風驅雨CFD模擬及平均雨荷載計算方法研究

楊俊濤，樓文娟

(浙江大學結構工程研究所，浙江杭州 310058)

0 引言

“風驅雨”(wind-driven rain)是從云層降落并受到風場作用具有水平速度的雨滴［1］。雨滴下降過程中不僅受到重力作用，也受到由雨滴和流場速度差產生的粘滯阻力作用。脈動風速的變化導致雨滴處在受力不平衡狀態，因此雨滴末速度具有不確定性，雨滴和結構的撞擊產生了雨荷載。

目前國內外風驅雨研究主要集中在風驅雨量研究，風驅雨荷載研究較少。Hangan H［2］采用k-ω模型和雷諾應力模型計算流場以及雨滴軌跡并與風洞試驗結果進行了比較，數值模擬與試驗結果符合的較好，但沒有考慮雨滴荷載效應。吳小平［3］用k-ω模型分析了穩態風作用下低層房屋雨荷載效應，得出結論:在10m高度風速為10m/s，降雨量為200mm/h的工況組合下，低層房屋的平均雨荷載占風荷載8%左右，吳小平假設0.1s時間范圍內所有雨滴同時撞擊到結構上，而實際上單粒雨滴與結構撞擊時間約為1×10－5s，0.1s時間范圍內所有雨滴不可能同時撞擊到結構上。賴宗鼎［4］假設雨滴水平末速度等于平均風速，將雨滴等效為空氣中的勻質流體，采用等效雨滴密度進行計算，結果顯示:對于低層房屋，雨荷載可以忽略不計;對于500m高層，雨荷載與風荷載比值可達26%，但是文獻［4］假定的等效雨滴密度是隨風速變化且偏大，與實際并不符合。李宏男、任月明［5－6］假定雨滴水平末速度等于風速，采用雨滴碰撞模型計算雨荷載，給出了沿高度不變的雨荷載，并對輸電塔結構進行時程分析;研究發現輸電塔在風驅雨荷載作用下頂部最大位移比單純風荷載作用下頂部最大位移大15%左右。……