风驱雨量的目标轨迹追踪计算方法技术

本发明专利技术公开了一种风驱雨量的目标轨迹追踪计算方法，属于风工程技术领域。所述计算方法包括，给定风场来流条件，求解雷诺平均N‑S方程获得建筑绕流流场；根据待计算区域建立虚平面，并计算样本轨迹在待计算区域或虚平面上的样本轨迹终点；利用代理模型方法，根据样本轨迹起点和样本轨迹终点建立关于雨滴起点和终点坐标关系的函数关系式；给定待计算区域上的雨滴轨迹终点坐标，计算雨滴轨迹起点坐标；求解雨滴运动方程，得到有效轨迹，根据有效轨迹计算该待计算区域的收集率分布。本发明专利技术实现了对建筑侧面、背风面及边界和角点区域收集率的准确计算，同时所需的雨滴轨迹计算量相比现有方法显著下降。

Target trajectory tracking computation method for wind driven rainfall

The invention discloses a method for tracking and tracking target tracks of wind driven rainfall, which belongs to the technical field of wind engineering. The method includes calculating, given wind flow conditions, Reynolds averaged N S equations to obtain the flow construction; according to the calculation area to set up a virtual plane, and calculate the sample trajectory calculation of sample trajectory end point or virtual plane in the area to be; using the method of agent model, according to the starting point and end point trajectory sample sample trajectory the establishment of the function relationship about the starting point and end point coordinates of the rain; given to be calculated on the end point coordinate regional raindrop trajectories, calculating raindrop trajectories starting point coordinates; solving the raindrop motion equation, effective trajectory, according to the calculation of the effective trajectory to be calculated area collection rate distribution. The invention realizes accurate calculation of the collecting rate of the side, the lee side, the boundary and the corner area of the building, and meanwhile, the calculation amount of the required raindrop trajectory is decreased significantly compared with the existing method.

