近地台风风场特性及低矮房屋风荷载现场实测研究

通过研制的可移动平坡屋面实验房风压及台风风场现场实测系统,研究近地台风风场特性和低矮房屋表面风荷载分布规律。基于实验房获取到的10余次近地台风风速和风压实测数据,对近地台风风场湍流特征参数如湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度及脉动风速功率谱等,按来流不同方位地貌状况进行分类研究;同时分析了斜向强风最不利工况下,屋面角部区域风压分布特征。分析结果表明: A、B、C类地貌条件下,台风顺风向湍流强度均值分别为0.13, 0.21, 0.32;阵风因子同湍流强度正相关,湍流积分尺度随湍流强度增加而减少;与季风相比,台风眼壁区域的顺风向脉动风速功率谱密度值略大于季风的实测值,而横风向脉动风速功率谱密度值显著大于季风的实测值;在低频和惯性子区范围,台风眼壁区域的顺风向脉动风速von Karman和Harris谱拟合值与实测值吻合较好;在斜向风作用下迎风屋檐角部边缘测点区域具有较高峰值负压和脉动风压,峰值负压系数达-13.5。     

矩形高层建筑结构横向风振反应的分析计算

本文根据结构随机振动理论,考虑到国外有关规范中根据风洞试验数据提出的横风向脉动风压谱与足尺观测数据有差异的现象[1],根据已经得出的横向湍流脉动风压谱密度函数[2],提出了一个湍流脉动风压作用下结构横风向风振反应的计算方法供参考。采用本文中提出的风振反应计算方法可能不至于漏失结构在非共振风速时较大的风振反应值,从而不至于低估设计基准期内最大风速下的横风向风振加速度反应值。用本文提出的方法针对一个具体的工程实例计算了风振反应值,并与采用国外规范中现行方法的计算结果作了对比。计算结果表明,在出现设计基准期内最大风速时,结构湍流脉动风压诱发的横风向风振可能大于由国外现行规范中公式计算的风振反应值。     

复杂塔冠对双塔高层建筑风压特性影响的试验研究

利用同步测压风洞试验方法,研究了3种典型风向角下圆角三角形截面双塔高层建筑顶部的花瓣形塔冠对建筑表面风压分布特性和风致响应的影响。基于试验数据,对建筑平均风压和极值风压等值线、整体体型系数、风荷载功率谱密度曲线以及基底合力(矩)进行了分析和比较。结果显示,复杂塔冠在整体上抬高了建筑顶部的风致绕流,使得部分风向角下建筑顶部附近的风压出现增大趋势;塔冠的存在同时使各楼层阻力和升力系数增大,且越靠近顶部增幅越明显;当风向沿着双塔形心连线方向时,由上游塔楼漩涡脱落形成的尾流激振现象十分显著,从而使得该风向角下的峰值加速度和横风向等效静力风荷载均达到最大,而塔冠的存在可能改变横风向风荷载的频谱特性,对于文中研究的双塔高层建筑,塔冠使得涡漩脱落频率略向低频转移,故使相应的峰值加速度和等效静力风荷载有所降低。     

顺风向等效风荷载及响应——主要国家建筑风荷载规范比较

详细地比较了中、美、欧、日、加、澳等国风荷载规范中顺风向响应的计算内容。通过对基本风压、平均风速剖面、湍流强度剖面、脉动风速谱、相关函数等多个方面的详细分析比较 ,指出中国规范在湍流强度、响应峰值系数的选取、相关函数的选用等方面可能存在的问题 ,并用各国风荷载规范完整地计算比较了一幢高层建筑结构的顺风向等效设计风荷载和顺风向风振响应     

弧形内凹连续坡屋面风压特性的数值模拟

基于窄带叠加法(NSRFG)入口脉动风速生成方法,对石家庄国际会展中心D展厅的非定常绕流风场进行大涡模拟(LES)研究,得到其弧形内凹连续坡屋面的瞬态风压时程,在此基础上研究此类屋面的风荷载分布特性并分析风向角变化对体型系数的影响.结果表明,突出屋面的天窗对风压分布影响显著;规范中封闭式锯齿形屋面的体型系数可用于该弧形内凹连续坡屋面90°风向角下的风荷载估计,但其他风向角下的屋面风压更不利.     

