沙尘暴环境中低矮建筑风压特性的数值研究

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00090

摘要/Abstract

摘要：

基于欧拉-拉格朗日模型研究了风沙环境中低矮建筑的风压分布特征。结果表明：风场中沙颗粒的存在减小了平均风速，增大脉动风速，沙粒运动使小尺度涡的能量增加；与净风场相比，挟沙风场中的平均风压系数无明显变化，脉动风压系数增大显著；沙粒的扰动使湍流脉动增强、气流不稳定性增加，屋面的极值风压系数增大6%~10%，且屋面测点间的风压相关性有增大趋势，局部联动出现负压极值而造成围护结构破坏的概率增加；0°和45°风向角模型的非高斯区域均增大50%以上，因此沙尘暴环境中有更多区域的围护结构易发生局部撕裂破坏。

关键词: 低矮建筑, 沙尘暴, 风沙两相流, 拉格朗日粒子追踪法, 风压系数

Abstract:

Based on Eulerian-Lagrangian method， the wind pressure characteristics of low-rise buildings in sand-laden wind were studied. The results show that the motion of sand particles weakens the mean wind speed， while strengthens the fluctuation of wind， representing as the increasing energy of small-scale vortices. The mean wind pressure coefficients in the sand-laden wind have no obvious change compared with the results of the clean wind， but the fluctuating pressure coefficients increase obviously. Due to the enhancement of turbulent pulsation in the sand-laden wind， the peak wind pressure coefficients on the roof increases by 6% to 10%. Moreover， the spatial-correlation of wind pressure increases， which raises the probability of local-linkage peak negative pressures and results in damage of the envelope structures. The area with non-Gaussian characteristics for 0° and 45° wind angle models in the sand-laden wind is significantly enhanced by more than 50%， meaning that more local-tearing-failure of envelope structures may occur in a sandstorm.

Key words: low-rise buildings, sandstorm, wind sand two-phase flow, Lagrangian particle tracking method, wind pressure coefficient

中图分类号:

X169

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图/表 13

图1 计算域及边界条件

Fig.1 Computational domain and boundary conditions

图2 网格划分示意图：（A）整体网格，（B）模型局部网格，（C）边界层网格

Fig.2 Schematic diagram of mesh generation：（A） global grid，（B） local grid， and （C） boundary layer grid

图3 屋面（A）、迎（背）风面（B）、两侧面（C）的测点布置及M截面（1-2-3-4）、N截面（5-6-7-8）定义（D）

Fig.3 Survey point layout on the roof （A）， windward side and leeward side （B）， and two sides （C）， and two sections are defined for the ensuing analyses （D）： section M （1-2-3-4） and section N （5-6-7-8）

图4 统计时长的确定

Fig.4 Determination of statistical time

图5 风场特性结果

Fig.5 Wind field characteristics

图6 M截面（1-2-3-4，A）和N截面（5-6-7-8，B）平均风压系数

Fig.6 The mean wind pressure coefficients of section M （1-2-3-4，A） and section N （5-6-7-8，B）

图7 M截面（1-2-3-4，A）和N截面（5-6-7-8，B）脉动风压系数

Fig.7 The fluctuating wind pressure coefficients of section M （1-2-3-4，A） and section N （5-6-7-8，B）

图8 0°风向角模型立面（A）、0.6L高水平面（B）瞬时风场速度流线和颗粒速度矢量图

Fig.8 Instantaneous streamlines and particle velocity vector diagrams on symmetric （A） and 0.6L horizontal plane （B） at 0° wind angle

图9 7.98 I（A，0°）、7.98 S（B，0°）、12.65 I（C，45°）、12.65 S（D，45°）下屋面极值风压系数

Fig.9 The peak wind pressure coefficients of the roof at 7.98 I （A，0°）， 7.98 S （B，0°）， 12.65 I （C，45°） and 12.65 S （D，45°）

图10 屋面P1点（A）、P7点（B）的风压系数相关性

Fig.10 The correlation of wind pressure coefficients at points P1 （A） and P7 （B） on the roof

图11 0°风向角偏度峰度（A）、7.98 I偏度（B）、7.98 S偏度（C）、7.98 I峰度（D）、7.98 S峰度（E）统计

Fig.11 Statistical results of Skewness and Kurtosis （A）， Skewness for 7.98 I （B）， Skewness for 7.98 S （C）， Kurtosis for 7.98 I （D）， and Kurtosis for 7.98 S （E） at 0° wind angle

图12 45°风向角偏度峰度（A）、12.65 I偏度（B）、12.65 S偏度（C）、12.65 I峰度（D）、12.65 S峰度（E）统计

Fig.12 Statistical results of Skewness and Kurtosis （A）， Skewness for 12.65 I （B）， Skewness for 12.65 S （C）， Kurtosis for 12.65 I （D）， and Kurtosis for 12.65 S （E） at 45° wind angle

表1 显著性检验的 P 值结果

Table 1 P-values of significance test

风向角	偏度	峰度
0°	0.004	3.75×10^-15
45°	3.29×10^-6	7.72×10^-9

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