湍流积分尺度对高层建筑风荷载影响的大涡模拟

为研究湍流积分尺度对高层建筑风荷载大小和分布的影响,研究其合理取值,基于大涡模拟开展了B类地貌不同湍流积分尺度下CAARC（commonwealth advisory aeronautical research council）标准高层建筑模型绕流模拟,并将模拟结果与风洞试验进行了比较.研究结果表明:大涡模拟能较好地反映高层建筑周围风场绕流特性和表面风压分布.随着湍流积分尺度的增大,平均运动的变形率向湍流脉动输入能量,以致平均风速降低、湍流强度增大;侧面风压脉动性降低15%、分离流附着提前出现;基底扭矩谱和弯矩谱的峰值及高频段幅值均减小;层斯托罗哈数在0.4倍建筑高度以下基本相同,随高度的增加其值下降20%~30%;层平均阻力系数下降5%~10%;迎风面风压系数平均值下降2%~5%,侧面和背面下降12%~17%.湍流积分尺度对迎风面和侧面上风向的风压水平相关性、层升力和0.8倍建筑高度以下的层阻力相关性的影响可以忽略.随湍流积分尺度的增大,风压水平相关系数增大,背风面增大5%~10%,侧面下风向增大15%~25%,0.8倍建筑高度以上层阻力相关性系数增大25%~50%.B类地貌湍流积分尺度的调整系数为0.4时,计算得到的风荷载与试验结果趋于一致.      

矩形断面高层建筑脉动风荷载频谱特性研究

为研究风场特性及矩形断面长宽比等因素对矩形高层建筑脉动风荷载功率谱特性的影响,以矩形断面(宽厚比B/D=2∶1,1∶2)为例,采用刚性模型测压风洞试验的方法,测得了边界层中矩形模型的脉动风荷载时程.参考日本建筑设计建议(AIJ)给出的横风向脉动风荷载谱模型,对试验结果进行拟合,给出了一个简化的矩形高层建筑横风向脉动风荷载功率谱函数表达式.试验结果表明,顺风向脉动风荷载主要由纵向紊流引起,其功率谱密度函数特征与来流紊流基本一致;横风向脉动风荷载的形成机理较为复杂,矩形断面侧边存在复杂的分离流动及再附现象,但其无量纲功率谱密度沿高度基本一致;斯托哈尔数沿高度方向变化较小,当宽厚比分别为2∶1和1∶2时,斯托哈尔数分别约为0.128和0.069 7.     

不同长宽比矩形高层建筑的分离再附流动特性

为研究边界层紊流特性、断面长宽比和空间位置等因素与矩形高层建筑分离再附流动特性之间的关联，通过不同长宽比矩形建筑模型的同步测压试验，获取不同工况下的表面风压实测数据；分析了影响矩形建筑三维分离再附流动和分离区长度演化规律的多种因素，探讨了大尺度紊流下矩形高层建筑的非定常气动力与分离再附流动特性的内在关联；定量给出了平均分离区长度在竖向的分布规律. 研究结果表明:紊流风场的积分尺度与建筑特征尺寸的比值关系会影响分离再附流动和气动力特性的试验精准度，最大偏差可达约24%；边界层紊流的干扰导致分离剪切层曲率增大，加强了对分离区的卷夹作用，稳定再附将发生在长宽比为2时；平均分离区长度在竖向方向逐渐增大，并依据试验结果给出了高层建筑侧面风压取值的修正建议.      

山区单悬臂廊桥结构抖振响应及等效风荷载

为研究山区风环境下悬挑式人行桥梁抖振响应及风荷载,以某单悬臂观景廊桥为背景,通过风洞试验对结构的静力三分力系数以及不同风参数下的抖振响应进行了测量,并将结构横桥向最大等效风荷载规范计算值与试验值进行比较. 结果表明:山体地形对结构三分力系数及抖振响应影响较大,二者最大值均未出现在常规风向角;结构抖振响应随风速的增大而增大,受小幅风攻角的影响较小;横向抖振响应受一定程度紊流度变化的影响不敏感,但竖向及扭转响应整体随紊流度的增加呈明显增大趋势,在紊流度增大约40%的情况下二者均增大15%左右;竖向抖振响应随紊流积分尺度的增大（增幅约20%）而增大,增幅在9%左右,但积分尺度对横向抖振响应几乎无影响,对扭转响应的影响随风攻角的不同有较大差异,随着积分尺度的增大,3° 攻角下扭转响应增幅约为8%,0° 攻角其受积分尺度的变化影响较小;相比横桥向最大等效风荷载试验值,利用桥梁规范计算的结果偏于保守,静阵风系数的取值有待修正.      