【技术实现步骤摘要】
风驱雨量的目标轨迹追踪计算方法
本专利技术属于风工程
，具体涉及一种风驱雨量的目标轨迹追踪计算方法。
技术介绍
风驱雨是风工程研究的一个热点问题，风驱雨的研究在建筑、交通等领域均具有重要意义。风驱雨会影响建筑墙面的保温性能，导致墙面发生霉变，甚至影响墙面使用寿命；风驱雨还可能影响高速列车、飞机等交通工具的运行安全。为评估风驱雨的影响，就需要确定风驱雨量的大小。目前，采用数值模拟方法定量计算风驱雨量大小是国内外的研究热点。风驱雨数值模拟方法通常基于欧拉-拉格朗日和欧拉-欧拉两类模型。由于在实际降雨条件下雨滴所占体积分数远小于10％，不满足通常认为的采用欧拉-欧拉模型时各相体积分数应大于10％的要求，因此基于欧拉-拉格朗日模型的计算方法应用更为广泛，且通常认为该模型能够更准确地模拟风驱雨现象中雨滴的运动过程。在基于欧拉-拉格朗日模型的风驱雨计算方法中，首先需要获得建筑等研究对象的绕流流场。基于该流场，计算一定量离散雨滴的轨迹，其中一些轨迹应终止于待研究的物体表面。最后根据终止于物面的雨滴轨迹计算该面上的风驱雨量。表征风驱雨量大小的参数主要有特定收集率和收集率。其中，特定收集率表示某一直径雨滴在物面的风驱雨强度与在未受扰动水平面降雨强度之比；收集率表示将特定收集率按不同直径雨滴体积分数加权平均后的结果。当前对建筑表面风驱雨量的研究主要考虑建筑迎风面的收集率分布，仅有少量研究对建筑侧面收集率分布进行了分析，对建筑背风面收集率分布则尚未见到研究报道。分析建筑绕流流场的速度分布特点可知，撞击到建筑侧面和背风面的雨滴数量所占比例小于撞击到建筑迎风面的雨滴。由于当前基于欧拉-拉格朗日模型的计算方法需要待计算表面具有一定数量的雨滴以保证收集率计算精度，因此若要准确计算建筑侧面和背风面的收集率分布，需要计算的雨滴数量比仅计算建筑迎风面时所需雨滴数量更大，导致计算量巨大。另外，在建筑迎风面的收集率分布在边界和角点处具有较大梯度，为准确计算边界、角点等区域的收集率，当前方法需要在这些区域计算更多雨滴轨迹，以减小根据雨滴终点所划分区域的面积，提高收集率计算精度。然而由于建筑绕流流场复杂，当前的雨滴轨迹计算方法无法直接确定合适的雨滴初始条件来保证雨滴终点位于边界和角点区域，只能通过在可能的范围内计算大量雨滴轨迹，以提高终点落入关心区域的雨滴轨迹数量。由以上分析可见，若采用当前基于欧拉-拉格朗日模型的计算方法研究建筑侧面和背风面以及边界和角点区域的收集率分布，则需要计算巨量的雨滴轨迹，且难以保证收集率计算的准确性。
技术实现思路
本专利技术提出一种风驱雨量的目标轨迹追踪计算方法，通过建立新的雨滴轨迹计算方法，实现对建筑侧面、背风面及边界和角点区域收集率的准确计算，同时所需的雨滴轨迹计算量相比现有方法显著下降。对于建筑侧面、背风面、边界、角点等区域而言，采用现有方法计算雨滴轨迹难以保证有足够数量的雨滴落在所关心区域内。本专利技术提供的目标轨迹追踪计算方法则预先给定雨滴终点，并通过建立描述雨滴起点和终点位置关系的模型来计算恰好终止于给定终点的雨滴轨迹。采用本专利技术的方法，只需确定合理的雨滴终点位置，即能得到准确的收集率分布。雨滴在建筑绕流流场中的运动受自身重力以及阻力的作用。其中，阻力与流场风速、雨滴本身运动速度、雨滴直径等因素有关。由于流场风速在空间的分布是连续的，雨滴运动速度随时间也是连续变化，因此根据雨滴运动方程，相邻时刻雨滴的坐标满足连续函数关系；又由于雨滴轨迹是对雨滴运动方程进行时间积分得到，因此雨滴终点坐标与起点坐标也应满足一个连续的函数关系。然而，由于建筑绕流流场十分复杂，雨滴在运动过程中的受力随位置变化而不断变化，因此这些函数关系难以直接根据雨滴运动方程解析得到。由于雨滴运动过程的复杂性，针对上述问题，可采用代理模型方法建立描述雨滴起点坐标和终点坐标的函数关系。代理模型方法并不考虑雨滴的实际运动过程，而是根据一定数量样本轨迹的起点和终点坐标的对应关系，建立函数表达式。在此基础上，根据预先给定的雨滴终点坐标即可给出对应的起点坐标，之后再根据雨滴运动方程计算得到雨滴轨迹，若轨迹终点与给定终点的误差满足精度要求，则认为所得轨迹是有效的，否则对函数表达式进行修正，直到所有雨滴轨迹均满足精度要求为止。在应用代理模型方法时，需要一定数量的雨滴样本轨迹。研究发现，当给定终点在雨滴样本轨迹的终点覆盖范围之内时，采用所建立的函数关系预测得到的起点坐标更为准确。另外，在计算边界、角点区域的收集率时，需要准确计算终点位于边界和角点上的雨滴样本轨迹。因此，在给定雨滴样本轨迹时，应使得雨滴样本轨迹的终点的覆盖范围超过待计算区域的范围，从而使得边界、角点上的点位于雨滴样本轨迹的终点覆盖范围内，以提高雨滴样本轨迹计算的精度。为获得超过待计算区域范围的轨迹终点，需要将待计算区域进行延展，建立一个空间中的虚平面，当雨滴运动至该虚平面时，记录当前雨滴终点坐标作为该雨滴轨迹的终点坐标。将终止于虚平面和待计算区域的雨滴轨迹共同作为雨滴样本轨迹，采用代理模型方法建立函数关系式，则对待计算区域内部、边界和角点处的雨滴轨迹均可进行准确计算，从而获得准确的收集率分布。对于建筑侧面和背风面而言，只需存在可终止于待计算区域的雨滴轨迹，即可应用目标轨迹追踪计算方法获得该待计算区域内其它给定终点的雨滴轨迹，进而得到待计算区域内的收集率分布。本专利技术提供的风驱雨量的目标轨迹追踪计算方法，分以下步骤：步骤1：给定风场来流条件，求解雷诺平均N-S方程获得建筑绕流流场；步骤2：根据待计算区域建立虚平面，并计算样本轨迹在待计算区域或虚平面上的样本轨迹终点；步骤3：给定待计算区域上的雨滴轨迹终点坐标；步骤4：利用代理模型方法，根据样本轨迹起点和样本轨迹终点建立关于雨滴起点和终点坐标关系的函数关系式；步骤5：对步骤3给定的雨滴轨迹终点坐标，利用步骤4所建立的函数关系式计算雨滴轨迹起点坐标；步骤6：根据步骤5计算得到的雨滴轨迹起点坐标求解雨滴运动方程，将求解得到的预测轨迹和预测轨迹终点坐标与之前给定的雨滴轨迹终点坐标进行对比，若误差满足精度要求，则记录该预测轨迹为有效轨迹，否则将该预测轨迹加入样本轨迹，返回步骤4。步骤7：重复步骤4～6，得到所有直径雨滴在给定雨滴轨迹终点的有效轨迹，然后根据有效轨迹计算该待计算区域的收集率分布。本专利技术的优点在于：1.在现有技术中的基于欧拉-拉格朗日模型的雨滴轨迹计算方法中，雨滴轨迹是根据给定的初始条件积分雨滴运动方程得到的，在计算结束前无法确定雨滴的终点位置，这就导致有大量雨滴轨迹最终未终止于待计算的表面，而这些轨迹对收集率计算而言是无效的。而在本专利技术提供的目标轨迹追踪计算方法中，则是先给定雨滴轨迹终点，再根据该终点确定相应的初始条件。这样就能保证所计算的雨滴轨迹均可用于所关心区域的收集率计算，而不需额外计算大量无用的雨滴轨迹，因而可有效降低雨滴轨迹计算量。2.本专利技术的目标轨迹追踪计算方法预先给定了待计算区域的终点位置，因此可根据流动条件和物面几何形状特征等在不同区域给定不同密度的轨迹终点分布，即对待计算区域进行加密，从而更准确地获得该区域的收集率分布。3.本专利技术的目标轨迹追踪计算方法能够快速获得建筑侧面、背风面等区域的收集率分布，并能通过区域加密，准确计本文档来自技高网...

