雪运动进行研究。同时也可了解到,数值方法的研 究虽然和实测数据进行了对比,但没有将数值计 算、试验室内的可控试验有机结合;另外,研究对 (a)没有导风极的况 0象也仅局限于台阶或立方体附近的运动,实际工程 的一些因素并没有在数值模拟中较全面地反映,所 积雪 得到的成果难以在工程实践中运用。 相对风速入口的距离m b)有导风板的情况 图4立方体周边积雪迁移过程的模拟 nimt surround 4结语及展望 相对风速入口的距离/m c)有导风板时的风速矢量图 为适应工程实践的发展,需要通过结合现场实 3导风板对气流越过台阶时风雪运动的影响 测、风洞试验和数值方法推进风致积雪漂移堆积效 Fig 3 Effect of a wind deflection fin on the snow 应的深入研究。具体的包括以下内容 (1)通过现场实测建立精确的数学模型以预测 2004年 Beyers于前人的基础上,试图在数值雪粒在风力作用下的运动,开展对积雪绕建筑物漂 模拟中考虑更多的影响因素,以较准确地重现风雪移堆积运动的现场观测工作 运动中雪粒绕一个立方体的运动过程(图4)在速度 (2)相对一般的风洞试验,风雪运动在风洞试 入口边界条件中,对跃移层、悬移层的雪浓度采用验中的模拟涉及较多的相似关系,需要进一步研究 了不同的经验公式。利用 Humphrey的经验公式,风雪运动的机理,根据不同的试验目的,模拟反映 Beyers考虑了雪粒碰撞对侵蚀雪流量的影响。与前风雪运动主要特征的相似关系,从而使试验更符合 面研究人员不同的是, Beyers模拟的风雪作用不完真实情况;为了使风速测量结合经验公式预测积雪 全局限在空气相与雪相的单向耦合关系。为了真实分布的方法有更好的适应性,表面风速测量的试验 反映由于雪粒发生跃移运动对地貌粗糙度的影响方法及理论计算方法都需要进一步改进。 (对风场的修正), Beyers在入口风速剖面中采取了 (3)数值模拟方法方面也存在值得深入研究的 基于实测数据拟合的风速剖面函数。 Beyers在结些基础性问题:①CFD方法中对湍流的模拟 论中指出,文中采用的k-ε模型基于各向同性湍流般采用基于各向同性湍流假设的k-g模型,湍流模 的假设,因此难以预测钝体顶部的分离区并过高估拟的不准确性限制了CFD方法的应用。②在数值 计了湍流。 Beyers认为湍流模拟的不准确性主要体模拟中一般对雪层采用相同的临界摩阻速度:而由 现在顺风向的回流区域及立方体侧面的旋涡脱离于风雪过程具有较长的持续时间,不同的区域将会 区域。2004年及2006年文献[35-37]采用了两相流有不同的临界摩阻速度。目前的数值模拟工作没有 理论模拟风雪运动,在计算流体动力学软件细致考虑这一点。③跃移层和悬移层的雪相浓度 FLUENT的平台上进行了二次开发,计算了在风力方程如何更合理地考虑空气相的影响,众多学者的 作用下积雪运动后北京机场屋盖表面的雪压分布,做法也并不一致。 并对雪荷载改变量以及雪压分布的规律进行了分 (4)数值计算和试验室内的可控风雪运动试验 析,为结构设计提供了依据。 各有优势,而当前的研究没有把两种方法有机结合 由前文可知,目前在数值研究方面已经建立了起来,以发挥各自所长来探讨风雪运动问题 基于 Euler- Euler方法的研究平台,并能比较及时地 (5)在开展风雪运动机理研究的同时,提出满 结合CFD发展的先进技术及现场实测的成果对风足工程需求的实用性方法。