深切峡谷桥址区高空风特性现场实测研究

架设在深切峡谷中的大跨度桥梁,由于桥址区地形地貌复杂,桥面离开谷底较高,桥址区的风特性一般无法通过抗风规范直接确定. 为确定深切峡谷桥址区高空的风特性,利用大桥施工过程中的猫道,在大桥跨中位置处布置了一套三维超声风速仪,对桥址区高空中的风特性进行了现场实测,获得了7 899条有效的脉动风速时程,以此为基础对桥址区高空的风特性（平均风速、风向、风攻角、紊流度、紊流积分尺度、功率谱）进行了分析. 研究结果表明:深切峡谷桥址区高空风特性受地形的影响已经明显减弱,其风攻角均值趋于0,同时高空的紊流积分尺度更加接近平原地区,紊流积分尺度均值比规范推荐值要大.      

扁平双边肋主梁桥梁断面气动导纳互功率谱识别方法探讨

以湖北荆沙长江大桥为背景,通过紊流场测力试验对气动导纳的互功率谱识别法进行了研究。通过与传统方法比较,发现互功率谱法计算得到的等效气动导纳整体上偏低,且低于Sears函数,但随折减频率变化的趋势上看,与传统算法无明显差异。由互功率谱法计算得到的复气动导纳计算抖振力,并进行频谱分析,与实测抖振力自功率谱比较发现,计算得到的抖振力自功率谱随折减频率变化的趋势与实际抖振力自功率谱吻合较好,但存在一定数量上的差异。通过对紊流度为6%、10%、20%的三种紊流场中-5°~+5°风攻角下计算值与实验值的比较发现,计算抖振力谱与实际抖振力谱的相对差异没有随紊流度和来流风攻角变化而变化的趋势,且相对差值较为稳定。     

超高层建筑气动噪声场的大涡模拟

为揭示超高层建筑气动噪声产生的机理及空间分布特征,利用大涡模拟,在大气边界层内求解超高层建筑绕流场,结合FW-H （Ffowcs Williams-Hawkings）方程的声类比法进行了超高层建筑周围声压场的数值模拟. 研究发现:超高层建筑每个面均是偶极子声源,气动噪声是由建筑表面的偶极子声源产生,且受建筑表面风压主导,顺流向和横风向的脉动压力分别主导相应方向的声场辐射强度; 气动噪声沿高度方向先增大后减小,在0.7倍建筑高度附近噪声达到最大值; 在相同高度和离建筑表面相同距离的不同空间点,当空间点面对建筑迎风面时总声压级最大、背风面次之,侧风面最小; 随着空间点与建筑距离的增大,空间点总声压级快速衰减,且横风向较顺风向衰减更快. 研究认为:大涡模拟和声类比相结合的方法能合理预测超高层建筑的气动噪声;优化气动外形,降低建筑表面风压是降噪的最有效途径.      

真空管道磁浮交通气动特性的尺度效应

为了探究管道列车的尺度对波系、尾涡以及气动载荷的影响，基于CFD软件建立三种模型尺度（1∶1,1∶5和1∶10），同时考虑两种悬浮间隙关系（车轨相对间隙不变和绝对悬浮高度不变）的模型；采用改进的延迟分离涡模拟（IDDES）湍流模型和重叠网格技术模拟了列车在管道动态运动，并用风洞试验数据验证了数值方法和网格策略的合理性.研究结果表明：列车尺度（雷诺数）增大，车前活塞区域变长，尾流扰动区范围缩短；雷诺数对近尾流区的涡对演化影响较小，但在远尾流区，随着列车尺度减小，涡对脉动变强，涡对强度的差异导致了车后正激波形态的差异；列车表面最大正压值和最大负压值均随着列车尺度增大而增大，悬浮间隙对最大正压值影响较小，但与最大负压值成正相关关系；尺度效应从压差阻力和摩擦阻力两方面共同影响气动阻力，整车摩擦阻力和头、中间车的压差阻力与雷诺数正相关，但是尾车压差阻力受附着激波的强度影响恰恰相反；列车尺度和悬浮高度均对升力影响较大.相对于全尺寸模型，1∶10模型（悬浮高度20 mm）的最大正压值减小3.82%，最大负压值增大3.94%，整车总阻力增大8.64%，头车升力减小101.56%，尾车升力增大15.88...     