楔形超高层建筑风效应的大涡模拟研究

风荷载往往是超高层建筑结构安全性和舒适性的控制性荷载。本文通过大涡模拟技术并结合作者建议的一种新的湍流入口生成方法(NSRFG方法),对四种不同锥度的楔形建筑模型进行了风效应的数值模拟对比研究,以比较不同锥度对结构风荷载和风振响应的影响,及检验本文数值模拟方法的适用性。数值模拟结果表明,虽然不同锥度的建筑模型平均风压和脉动风压分布规律相似,但在结构响应方面,结构横风向峰值基底弯矩响应随模型锥度增大显著减少,表明采用适当锥度的体形可以有效地减小结构横风向气动荷载。本文数值模拟结果和风洞试验结果整体规律相符,表明结合改进的入流湍流生成技术的大涡模拟具有一定的精度,可以给超高层建筑气动外形优化研究提供有价值的参考。     

矩形高层建筑结构扭转风振反应时程的分析计算

根据Davenport脉动风速谱函数与日本规范中提出的横风向脉动风力谱系数函数模拟的顺风向与横风向脉动风压时程,采用Newmark法计算了一栋高68m的高层建筑物的风振扭转动力反应时程。计算时考虑了顺风向脉动风压与横风向脉动风压的联合作用。计算结果表明:结构扭转振动加速度响应以共振响应为主,非共振响应仅占次要的部分,这与谱分析法得出的结论是一致的,从而说明了计算结果的正确性。这对于正确估算结构的扭转风振反应值,为高层建筑风振控制措施设计提供参考依据是有一定意义的。     

基于大涡模拟的三维高层建筑结构气弹响应数值模拟

以宽高比为1∶6的方形截面高层建筑为研究对象,采用弱耦合分区交错算法,流体域采用大涡模拟方法,进行了紊流边界层风场内三维高层建筑结构多自由度模型的气弹数值模拟,计算中考虑了来流紊流,以及结构的顺、横风向响应。将结构静止时大涡模拟结果与刚性模型测压风洞试验进行比较,验证了该方法在准确预测结构风荷载方面的可行性。通过与气弹模型风洞试验结果的比较表明,本文数值分析方法可用于求解风与结构的相互作用,且具有较高的精度。进行了高折减风速下的气弹数值模拟,研究了结构顶部顺、横风向位移响应随折减风速的变化规律。结果表明：结构风振气弹响应主要为来流紊流引起的顺风向抖振和旋涡脱落引起的横风向涡激振动;折减风速较小时,结构顺、横风向位移振幅相当,且位移响应均相对较小;随着折减风速的增加,结构位移响应增大,横风向涡激振动逐渐占据主导地位,并经历了从“拍”到“涡激共振”的转化。     

大跨度空间结构环境风场特性实测研究

近年来,围绕大跨度空间结构的风场特性研究、风振研究逐渐成为土木工程学科的热点研究方向,虽然获得了不少成果,但大多是建立在数值模拟分析基础上,少量学者进行了风洞试验研究。虽然风洞试验可以方便地模拟不同工况条件下的风环境和结构风振响应,但在真实建筑与模型相似比问题上又会使试验结果与真实数据之间存在一定误差。鉴于此,通过实测手段采集到了大跨度空间结构屋盖上方的风速、风向和风压数据,并基于实测数据,对其风荷载的风速、风向、湍流强度、积分尺度、脉动风压、风压相关性等指标进行了细致分析,分析结果真实可靠地说明了其屋盖上方的风场特征,对于大跨度空间结构的风振研究具有十分重要的意义。     

超高层建筑风致响应及等效静力风荷载研究

以重庆宾馆为工程背景,制作了缩尺比为1∶300的试验模型,并进行了刚性模型同步测压风洞试验,采集了重庆宾馆建筑表面的脉动风压时程。风洞试验包括有周边建筑和无周边建筑两类工况。采用风洞试验的脉动风压时程数据,考虑该高层建筑2个主轴方向的前4阶弯曲模态,进行了其风致响应研究,得到了建筑顶部的位移响应和加速度响应,并进行了人体舒适度验算。采用惯性风荷载法,研究了建筑主轴方向的等效静力风荷载。结果表明:对于高度为300m的混凝土高层建筑,仅考虑1阶模态进行风致响应分析,位移响应能满足工程精度的要求,但加速度响应误差较大,至少应考虑前4阶模态;重庆宾馆10年重现期下建筑顶部的峰值加速度为0.144m/s2,满足舒适度限制要求;横风向平均风荷载较小,但惯性风荷载较大。     

大跨度复杂屋盖结构风荷载的大涡模拟

应用一种新的湍流脉动流场产生方法DSRFG(Discretizing and Synthesizing Random Flow Generation)[1]模拟风场实际的湍流边界条件,采用一种新的大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)的亚格子模型[2],基于Linux系统下软件平台Fluent6.3的并行计算技术,对深圳新火车站进行了数值风洞模拟。并将屋盖的平均风压、脉动风压计算结果与风洞试验数据进行了比较,表明数值模拟很好地反映了大跨度屋盖表面风压的分布情况,由其得到的风压系数与风洞试验数据有较好的吻合。表明本文的DSRFG方法以及新的大涡模拟亚格子模型的数值模拟技术是一种很好的预测大型、复杂结构表面风荷载的有效方法。并为进一步发展在复杂湍流环境下大跨度屋盖结构的风荷载数值风洞技术提供参考。     

