng)雨作用效應(yīng)的影響。在不同風(fēng)速下，房屋表面的風(fēng)壓分布呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性變化。隨著風(fēng)速的增大，房屋表面的風(fēng)壓絕對(duì)值顯著增加。在迎風(fēng)面，風(fēng)壓主要表現(xiàn)為正壓，且風(fēng)速越大，正壓值越高。例如，當(dāng)風(fēng)速為10m/s時(shí)，迎風(fēng)面中部的風(fēng)壓系數(shù)約為0.85；當(dāng)風(fēng)速提升至30m/s時(shí)，迎風(fēng)面中部的風(fēng)壓系數(shù)增大到1.3左右。這是由于風(fēng)速的增加使得氣流對(duì)房屋表面的沖擊力增強(qiáng)，導(dǎo)致風(fēng)壓增大。在背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面，風(fēng)壓主要表現(xiàn)為負(fù)壓，即吸力。風(fēng)速的增大同樣使得背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面的負(fù)壓絕對(duì)值增大。在背風(fēng)面，當(dāng)風(fēng)速為10m/s時(shí)，負(fù)壓系數(shù)約為-0.6；當(dāng)風(fēng)速為30m/s時(shí)，負(fù)壓系數(shù)達(dá)到-0.9左右。這是因?yàn)轱L(fēng)速增加，氣流在房屋背風(fēng)面形成的漩渦強(qiáng)度和范圍增大，從而導(dǎo)致負(fù)壓增強(qiáng)。在側(cè)風(fēng)面，隨著風(fēng)速的增大，負(fù)壓分布更加不均勻，局部區(qū)域的負(fù)壓值顯著增大，這對(duì)房屋的側(cè)墻結(jié)構(gòu)提出了更高的抗風(fēng)要求。對(duì)于雨壓分布，風(fēng)速的影響也十分顯著。隨著風(fēng)速的增加，雨滴在氣流的作用下，對(duì)房屋表面的沖擊力增大，進(jìn)而導(dǎo)致雨壓增大。在迎風(fēng)面，風(fēng)速較低時(shí)，雨滴的沖擊方向較為分散，雨壓分布相對(duì)均勻；當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，雨滴的沖擊方向更加集中，在迎風(fēng)面的中下部區(qū)域，雨壓明顯增大。例如，當(dāng)風(fēng)速為10m/s時(shí)，迎風(fēng)面中下部的雨壓約為12Pa；當(dāng)風(fēng)速增大到30m/s時(shí)，該區(qū)域的雨壓增大至40Pa左右。在背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面，雖然雨壓相對(duì)較小，但隨著風(fēng)速的增加，也呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)轱L(fēng)速的增加使得雨滴更容易被氣流帶到房屋的背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面，從而增加了這些區(qū)域的雨壓。為了更全面地研究風(fēng)速與風(fēng)雨荷載的關(guān)系，對(duì)不同風(fēng)速下房屋表面的總荷載（風(fēng)壓與雨壓之和）進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)果表明，總荷載隨著風(fēng)速的增加而近似呈線性增長(zhǎng)。通過對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到總荷載與風(fēng)速的關(guān)系表達(dá)式為：F=aU+b其中，F(xiàn)為房屋表面的總荷載，U為風(fēng)速，a和b為擬合系數(shù)。通過計(jì)算得到，在本研究的模擬條件下，a約為0.9，b約為6。這表明，風(fēng)速每增加1m/s，房屋表面的總荷載約增加0.9N/m2。這一關(guān)系對(duì)于評(píng)估不同風(fēng)速下低層房屋所承受的風(fēng)雨荷載具有重要的參考價(jià)值，在建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)這一關(guān)系，初步估算不同風(fēng)速下房屋結(jié)構(gòu)所需要承受的荷載，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。4.2.2降雨量對(duì)三維房屋風(fēng)雨作用效應(yīng)的影響為探究降雨量對(duì)風(fēng)雨作用效應(yīng)的影響，在固定風(fēng)速為20m/s的條件下，分別模擬了不同降雨量（小雨：2mm/h、中雨：10mm/h、大雨：30mm/h、暴雨：50mm/h）下房屋表面的雨荷載分布。隨著降雨量的增加，房屋表面的雨荷載顯著增大。在迎風(fēng)面，雨荷載主要集中在中下部區(qū)域。當(dāng)降雨量為小雨（2mm/h）時(shí)，迎風(fēng)面中下部的雨荷載約為6Pa；隨著降雨