雪情况吻合得很好。 Beyers指出弗劳德数及跃移距分布的方法32.有限面积单元法将屋盖表面分成 离在模型试验中的相似性可以放宽:利用由若干面积单元,依靠风洞试验获得屋盖表面风速(对 Ano3-4、 lversen'给出的无量纲时间缩尺比公应于实际离地高度10m的风速),然后利用风速与 式,原型与模型数据吻合得很好。 雪粒运动关系的经验公式计算雪粒的侵蚀、沉积流 从前文可见,通过现场实测,科研人员对决定量。将长期记录(一般为20个-30个冬季)的气象信 雪粒起动的重要参数——临界摩阻速度进行了细致息(如降雪量、风速、风向等)输入已编制的计算机 地硏究,并建立了与摩阻速度有关的计算雪流量的程序,即可计算得到20年一30年内屋盖表面的积 理论模型,这些工作为风雪运动的试验室模拟及数雪随单位时间(每小时)变化的规律。在风洞试验中, 值仿真研究奠定了基础。现场实测的不足之处在于不仅要测量屋盖表面风速的大小,还必须测量风速 投资大、自然天气等因素难以人为控制。从以上的的方向。为此, Irwin采用了全方位欧文探头进行测 论述可见,实地观测中风雪运动的研究对于建筑结量2。2002年 Tsuchiya2在风洞试验中测量了一个 构设计的影响一般仅限于分析雪粒绕简单外形建台阶式屋盖模型表面的风速,并对屋盖原型的表面 筑周边的漂移堆积运动,难以定量预测大跨屋盖表雪深度进行了实地观测。 Tsuchiya分析了表面风速 面积雪在风作用下的不均匀分布情况:对路面和居与积雪深度之间的关系,指出积雪深度与近屋盖表 民住宅附近的积雪观测也仅能起到定性比较的作面风的加速度存在很大的负相关性,但在来流分离 用,其测量结果难以直接对工程实践进行指导 区不具有这一关系。 2风洞及水槽试验方法 研究风雪运动的试验方法包括风洞试验和水 槽试验,下面对这两类试验分别进行介绍。 (a)T形屋槍 2.1风洞试验 风洞试验是研究风雪运动的主要试验方 法16-。风洞试验通过模型与原型之间的相似关 (b)圆形屋檐 系,使风雪运动在条件可控的实验室中得到重现。 1993年 Smedley在风洞试验中模拟了南极戴 维斯站建筑周边的风雪运动,预测了建筑附近雪粒 运动的状况。风洞试验采用碳酸氢钠(小苏打)来模 图2南极戴维斯站建筑周围积雪风雪运动 拟雪颗粒。为了使处于南极的建筑免受大雪堆积的 Fig 2 Snowdrift around davis Station with different 苦恼, Smedley设计了两种安装在建筑周边的屋檐 attachments (圆形屋檐和T形屋檐),并比较了带屋檐建筑与没22水槽试验 有屋檐建筑周边的积雪情况。 Smedley得出结论」 水槽试验也是研究人员用来模拟风雪运动的 圆形屋檐能够显著地减小建筑周边的积雪(图2)。常见方法。1983年Iwin23在水槽试验中采用硅砂 19989年 Delpech!在风洞试验中利用人造雪预测了模拟雪颗粒,试验预测了一个高层建筑周边的积雪 南极建筑周边的风雪运动,实验室的气温控制在零状况。2004年Roea2在水槽试验中则利用压碎 下15°。研究人员将建筑迎风侧的底部改为流线外的胡桃壳颗粒来模拟雪粒在风力作用下绕一双坡 型,显著地改善了南极肯考迪娅站建筑附近的积雪屋顶低矮房屋的运动。 状 由于两相运动的模拟涉及相似参数多,因此此 除了风雪两相运动的风洞试验,有的研究人员类试验(包括风洞及水槽试验)有较大的难度。尽管 仅通过风洞试验测量建筑表面的风速,再结合雪粒如此,在上述发表的研究报告中一些规律仍然得以 运动的经验公式预测建筑表面的积雪分布。有限面总结。一般认为,雪颗粒的几何相似性对模拟风雪 积单元法(FAE)最初于19880年rvin将其用于预测运动的影响不大,这就增大了选择试验材料的范 加拿大多伦多市一个大跨屋盖表面雪荷载的分布围。在大气边界层底部,由于紊流度较高,雷诺数 情况,后来逐渐发展为模拟屋盖表面雪荷载不均匀效应对风雪运动的影响较小。文献(6指出了地工 程 力 学 7 雪情况吻合得很好。Beyers 指出弗劳德数及跃移距 离在模型试验中的相似性可以放宽；利用由 Anno[13―14]、Iversen[15]给出的无量纲时间缩尺比公 式，原型与模型数据吻合得很好。 