Large eddy simulation of wind effects on a long-span complex roof structure

This paper presents a combined study of numerical simulations and wind tunnel tests for the determinations of wind effects on a long-span complex roof of the Shenzhen New Railway Station Building. The main objective of this study is to present an effective approach for the estimations of wind effects on a complex roof by computational fluid dynamics (CFD) techniques. A new inflow turbulence generator called the discretizing and synthesizing random flow generation (DSRFG) approach was applied to simulate inflow boundary conditions of a turbulent flow field. A new one-equation dynamic subgrid scale (SGS) model was adopted for the large eddy simulations (LES) of wind effects on the station building. The wind-induced pressures on the roof and turbulent flow fields around the station building were thus calculated based upon the DSRFG approach and the new SGS model integrated with the FLUENT software. In parallel with the numerical investigation, simultaneous pressure measurements on the entire station building were made in a boundary layer wind tunnel to determine the mean, fluctuating, and peak pressure coefficient distributions. The numerically predicted results were found to be consistent with the wind tunnel test data. The comparative study demonstrated that the recommended inflow turbulence generation technique and the new SGS model as well as the associated numerical treatments are useful tools for structural engineers to assess wind effects on long-span complex roofs and irregularly shaped buildings at the design stage.     

任意排列两方形断面高层建筑风致干扰机理研究

风致干扰效应是高层建筑群抗风设计中的常见难点问题之一。采用刚性模型测压试验,研究了均匀层流和两种大气边界层风场条件下任意排列两方形断面高层建筑的风致干扰效应,通过平均和脉动基底弯矩系数的干扰因子、风力系数、风压系数分布以及风荷载功率谱的研究,解释了其风致干扰效应的机理。结果表明,任意排列的两方形断面高层建筑风致干扰中,至少存在横风向静力干扰、顺风向静力干扰和横风向动力干扰三个值得注意的干扰区域。 窄道形成的加速效应使受扰结构上形成指向施扰建筑横风向平均吸力和阻塞形成的受扰建筑的横风向平均推力;遮挡效应使得受扰建筑承受指向位于上游的施扰建筑的顺风向风力;漩涡叠加增强位于尾流区受扰建筑上的横风向脉动荷载。不同风场的试验结果表明,提高来流的紊流度有助于减弱上述干扰效应。     

On the propagation of uncertainty in inflow turbulence to wind turbine loads

When stochastic simulation of inflow turbulence random fields is employed in the analysis or design of wind turbines in normal operating states, it is common to use well-established standard spectral models represented in terms of parameters that are usually treated as fixed or deterministic values. Studies have suggested, though, that many of these spectral parameters can exhibit some degree of variability. It is not unreasonable to expect, then, that derived flow fields based on simulation with such spectral models can be in turn highly variable for different realizations. Turbine load and performance variability would also be expected to result if response simulations are carried out with these variable flow fields. The aim here is to assess the extent of variability in derived inflow turbulence fields that arises from the noted variability in spectral model parameters. Simulation of these parameters as random variables forms the basis of this study. A commercial-sized 1.5 MW concept wind turbine is considered in the numerical studies. Variability in turbulence power spectra at field points on the rotor plane and in turbulence coherence functions for separations on the order of a rotor diameter and smaller is studied. Using time domain simulations, variability in various wind turbine response measures is also studied where the focus is on statistics such as response root-mean-square and 10-min extreme estimates. It is seen that while variability in inflow turbulence spectra can be great, the variability in turbine loads is generally considerably lower. One exception is for turbine yaw loads whose larger variability arises due to sensitivity to a coherence decay parameter that is itself highly variable. Finally, because reduced-order representations of turbulence random fields using empirical orthogonal decomposition techniques allow useful physical insights into spatial patterns of flow, variability in the energy distribution and the shapes of such empirical eigenmodes is studied and a simplified model is proposed that retains key variability sources in a limited number of modes and that accurately preserves overall inflow turbulence field uncertainty.     

