雨滴对一座高楼的冲击
V.Etyemezian，C.I.戴维森，M.祖福尔·戴秉国，S.Finger，M.里格尔
美国匹兹堡卡内基梅隆大学土木工程与环境工程系，PA 15213，美国“国家保护技术与培训中心”，NSU Box 5682，纳奇托奇，LA 71497。
1998年8月10日收到；1999年9月22日收到订正表格；1999年9月22日接收。
摘要
石灰石建筑物的墙壁上的污垢，可在雨水撞击造成地面腐蚀时被冲走。在这项研究中，雨水落在宾夕法尼亚州匹兹堡42层的学习大教堂，以30米乘30米乘160米矩形块体为代表，采用RNG K -ε湍流模型和单个雨滴的拉格朗日轨迹计算方法对其进行了建模。局部E矩形块的影响因子(LEF)与文献中较早的工作相比，效果较好。LEF随风速、雨滴大小和沿块体高度的增加而增加。风速、风向和降雨强度连续测量了7周的Y值，并提供了输入参数来模拟雨通量进入学习大教堂。模型结果表明，建筑物的各个部分都受到了影响。较大的降雨量对应于白色区域，表明雨通量对土壤的污染模式没有影响。中间风速(2.5米每秒和5米每秒)导致暴雨乌西斯，虽然频率较低，但高风速也会导致高降雨通量。大部分雨水是以1.25mm和2.5mm的水滴和5mm的水滴的形式输送到地块上的，效果较小。考虑除零度外，风入射角的计算对未来的建模工作也非常重要。(2000年思唯尔出版公司)。版权所有。
关键词：污物；建筑物；驱动雨；酸雨；CFD
- 导言
雨水已被证明是确定石灰石侵蚀程度和建筑物表面污垢形态的重要因素(Amoroso和Fassina，1983年；舍伍德等人，1990年)。例如，在污染地区，向建筑物表面输送酸雨会加速侵蚀。即使是干净的雨水也被认为是造成一些侵蚀的原因。(里弗斯利文斯顿，1992年)。沉积在表面的微粒可能会因为雨水的冲刷而被移除。因此，受雨水影响的建筑物区域比那些受保护的区域更不容易被污染。
在这项研究中，对匹兹堡大学校园学习大教堂(图1)墙壁的几个区域的雨通量进行了估算。这栋楼高42层，由印第安纳石灰岩建造。这些墙建于1926年，1937年，一些部位被严重污染，这是由于附近的流动和固定污染源排放的污染物造成的。结果建模工作分为两部分。首先，我们研究了气象条件和雨滴大小对建筑物外墙降雨的影响。矩形块这方面通过计算几个假设的风速、风向和雨滴大小的雨通量来实现。第二，我们利用在第二天附近获得的气象资料估计向大教堂墙壁输送的总降雨量。将大教堂降雨通量的空间分布与观测到的污染模式进行了比较。
大教堂的其他工作集中在档案中所观察到的污染模式的变化上。
对应作者现地址：美国NV 89119拉斯维加斯弗拉明戈路755号沙漠研究所。
电子邮件地址：Vic@dri.edu(V.Etyemezian)。
1当前地址：NERL，EPA，RTP，NC，美国。
2目前地址：三一咨询公司，12801 N.中央出版社，1200套房，达拉斯，德克萨斯州，美国.
(2000思唯尔出版公司) 版权所有。
图1.(A)显示学习大教堂第五大道一侧的照片(1984年，宾夕法尼亚州皮特堡贾诺斯基工作室)。虚线的轮廓是大教堂的一部分，代表的是雷克塔。分成15个等截面。
照片，并考虑到自大教堂建造以来空气污染物浓度和降尘的变化(Tang等人，1999年；戴维斯等人，1999年)。Etyemezian等人(1998年)大教堂墙壁附近各种气溶胶和气态化学物质的空气浓度和沉积。结果表明，浓度和沉积量没有很大的差异。建筑物污染分布的高度和梯度的缺乏归因于从逆风和大教堂的良好结构，而且可能是在附近的雨水污染快速垂直混合所造成的。建筑物上的污垢模式是假设是雨的变化对墙壁造成的影响。验证这一假设是本论文的重点。
2. 方法
在学习大教堂的墙壁上模拟雨的撞击是分几个步骤完成的。首先，空气在矩形块体周围的流动具有相同的近似尺寸，对大教堂进行了数值计算。第二，计算了单个雨滴的轨迹，这些雨滴在块体上方释放，并受到计算出的流场的影响；计算了每个雨滴的轨迹，记录了每一滴水的下落，即它是落在区块表面还是地面上。这两个步骤部分是基于苔原(1993)先前的工作，将本文的结果与他以前的作品做比较。第三，在大教堂附近的一个地点测量了7周的雨强度、风速和风向。结合前两步的结果，最后一步，估算用于代表学习大教堂的矩形块四面的雨水输送量。
2.1.气流