如提出大跨屋盖表面积工 程 力 学 9 (a) 没有导风板的情况 (b) 有导风板的情况 (c) 有导风板时的风速矢量图 图 3 导风板对气流越过台阶时风雪运动的影响 Fig.3 Effect of a wind deflection fin on the snow accumulation in a building step 2004 年 Beyers[33]于前人的基础上，试图在数值 模拟中考虑更多的影响因素，以较准确地重现风雪 运动中雪粒绕一个立方体的运动过程(图 4)。在速度 入口边界条件中，对跃移层、悬移层的雪浓度采用 了不同的经验公式。利用 Humphrey[34]的经验公式， Beyers 考虑了雪粒碰撞对侵蚀雪流量的影响。与前 面研究人员不同的是，Beyers 模拟的风雪作用不完 全局限在空气相与雪相的单向耦合关系。为了真实 反映由于雪粒发生跃移运动对地貌粗糙度的影响 (对风场的修正)，Beyers 在入口风速剖面中采取了 基于实测数据拟合的风速剖面函数[12]。Beyers 在结 论中指出，文中采用的 k- 模型基于各向同性湍流 的假设，因此难以预测钝体顶部的分离区并过高估 计了湍流。Beyers 认为湍流模拟的不准确性主要体 现在顺风向的回流区域及立方体侧面的旋涡脱离 区域。2004 年及 2006 年文献[35―37]采用了两相流 理论模拟风雪运动，在计算流体动力学软件 FLUENT 的平台上进行了二次开发，计算了在风力 作用下积雪运动后北京机场屋盖表面的雪压分布， 并对雪荷载改变量以及雪压分布的规律进行了分 析，为结构设计提供了依据。 由前文可知，目前在数值研究方面已经建立了 基于 Euler-Euler 方法的研究平台，并能比较及时地 结合 CFD 发展的先进技术及现场实测的成果对风 雪运动进行研究。同时也可了解到，数值方法的研 究虽然和实测数据进行了对比，但没有将数值计 算、试验室内的可控试验有机结合；另外，研究对 象也仅局限于台阶或立方体附近的运动，实际工程 的一些因素并没有在数值模拟中较全面地反映，所 得到的成果难以在工程实践中运用。 图 4 立方体周边积雪迁移过程的模拟 Fig.4 Snowdrift surrounding a cube 4 结语及展望 为适应工程实践的发展，需要通过结合现场实 测、风洞试验和数值方法推进风致积雪漂移堆积效 应的深入研究。具体的包括以下内容： (1) 通过现场实测建立精确的数学模型以预测 雪粒在风力作用下的运动，开展对积雪绕建筑物漂 移堆积运动的现场观测工作。 (2) 相对一般的风洞试验，风雪运动在风洞试 验中的模拟涉及较多的相似关系，需要进一步研究 风雪运动的机理，根据不同的试验目的，模拟反映 风雪运动主要特征的相似关系，从而使试验更符合 真实情况；为了使风速测量结合经验公式预测积雪 分布的方法有更好的适应性，表面风速测量的试验 方法及理论计算方法都需要进一步改进。 (3) 数值模拟方法方面也存在值得深入研究的 一些基础性问题：① CFD 方法中对湍流的模拟一 般采用基于各向同性湍流假设的 k- 模型，湍流模 拟的不准确性限制了 CFD 方法的应用。② 在数值 模拟中一般对雪层采用相同的临界摩阻速度；而由 于风雪过程具有较长的持续时间，不同的区域将会 有不同的临界摩阻速度。目前的数值模拟工作没有 细致考虑这一点。③ 跃移层和悬移层的雪相浓度 方程如何更合理地考虑空气相的影响，众多学者的 做法也并不一致。 (4) 数值计算和试验室内的可控风雪运动试验 各有优势，而当前的研究没有把两种方法有机结合 起来，以发挥各自所长来探讨风雪运动问题。 (5) 在开展风雪运动机理研究的同时，提出满 足工程需求的实用性方法。如提出大跨屋盖表面积 相对风速入口的距离/m 高度/m 积雪 来流 高度/m 导风板 相对风速入口的距离/m 高度/m 积雪 来流