风驱雨是风工程领域的研究热点,在建筑、地球科学、交通、农业等领域均有重要研究价值。建筑风驱雨问题中,雨滴主要受重力和气动力作用。由于建筑绕流流场复杂,雨滴沿程受力变化很大,运动轨迹十分复杂,使得建筑表面风驱雨量分布也十分复杂。通常采用收集率来表示风驱雨量大小。现有确定收集率的方法主要有三种:实测方法、半经验方法、数值模拟方法,其中数值模拟方法能够准确给出风驱雨量的分布,所需时间少于实测方法,且任意建筑外形和降雨条件下均可使用,是建筑风驱雨问题研究的重要手段。风驱雨问题本质上是海量离散相的两相流问题,基于欧拉—拉格朗日体系的数值模拟方法能获得接近实际情况的风驱雨过程。该方法根据降雨量守恒关系,利用雨滴轨迹关联建筑壁面的降雨强度与无穷远处的降雨强度,获得壁面收集率分布。然而,传统方法计算量很大。主要有两方面原因:一方面,单个雨滴轨迹通过雨滴运动方程的时间积分获得,计算过程中需要进行大量的沿程受力计算;另一方面,表征壁面风驱雨量大小的收集率实际代表了一定区域范围内的平均值,为保证计算的准确性,需要捕捉足够多的雨滴轨迹,进一步增加了计算量。有限区域方法采用网格离散的思想,将壁面划分为若干区域,求解区域中心的收集率;同时引入有限元方法中的重构思想,根据各区域中心的收集率重构得到壁面收集率分布。研究结果表明,对方形建筑迎风面,仅需划分少量区域,即可得到准确的收集率分布结果,所需计算量相比传统方法大大降低。有限区域方法求解建筑风驱雨问题的基本过程包括以下六步:1.求解绕建筑流动的风场;2.将壁面划分为若干子区域;3.对于每个子区域,计算落在角点的雨滴轨迹;4.根据雨滴围成的初始平面面积和子区域面积,计算子区域中心点的收集率;5.定义重构函数;6.重构出整个壁面的收集率分布。本文的风场数值模拟采用RANS方法和k-ωSST湍流模型,计算了Ozmen的尖顶建筑实验工况,计算区域为2m(x方向)×2m(y方向)×1.375m(z方向)的长方体,总网格量约301万,计算区域入口风速采用多项式拟合速度型。考察沿建筑中心线的压力系数分布,数值模拟结果与Ozmen和Easom的实验结果吻合较好,说明本文采用的方法可用于数值计算尖顶建筑风场。有限区域方法验证选用Blocken等计算的方形建筑作为研究对象。建筑边长为10m,计算区域采用310m(x方向)×110m(y方向)×80.71m(z方向)的长方体,计算区域入口风速采用指数律分布的速度型。将迎风面划分为20×20的子区域,采用有限区域方法计算迎风面收集率。有限区域方法计算的迎风面最大收集率为1.74,与文献计算的数值模拟结果相比,误差为1.1%。有限区域方法和传统方法的壁面收集率模拟结果吻合较好,说明本文采用的方法可用于数值计算建筑表面风驱雨分布。为进一步验证有限区域方法对外形较复杂的建筑的适用性,选用尖顶建筑进行典型风速下的风驱雨量计算,将Ozmen的尖顶建筑尺寸放大100倍,建筑平面尺寸为5.0m(x方向)×10.0m(y方向),檐口高度h=4.0m,尖顶仰角α=15°。数值模拟计算域取x=-100~100m,y=-100~100m,z=0~137.5m的长方体,网格总数约为421万。风场计算区域入口风速采用指数律分布,参考速度为10m/s,雨滴直径范围为0.3mm~6.0mm。将迎风面划分为7×5的子区域,采用有限区域方法计算迎风面收集率,结果与传统方法吻合较好,迎风面最大收集率与传统方法有3.1%的误差。分析了强风条件下尖顶建筑迎风面收集率的分布特性。对尖顶建筑风驱雨场,整个迎风面的收集率以竖直中线左右对称分布,呈现出上部区域收集率大于下部区域、两侧转角区域大于中间区域的规律,迎风面收集率最大值出现在两侧靠近屋顶转角区域。