学习大教堂的形状近似一个长宽高为30米乘30米乘60米的长方体。这种近似在两方面帮助减少了计算的工作量，即减少了几何的细节，“关于平分区块的平面是对称的”。k沿着流动的主要方向。由于大教堂比周围任何建筑物都高得多，所以没有考虑到附近建筑物的影响。读者请参阅Karagiozis等人(1997年)水流和雨滴轨迹在建筑物周围相互影响的文献。
空气流场是用商用计算流体力学软件包(FLUENT公司，黎巴嫩，NH)进行三维建模的。数值求解雷诺平均Navier -Stokes方程和连续方程，得到稳态速度场.利用重整化群K -ε(RNG)方程实现了封闭，其中K是湍流动能，ε是湍流动能耗散。诺马利扎的应用湍流现象的群论已在其他地方讨论过(Sulem等人，1979年；Giles，1994年)。虽然在很大程度上类似于标准K -ε模型(Launder and Spalding，1974；Rodi，1980)，RNG模型在K和ε的输运方程中包含了略有不同的常数，在ε的输运方程中包含一个附加的源项。
通过模拟浸没在边界层中的立方体(L＝W＝H)周围的流动来评估RNGK -ε模型的精度。该计算在0度和45度的风入射角下进行。风洞实验(Castro和Robins，1977年；Ogawa等人，1983年；Minson等人，1995年)和其他CFD工作(Patterson和APELT，1989；
《周时普洛斯》，1996年；Murakami等人，1996；《织边》，1996年），可从文献中获得。
总体上，RNG模型很好地捕获了流的主要特征。这些包括在靠近上游面的地面处的边界层的分离、在立方体的迎风边缘处的分离、在接近风流的地面水平处的水平马蹄形涡流的发展向后面，以及立方体背风面上垂直涡旋的形成(Hosker，1984)。
在风入射角为0度和45度时，还计算了矩形块体(以下简称“Blocka”)周围的流场。由于围绕块体的气流在这些角度上是对称的，对于流场的物理域，只需实现CFD模型的一半。在03例中，计算域沿迎风方向扩展600 m，向下延伸670 m，向下延伸150 m。从对称平面，距离地面540米。构造了包含1.8~105个节点的结构网格，使节点密度在块体和地面附近最高。在4处流动对于块计算域的物理大小减小了，因为该块在此配置中更加流线型。该区域向上延伸480米，向下延伸560米，距地面120米。对称的平面，离地面480米。尽管域的物理尺寸有所减小，但在45度的情况下，有必要使用更多的节点来进行数值求解，n收敛。
在顶边界，对称面、速度分量和梯度以及在法向边界方向上的流动变量被设置为零。对于块体的地面和表面，采用标准墙函数(Rodi，1980)计算了源项。k和ε在迎风边界(入口)上，规定了K，ε和速度的法向分量。速度是根据幂律剖面计算的，其中，(Z)是直接的速度。垂直于迎风边界的离子；是在参考高度Z3和N的参考速度等于0.25；速度的切线分量为零。迎风波的K和ε剖面波动是由速度剖面(Patterson和Apelt，1989年)导出的，与湍流强度相差几个百分点。在下风边界(出口)，法向梯度除压力外，所有流量变量都设置为零。
当U、V、W速度分量、压力、K -ε的归一化残差达到10的负三次方或更低时，数值解被认为是收敛的。如属45度风发生率K -ε的归一化残差不可能降低到5乘10的负三次方以下，可能是由于定常流(时不变)的假设。这个假设不允许TE有足够的代表性。商业现象，如涡旋脱落，这可能是固有的流动结构(卡斯特罗和罗宾斯，1977年)。
2.2.雨滴轨迹
计算单个雨滴的运动轨迹。
其中M是雨滴质量，U i是X方向的空气速度，Ur是Xi方向的下降速度，t是时间；F d是X 方向的阻力，g是重力。 delta;函数Cd阻力系数（＝f（re）），D p下降直径，p空气密度，v空气的运动粘度，和Re雷诺数。
CD是从球上阻力的经验公式中得到的(Morsi and Alexander，1972)。对8种风条件进行了弹道计算，即风速的四值(Ur=1.25， 2.5、5mm和10 ms-1在Zr=30 m处)和两个风入射角(0和45°)。对每一种情况下，模拟了直径分别为1.25、2.5和5mm的雨滴轨迹。雨滴e 没有考虑蒸发、聚结或破裂，即个别雨滴直径保持在其初始值不变。在有限数量的情况下，轨迹为0.625和7.07毫米。 并模拟了液滴。结果对于这些滴度大小，这里没有显示，是用来检验模型的一致性。