从前文可见，通过现场实测，科研人员对决定 雪粒起动的重要参数——临界摩阻速度进行了细致 地研究，并建立了与摩阻速度有关的计算雪流量的 理论模型，这些工作为风雪运动的试验室模拟及数 值仿真研究奠定了基础。现场实测的不足之处在于 投资大、自然天气等因素难以人为控制。从以上的 论述可见，实地观测中风雪运动的研究对于建筑结 构设计的影响一般仅限于分析雪粒绕简单外形建 筑周边的漂移堆积运动，难以定量预测大跨屋盖表 面积雪在风作用下的不均匀分布情况；对路面和居 民住宅附近的积雪观测也仅能起到定性比较的作 用，其测量结果难以直接对工程实践进行指导。 2 风洞及水槽试验方法 研究风雪运动的试验方法包括风洞试验和水 槽试验，下面对这两类试验分别进行介绍。 2.1 风洞试验 风 洞 试 验 是 研 究 风 雪 运 动 的 主 要 试 验 方 法[16―26]。风洞试验通过模型与原型之间的相似关 系，使风雪运动在条件可控的实验室中得到重现。 1993年Smedley[16]在风洞试验中模拟了南极戴 维斯站建筑周边的风雪运动，预测了建筑附近雪粒 运动的状况。风洞试验采用碳酸氢钠(小苏打)来模 拟雪颗粒。为了使处于南极的建筑免受大雪堆积的 苦恼，Smedley 设计了两种安装在建筑周边的屋檐 (圆形屋檐和 T 形屋檐)，并比较了带屋檐建筑与没 有屋檐建筑周边的积雪情况。Smedley 得出结论， 圆形屋檐能够显著地减小建筑周边的积雪(图 2)。 1998 年 Delpech[17]在风洞试验中利用人造雪预测了 南极建筑周边的风雪运动，实验室的气温控制在零 下 15o。研究人员将建筑迎风侧的底部改为流线外 型，显著地改善了南极肯考迪娅站建筑附近的积雪 状况。 除了风雪两相运动的风洞试验，有的研究人员 仅通过风洞试验测量建筑表面的风速，再结合雪粒 运动的经验公式预测建筑表面的积雪分布。有限面 积单元法(FAE)最初于 1988 年 Irwin 将其用于预测 加拿大多伦多市一个大跨屋盖表面雪荷载的分布 情况，后来逐渐发展为模拟屋盖表面雪荷载不均匀 分布的方法[18―22]。有限面积单元法将屋盖表面分成 若干面积单元，依靠风洞试验获得屋盖表面风速(对 应于实际离地高度 1.0m 的风速)，然后利用风速与 雪粒运动关系的经验公式计算雪粒的侵蚀、沉积流 量。将长期记录(一般为 20 个―30 个冬季)的气象信 息(如降雪量、风速、风向等)输入已编制的计算机 程序，即可计算得到 20 年―30 年内屋盖表面的积 雪随单位时间(每小时)变化的规律。在风洞试验中， 不仅要测量屋盖表面风速的大小，还必须测量风速 的方向。为此，Irwin 采用了全方位欧文探头进行测 量[23]。2002 年 Tsuchiya[24]在风洞试验中测量了一个 台阶式屋盖模型表面的风速，并对屋盖原型的表面 雪深度进行了实地观测。Tsuchiya 分析了表面风速 与积雪深度之间的关系，指出积雪深度与近屋盖表 面风的加速度存在很大的负相关性，但在来流分离 区不具有这一关系。 图 2 南极戴维斯站建筑周围积雪风雪运动 Fig.2 Snowdrift around Davis Station with different attachments 2.2 水槽试验 水槽试验也是研究人员用来模拟风雪运动的 常见方法。1983 年 Irwin[25]在水槽试验中采用硅砂 模拟雪颗粒，试验预测了一个高层建筑周边的积雪 状况。2004 年 Rourkea[26]在水槽试验中则利用压碎 的胡桃壳颗粒来模拟雪粒在风力作用下绕一双坡 屋顶低矮房屋的运动。 由于两相运动的模拟涉及相似参数多，因此此 类试验(包括风洞及水槽试验)有较大的难度。尽管 如此，在上述发表的研究报告中一些规律仍然得以 总结。一般认为，雪颗粒的几何相似性对模拟风雪 运动的影响不大[16]，这就增大了选择试验材料的范 围。在大气边界层底部，由于紊流度较高，雷诺数 效应对风雪运动的影响较小[17]。文献[16]指出了地 (a) T 形屋檐 (b) 圆形屋檐 图 2 南极戴维斯站建筑周围积雪风雪 运动 Fig.2 Snowdrift around Davis Station workshop with different attachments (c) 无屋檐