高层建筑标准模型脉动风压特性大涡模拟适用方法研究

为提高钝体建筑结构绕流模拟结果的精度,基于两种大涡模拟(large eddy simulation, LES)入口湍流生成方法,分别为NSRFG（narrow band synthesis random flow generation）方法和CDRFG（consistent discretizing random flow generation）方法,进行CAARC(commonwealth advisory aeronautical research concil)高层建筑标准模型绕流的数值模拟比较研究。以风洞试验结果为参照,在对大气边界层湍流风场进行模拟验证的基础上,详细对比分析采用上述两种方法模拟得到的建筑表面平均和脉动风压系数、绕流场湍流结构、风压系数概率密度分布特性等的差异,并着重从脉动风压非高斯特性角度进行探讨,检验采用上述两种方法模拟钝体建筑结构绕流的适用性和准确性。结果显示：在受来流直接作用的建筑迎风面,采用两种方法模拟的脉动风压基本都符合高斯特性;而在受分离流和尾流作用的侧风面和背风面,采用NSRFG方法能更好地反映建筑表面脉动风压的非高斯特性。极值风压分析表明,为了满足99.38%的保证率,CAARC标准模型迎风面极大与极小峰值因子需分别取为3.0和2.5,侧风面和背风面极大和极小峰值因子需分别取为2.5和4.0。     

Study on suitable method to simulate fluctuating wind pressurecharacteristics of standard high-rise building model based on LES

为提高钝体建筑结构绕流模拟结果的精度，基于两种大涡模拟(large eddy simulation, LES)入口湍流生成方法，分别为NSRFG（narrow band synthesis random flow generation）方法和CDRFG（consistent discretizing random flow generation）方法，进行CAARC(commonwealth advisory aeronautical research concil)高层建筑标准模型绕流的数值模拟比较研究。以风洞试验结果为参照，在对大气边界层湍流风场进行模拟验证的基础上，详细对比分析采用上述两种方法模拟得到的建筑表面平均和脉动风压系数、绕流场湍流结构、风压系数概率密度分布特性等的差异，并着重从脉动风压非高斯特性角度进行探讨，检验采用上述两种方法模拟钝体建筑结构绕流的适用性和准确性。结果显示：在受来流直接作用的建筑迎风面，采用两种方法模拟的脉动风压基本都符合高斯特性；而在受分离流和尾流作用的侧风面和背风面，采用NSRFG方法能更好地反映建筑表面脉动风压的非高斯特性。极值风压分析表明，为了满足99.38%的保证率，CAARC标准模型迎风面极大与极小峰值因子需分别取为3.0和2.5，侧风面和背风面极大和极小峰值因子需分别取为2.5和4.0。     

湍流边界层中低矮建筑绕流大涡模拟

通过对平板湍流边界层进行大涡模拟,采用拟周期边界条件维持湍流边界层厚度稳定,提取速度和压力时程作为低矮建筑绕流模拟之脉动入流边界条件,研究脉动入流下的低矮建筑绕流特性。研究结果表明：入流边界特性对网格变化适应性良好,其平均速度剖面、湍流强度、流速频谱特性基本符合空旷地貌风场特性;脉动入流下,建筑表面的平均风压系数、脉动风压系数的计算结果与风洞试验结果基本吻合。受雷诺数及湍流强度的影响,流动分离区负压与试验值存在一定差别;屋盖上分离区风压时程具有非高斯概率特性,尤以气流分离较剧烈的屋盖迎风边缘及屋盖两侧风压的非高斯特性明显,该特征与风洞试验基本一致;受非高斯特性的影响,建议峰值因子g取4.5~5.5。     

基于CFD的复杂形体超高层建筑风流场数值模拟

建立了某拟建复杂形体超高层建筑的全尺度模型,编写了其入口平均风速剖面、湍动能和湍流耗散率的UDF程序,并选取0度、30度和-30度三种来流风向角,考察了这三种典型来流工况下建筑绕流流场.比较分析表明,相对于标准k-ε模型,RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型能更好地捕捉该复杂形体超高层建筑的绕流流场分布特征.同时,在钝体迎风面流动分离的拐角处,RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型均可以给出其合理的湍动能分布形态;并且,在流动分离的负压区可以给出其具有满意精度的平均风压分布.     

新旧荷载规范关于风振系数表达形式的比较研究

采用随机振动理论建立新、旧两种荷载规范中风振系数表达式之间的内在联系，指出新规范计算风振系数的参数与旧规范中的脉动增大系数、脉动影响系数、位置函数的关系；建立新规范的背景分量因子Bz的具体表达式，可适用于各质点质量、受风面积、阻力系数及振型值任意变化的情况；指出新规范计算风振系数时将用10 m高处的紊流度代替旧规范的脉动系数。数值算例表明，新规范的风振系数比旧规范的有所提高，这种提高主要来自于新规范中峰值因子与紊流度取值的提高；新规范与旧规范相比，由等效静力风荷载引起的结构基底剪力，除了D类地貌的有所减小外，其它3种地貌的基底剪力都有所增大。