对于每个流动条件和液滴直径，计算了大约4000个轨迹。滴在固定高度240 m处释放，初始位置在水平区域上变化。这个AREA足够大，足以包括可能导致块表面撞击的所有释放位置。
初始垂直速度在初始水平时被设置在终端速度。以空气流速为单位。在选定的情况下，用随机行走模型(例如 托马斯，19)评估了湍流对降雨向块体表面的通量的影响。(戴维斯1999年)。虽然对于单个液滴的轨迹不可忽略，但当湍流发生时，其影响很小。在本研究中，考虑了向块体大断面的降雨通量。建筑物周围的气流场和由此产生的雨滴轨迹Choi(1993)和Karagiozis等人作了更详细的讨论。(1997年)。
2.3.气象资料
采用杯式风速计(014A型，Met One仪器)，风向叶(024A型，Met One仪器)和翻斗式雨量计(370型，Micromet型)获取屋顶气象资料。在卡内基梅隆大学校园的华纳音乐厅位置在4/29/98-6/18/98。华纳厅位于学习大教堂东北方向约一公里处。一种数据记录仪(CR21X型，坎贝尔)记录平均风速、风向八频率计数(每箱453)和总降雨量15分钟测量间隔。最大瞬时风速记录各时段的ED及相应的风向。这些数据旨在代表学习大教堂的逆风气象条件，提供了输入参数。用于计算到块体表面的雨通量。7周的降雨时间为21天。这一时期的总降雨量相当于1440毫米每年。1998年6月2日，两次强雷暴造成了这段时间的飞行。没有这两次雷暴的总雨量相当于1210毫米每年年。皮特的长期降雨量年降水量约为1000 mm，5、6月份各占年降水量的10%。第21天降雨间隔207 min，平均降雨强度3.3mm h1(标准差5.7mm h1)。
虽然风条件和雨强度用连续分布来表示，个别雨滴轨迹的模型计算是在离散的情况下进行的，例如风速5风向角0度，雨滴直径1.25mm。因此，为了使轨道计算与实测参数之间的兼容性，有必要将气象数据放置在离散范畴测得的风速值放置在四个箱子中的一个，大小相等(在对数空间内)，中心位置为1.25、2.5、5毫米和10m每秒。同样，测量到的风向s被分为八类中的一种，每种类型都跨越45个。选择这些类别是为了使风总是以0度或45度的角度接近模型块。
每隔15 min，用实测雨强导出一个离散的雨滴大小分布。分布只有三个滴大小，直径为1.25，2.5，和5毫米（图2）；这些雨滴尺寸允许比较结果与崔（1993）的早期工作谁使用了类似的值。计算是基于指数分布的马歇尔和帕尔默的“经济对话”(1948)：
在三个大小的垃圾箱中，滴落的数量浓度乘以一个修正因子，这样1.25、2.5和5毫米的降雨强度等于雨强度测量值。在华纳大厅红色,请注意，瞬时形状的滴大小分布预计将有很大的变化。然而，在长时间平均时，数浓度随滴数d的变化而变化。指数分布可以充分地表示参数(哥里等人，1988年)。
2.4.降雨冲击计算
该块的每个面被分成三条垂直条和五条水平条，形成15个相同尺寸的矩形截面，10米至32米(图1)。这为建模的比较提供了便利。结果与崔(1993)早期作品的结果进行了比较。以评估单个参数对RAINDR交付的影响在每一个区域，我们采用崔顺实(1993)提出的局部影响因子(LEF)。对于给定的风速、入射流方向和雨滴直径(D1)，LEF或块的垂直截面等于直径D1雨滴通量M~2与直径D1T滴剂通量M~2除以该部分的比率（表示为百分比）。远离任何流动障碍的地面。
将华纳厅收集的气象数据与为一组离散的流动环境计算的LEF相结合，估算了流向学习大教堂垂直墙的雨水总量。统计雨滴大小，每隔15分钟(共207次)计算一次与降雨相关的模型块各路段的降雨量。
- 结果和讨论
3.1.雨滴向块体输送：雨滴直径和风条件的影响
图3显示了四种风速和三种雨滴直径的LEF s，用于垂直于块的气流(风向角为0度)。一般来说，LEF s随着风速的增加而增加。雨滴直径的任何给定截面的块面。这个结果是直观的，因为雨滴对建筑物表面的惯性撞击预计会在更高的风速和降雨时增加。块体面上LEF s的空间变化更为复杂。
LEF s沿块体的高度增加。这是意料之中的，因为在地块顶部附近，雨滴仍然保留了大部分最初垂直和水平的雨滴势头。在较低的高度上，由于入射风廓线的形状(幂律)和气流中的扰动，雨滴在顺流方向移动较慢。因此，雨滴对块体下部的影响比对较高部分的影响更小。各行的LEF s的变化很有趣。特别是风速为10米的情况
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