第一章 绪论
1.1 研究背景
风荷载是建筑结构荷载的重要组成，也是建筑结构设计必须考虑的基本要素之一。近年来，随着社会经济的高速发展以及人民生活水平的日益提高，对建筑物的要求也越高，高层建筑、超高层建筑、大跨度桥梁以及高耸、柔性建筑物大量出现，风荷载对建筑物的影响也越来越大，在某些环境和需求下甚至成为建筑设计的控制荷载[1]。因此，研究风对建筑物的作用，尤其是在复杂建筑环境下的风对建筑物的影响机理显得尤其重要。
风沙现象是强风经过地面，卷起大量的沙粒，按照一定路径运移，造成空气特别浑浊、能见度低，具有突发性和持续时间较短等特点的灾害性天气现象，主要发生在干旱、半干旱地区以及植被稀疏的地区。全球范围内共有四大沙尘暴多发区，分别是北美、大洋洲、中亚以及中东地区。我国沙尘暴区是中亚沙尘暴地区的一部分，有两大主要沙尘暴多发区：一是西北地区，主要集中在三个区域，
即塔里木盆地周边地区、吐鲁番-哈密盆地经河西走廊、宁夏平原至陕北一线和内蒙古阿拉善高原、河套平原及鄂尔多斯高原；二是华北地区，赤峰、张家口一带[2]。引起沙尘暴的原因主要有：强风、热力不稳定以及可移动沙源[3]。土地荒漠化是造成沙尘暴现象的一个关键要素。在 20 世纪中后期，我国在发展经济的同时，并没有意识到对生态环境的影响，造成北方地区的土地荒漠化加重，从而造成沙尘暴爆发频率升高，强度变大，范围变广，进一步影响经济的发展和生态环境的稳定。如图 1-1 所示为近 50 多年来我国北方地区沙尘日数，可以看出，
我国北方地区平均沙尘日数呈现出明显减少的趋势，平均每年减少 3.6 天。图 1-2展示出 20 世纪中叶以来，我国北方沙尘暴爆发频率，呈明显的上升趋势。尤其是 1993 年 5 月 5 日，特大沙尘暴袭击了甘肃、新疆、宁夏、内蒙古等地区，直接导致 80 多人死亡，
300 多人受伤，4330 间房屋倒塌，农作物受害 560 万亩，沙埋干旱地区水渠总长 2000 多公里，直接经济损失达 7.25 亿元[4]，据估计每年由于风沙造成的经济损失高达 500 多亿[5-6]。
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1.2 结构风工程概述
建筑结构风荷载研究属于结构风工程的范畴。风工程学科主要研究的是大气边界层中风与人类活动之间的相互作用。结构风工程是风工程研究中重要的课题之一，是研究风对结构作用、结构对风的响应以及减小结构风致响应措施的一门多领域交叉学科[9]。在建筑物设计，尤其是高层、高耸等柔性结构设计中，风荷载是必须要考虑的一项因素。现代结构风工程奠基人、加拿大西安大略大学的A.G.Davenport 教授提出了风荷载链的概念，用以描述结构风工程所涉及的几个重要方面。目前，结构风工程的主要研究内容包括：全球风、近地表风、风压、结构响应，同时为了将其研究成果应用于实际的结构设计中，需要将它们进行总结提炼，从而形成了风荷载设计准则。通过目前的研究方向和进展，可以看出，结构风工程所涉及的学科范围很广，涉及气象、结构、流体力学以及空气动力学等诸多学科。因此，结构风工程的研究很复杂，并且具有很大的难度。图 1-4 展示的是风荷载链，可以看出，在建筑物风工程研究中，不仅要关注风场及其对建筑的作用，还要考虑结构的动力响应，研究难度非常大。
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第二章 风荷载计算基本方法和理论
2.1 引言
随着计算机技术的发展，计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，
CFD）应用于建筑物风荷载的计算，成为风场实测和大气边界层风洞试验的辅助手段。在一些实际工程中，通过建设前的数值计算，模拟得到建成后建筑表面风荷载分布，从而做出工程方案的改进与调整，使得数值模拟技术在建筑物风荷载模拟方面发挥了重要的作用。
由于大多数的工程结构为钝体形状（即非流线体），因此，结构风工程重点研究内容是钝体空气动力学，其核心是计算流体动力学。借助计算机和图像处理技术，对流体流动、传质传热等物理现象进行计算分析。计算流体动力学的基本思想是：把原来在时间和空间上连续的物理场，用一定数量的离散点上的变量值集合来代替，再通过一定的规则和方式建立起有限个变量的代数方程组，用以描述这些离散点上场变量之间的关系，最后通过求解这些代数方程组来获得场变量的近似值。计算流体动力学可通过两种方法来实现，一种是通过商业软件来得到结果，另一种是通过编写计算程序来得到结果，两种方法的工作原理是一样的，如图 2-1 所示。
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2.2 流体运动基本方程
2.2.1 连续性方程
在进行流体的研究时，通常将流体看成是连续的介质，流体各质点连续充满所占据的空间，并且彼此之间不会出现空隙。流体的这种性质称为连续性，数学形式的表达就是连续性方程，实质上就是质量守恒方程。质量守恒方程是所有流体流动问题必须首要满足的条件[58]。