【技术保护点】
风驱雨量的目标轨迹追踪计算方法，其特征在于：步骤1：给定风场来流条件，求解雷诺平均N‑S方程获得建筑绕流流场；步骤2：在待计算建筑上选取待计算区域，根据待计算区域建立虚平面和样本轨迹释放平面，在样本轨迹释放平面上均匀分布样本轨迹起点，求解样本雨滴运动方程，得到样本轨迹在待计算区域或虚平面上的样本轨迹终点；步骤3：待计算区域上，给定雨滴轨迹终点坐标；步骤4：利用代理模型方法，根据样本轨迹起点和样本轨迹终点建立不同直径雨滴起点和终点坐标关系的函数关系式；步骤5：对步骤3给定雨滴轨迹终点坐标，利用步骤4中所建立的函数关系式计算雨滴轨迹起点坐标；步骤6：根据步骤5计算得到的雨滴轨迹起点坐标，将相同直径样本雨滴的初始速度作为初始速度，求解雨滴运动方程得到的预测轨迹和预测轨迹终点，将预测轨迹终点坐标与给定的雨滴轨迹终点坐标进行对比，若误差满足精度要求，则记录该预测轨迹为有效轨迹，否则将该预测轨迹作为样本轨迹，返回步骤4；步骤7：重复步骤4～6，得到所有直径雨滴在给定雨滴轨迹终点的有效轨迹，然后根据有效轨迹计算该待计算区域的收集率分布。

【技术特征摘要】
1.风驱雨量的目标轨迹追踪计算方法，其特征在于：步骤1：给定风场来流条件，求解雷诺平均N-S方程获得建筑绕流流场；步骤2：在待计算建筑上选取待计算区域，根据待计算区域建立虚平面和样本轨迹释放平面，在样本轨迹释放平面上均匀分布样本轨迹起点，求解样本雨滴运动方程，得到样本轨迹在待计算区域或虚平面上的样本轨迹终点；步骤3：待计算区域上，给定雨滴轨迹终点坐标；步骤4：利用代理模型方法，根据样本轨迹起点和样本轨迹终点建立不同直径雨滴起点和终点坐标关系的函数关系式；步骤5：对步骤3给定雨滴轨迹终点坐标，利用步骤4中所建立的函数关系式计算雨滴轨迹起点坐标；步骤6：根据步骤5计算得到的雨滴轨迹起点坐标，将相同直径样本雨滴的初始速度作为初始速度，求解雨滴运动方程得到的预测轨迹和预测轨迹终点，将预测轨迹终点坐标与给定的雨滴轨迹终点坐标进行对比，若误差满足精度要求，则记录该预测轨迹为有效轨...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋崇文，许晨豪，高振勋，李椿萱，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11