[發明專利]風驅雨量的目標軌跡追蹤計算方法

有效

• 申請號: 201710135657.2
• 申請日: 2017-03-08
• 公開（公告）號: CN107016164B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 蔣崇文;許晨豪;高振勛;李椿萱
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 姜榮麗

本發明公開了一種風驅雨量的目標軌跡追蹤計算方法，屬于風工程技術領域。所述計算方法包括，給定風場來流條件，求解雷諾平均N?S方程獲得建筑繞流流場；根據待計算區域建立虛平面，并計算樣本軌跡在待計算區域或虛平面上的樣本軌跡終點；利用代理模型方法，根據樣本軌跡起點和樣本軌跡終點建立關于雨滴起點和終點坐標關系的函數關系式；給定待計算區域上的雨滴軌跡終點坐標，計算雨滴軌跡起點坐標；求解雨滴運動方程，得到有效軌跡，根據有效軌跡計算該待計算區域的收集率分布。本發明實現了對建筑側面、背風面及邊界和角點區域收集率的準確計算，同時所需的雨滴軌跡計算量相比現有方法顯著下降。

技術領域

本發明屬于風工程技術領域，具體涉及一種風驅雨量的目標軌跡追蹤計算方法。

背景技術

風驅雨是風工程研究的一個熱點問題，風驅雨的研究在建筑、交通等領域均具有重要意義。風驅雨會影響建筑墻面的保溫性能，導致墻面發生霉變，甚至影響墻面使用壽命；風驅雨還可能影響高速列車、飛機等交通工具的運行安全。為評估風驅雨的影響，就需要確定風驅雨量的大小。

目前，采用數值模擬方法定量計算風驅雨量大小是國內外的研究熱點。風驅雨數值模擬方法通常基于歐拉-拉格朗日和歐拉-歐拉兩類模型。由于在實際降雨條件下雨滴所占體積分數遠小于10％，不滿足通常認為的采用歐拉-歐拉模型時各相體積分數應大于10％的要求，因此基于歐拉-拉格朗日模型的計算方法應用更為廣泛，且通常認為該模型能夠更準確地模擬風驅雨現象中雨滴的運動過程。在基于歐拉-拉格朗日模型的風驅雨計算方法中，首先需要獲得建筑等研究對象的繞流流場。基于該流場，計算一定量離散雨滴的軌跡，其中一些軌跡應終止于待研究的物體表面。最后根據終止于物面的雨滴軌跡計算該面上的風驅雨量。表征風驅雨量大小的參數主要有特定收集率和收集率。其中，特定收集率表示某一直徑雨滴在物面的風驅雨強度與在未受擾動水平面降雨強度之比；收集率表示將特定收集率按不同直徑雨滴體積分數加權平均后的結果。

當前對建筑表面風驅雨量的研究主要考慮建筑迎風面的收集率分布，僅有少量研究對建筑側面收集率分布進行了分析，對建筑背風面收集率分布則尚未見到研究報道。分析建筑繞流流場的速度分布特點可知，撞擊到建筑側面和背風面的雨滴數量所占比例小于撞擊到建筑迎風面的雨滴。由于當前基于歐拉-拉格朗日模型的計算方法需要待計算表面具有一定數量的雨滴以保證收集率計算精度，因此若要準確計算建筑側面和背風面的收集率分布，需要計算的雨滴數量比僅計算建筑迎風面時所需雨滴數量更大，導致計算量巨大。

另外，在建筑迎風面的收集率分布在邊界和角點處具有較大梯度，為準確計算邊界、角點等區域的收集率，當前方法需要在這些區域計算更多雨滴軌跡，以減小根據雨滴終點所劃分區域的面積，提高收集率計算精度。然而由于建筑繞流流場復雜，當前的雨滴軌跡計算方法無法直接確定合適的雨滴初始條件來保證雨滴終點位于邊界和角點區域，只能通過在可能的范圍內計算大量雨滴軌跡，以提高終點落入關心區域的雨滴軌跡數量。

由以上分析可見，若采用當前基于歐拉-拉格朗日模型的計算方法研究建筑側面和背風面以及邊界和角點區域的收集率分布，則需要計算巨量的雨滴軌跡，且難以保證收集率計算的準確性。

發明內容

本發明提出一種風驅雨量的目標軌跡追蹤計算方法，通過建立新的雨滴軌跡計算方法，實現對建筑側面、背風面及邊界和角點區域收集率的準確計算，同時所需的雨滴軌跡計算量相比現有方法顯著下降。

對于建筑側面、背風面、邊界、角點等區域而言，采用現有方法計算雨滴軌跡難以保證有足夠數量的雨滴落在所關心區域內。本發明提供的目標軌跡追蹤計算方法則預先給定雨滴終點，并通過建立描述雨滴起點和終點位置關系的模型來計算恰好終止于給定終點的雨滴軌跡。采用本發明的方法，只需確定合理的雨滴終點位置，即能得到準確的收集率分布。