N-S 方程是粘性流体流动的基本方程，上述的基本方程组是一个非线性偏微分方程组，在理论上可以直接求解，但在实际上求解非常困难，目前仅仅可求解十分简单的流动问题。工程中所涉及的流动问题，一般情况下雷诺数都很大，流体处于湍流状态。考虑到时空分辨率，对计算机的性能要求很高。为了解决这一问题，人们引入了湍流模型和其他假设，使得其应用范围更加广泛。
所谓湍流模型，就是将流体运动基本方程中的物理量分解为平均值和脉动值，求解平均值和脉动值所对应的方程式。因此，将湍流模型分为雷诺平均湍流模型和空间平均湍流模型。雷诺平均湍流模型包括涡粘性模型、零方程模型、一方程模型、二方程模型以及雷诺应力方程模型。
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第三章 数值方法验证................................... 17
3.1 引言................................17
3.2 单体建筑净风场数值模拟...........................17
第四章 串列建筑风沙场数值模拟..............................24
4.1 引言...............................24
4.2 数值计算模型和网格划分.......................24
第五章 并列建筑风沙场数值模拟...............................38
5.1 引言..................................38
5.2 数值模型和网格划分............................38
第五章 并列建筑风沙场数值模拟
5.1 引言
通过第四章两串列矩形方柱在不同间距比下风沙场的数值模拟结果可以看出，间距比对两建筑物的风沙荷载有着很重要的影响，尤其是对下游建筑物，不仅对建筑物表面风沙荷载有很大的影响，同时间距比的不同也使得建筑周围风沙环境发生了改变。
本章进行两并列矩形方柱情形下的数值模拟。主要研究两个并列布置的矩形方柱的风沙场，通过改变二者的间距比，研究并列建筑物表面风沙荷载以及周围风沙场的变化规律。同时，对比分析了两种浓度下，不同间距比的两并列矩形方柱表面风沙荷载的变化规律，以便进行更加合理的建筑结构设计。
本章采用计算模型计算域最大阻塞率为 2.08%，小于 3%，因此，计算域的选取是合理的[5]。对所选取的两个并列建筑进行网格划分，在合理利用计算机资源并能够得到切合实际的数值模拟结果的前提下，网格划分规则与前一章相同，但还需要注意以下措施：
a. 对流场变化较小的计算域，采用 1.2 倍递增的比例适当的减少计算网格，如远离建筑物的区域（建筑物上游和下游流域）。
b. 通过数值模拟需要得到两个建筑物之间流场的分布特性，因此，需要对两个建筑物之间的流域进行网格加密，以便获得准确的风场特性。
计算模型为欧拉-欧拉双流体模型，湍流模型为 Realizable κ-ε湍流模型，湍动能以及湍流耗散率设置与第四章相同。
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第六章 结论与展望
6.1 结论
近年来，由于环境问题的加重，我国中西部地区以及华北区域受到沙尘天气的影响十分严重，尤其是在冬春季节，干燥松散的地表是沙尘天气形成的物质基础。风携带着沙颗粒，当其到达建筑物时，会使得建筑物表面风荷载发生很大的变化，对建筑物的安全性有着不利的影响。目前，国内外土木工程领域对风沙条件下的建筑物表面荷载分布规律的研究相对很少。本文首先对钝体动气动力学方法进行了研究，在此基础上对两相流问题进行了研究和探讨，并使用 CFD 流体计算软件对建筑物进行了风沙场的数值模拟，分别对两个串列布置和并列布置的矩形方柱进行了风沙荷载和风场特性的模拟，对处于风沙场中的建筑物表面风压和其周围风场进行了讨论，得到了以下结论：
1. 在进行建筑物数值风洞试验时，利用不同的缩尺比创建的模型其数值计算结果基本相同，且与风洞试验结果一致。这说明在实际工程中，可以利用缩尺比的思想对处在风场和风沙场中的建筑物进行建模计算，在保证计算结果准确的前提下可以节约资源，提高工程效率，有利于工程的成本节减。
2. 研究风沙场中建筑物风沙荷载与间距比的关系，是本文的一个创新点。风沙场中两个矩形建筑物，其表面风荷载比净风场中要大。这说明进行风沙场中建筑物结构设计时，不仅要考虑建筑物表面空气净风压力，还要考虑沙颗粒撞击建筑物表面产生的压力。与净风场相比，风沙场中的建筑物各面的风荷载分布发生了很大的变化。当建筑物串列布置时，主要影响区域是建筑物迎风面和背风面；当建筑物并列布置时，主要影响区域是迎风面和相邻的侧风面。因此，在实际风沙场中的建筑结构设计时，要对步区域进行处理，以防因风压过大使得建筑物局部受损，甚至影响整个建筑物的安全性。
3. 风沙场中的两个建筑物，无论其布置方式不同还是义间的间距不同，沙粒相浓度（即体积分数）越大，建筑物表面所受的风沙荷载均增大。同时，随着沙粒相浓度的增大，建筑物迎风面风压的增大幅度要大于侧风面和背风面。
4. 风沙场中，由于沙粒受到重力的影响，越是靠近地面，建筑物周围的风场越复杂。同时，沙粒浓度越高，对近地风速影响越大。
参考文献（略）