流线型桥梁断面雷诺数效应

采用数值模拟方法计算了不同雷诺数苏通桥流线型断面三分力系数,通过风洞试验研究了宽高比为10∶1的流线型桥梁断面的雷诺数效应,分析了雷诺数对阻力系数、表面压力系数、风压功率谱及斯特罗哈数的影响,研究了粗糙度对雷诺数效应的抑制作用。分析结果表明:阻力系数随雷诺数的增大而减小,雷诺数会改变表面压力系数0值出现的位置,斯特罗哈数对雷诺数有平台区存在,低雷诺数风洞试验测得的斯特罗哈数比实桥值小20%,因此,流线型桥梁断面存在明显的雷诺数效应,且粗糙度对雷诺数效应有抑制作用。     

乘性噪声作用下延迟分数阶系统中的随机共振

时间延迟是动力系统的共同特性，在科学领域中得到广泛应用. 分数阶微积分具有时间记忆性和长程空间相关性，能更好地描述具有记忆、路径依赖性的物理过程，但很少文献研究延迟分数阶系统中的随机共振现象. 为此，研究乘性噪声作用下延迟分数阶系统中的随机共振. 基于线性系统理论，利用拉普拉斯变换和小延迟近似方法，得到了分数阶系统输出幅度增益（output amplitude gain，OAG）表达式. 研究结果表明:OAG是延迟时间的非单调函数；在OAG与乘性噪声的强度和相关率、随机延迟的相关率，以及分数指数和系统驱动信号频率的关系曲线上出现了随机共振现象；当乘性噪声强度较小，以及乘性噪声相关率相对较小或相对较大时，OAG随阻尼系数的增大而减小；而当乘性噪声强度较大，以及乘性噪声相关率取中间值时，OAG随阻尼系数的增大而增大.      

固定直圆柱随机脉动升力特性的数值模拟

为验证大涡模拟在风工程研究上的适用性,数值模拟了固定三维直圆柱在雷诺数（Re数）为4.11104下的绕流场,获得了圆柱非定常气动力,得到了与文献结果接近的升力脉动RMS值和漩涡脱落斯特劳哈尔数（Sr数）;提出了基于90和270点脉动压力时程的互相关系数和RMS值,估算圆柱截面脉动升力RMS值的经验公式;开展了圆柱表面脉动压力时程的相干性分析和气动力产生的流动机理研究.研究揭示了圆柱涡脱的空间不同步和频率随时间的变化特征,以及涡脱能量的有限频率带宽分布;表明圆柱表面的脉动压力能量均集中在漩涡脱落频率上,且圆柱表面90和270点脉动压力时程具有完全相同的统计特性.      

反应堆吊篮流致随机响应理论分析

讨论了吊篮结构流致振动的均方根响应。通过将流体力划分为简谐振动流体力和脉动流体两部分,结合结构有限元离散技术,建立了吊篮结构的流致随机响应不依赖于流体压力实验数据的纯理论分析方法。着重考查了平均流速、湍流强度及湍流尺度等几个主要参数对结构均方根值的影响。     

方形土楼屋盖风荷载的数值模拟分析

为探讨屋面坡角和高径比对客家圆形土楼屋盖风荷载的影响,应用数值模拟方法,在不同方向角下分别对不同的坡角和高宽比情况下土楼的屋盖极值风压系数和净风压系数进行参数分析,采用SSTk-ω湍流模型,建立具有代表性的单体方楼德辉楼的数值风洞模型,得到了屋盖极值风压系数和净风压系数随坡角、高宽比变化的分布曲线.综合考虑2种风压系数和风流场的影响,结果表明：方形土楼抗风效果较好的坡角为45°,而高径比是0.45.     

Wind Pressure Characteristics at Windward Side of Long-Span Cantilevered Roof by Wind Tunnel Test

A rigid mode of long-span cantilevered roof was tested in wind tunnel.By analyzing the relation between wind angle and wind pressure coefficient and the relation between wind angle and wind shape factor,we found that 90° is the most disadvantageous wind angle.Furthermore,the fluctuation of wind pressure at the windward edge was reflected by power spectrum density (PSD) and coherence function.The correlation coefficients of measuring points on outer and inner surfaces verifys that the largest lift force was produced at 90°.     

锥度化方形截面高层建筑的气动力特性

用高频测力天平技术,对不同锥度比的方形截面高层建筑进行了风洞试验,分析了锥度比、湍流度和风向角对方形截面高层建筑基底弯（扭）矩系数、基底弯（扭）矩谱密度与基底弯（扭）矩间相关性的影响.试验结果表明:锥度化措施能减小方形截面高层建筑基底弯（扭）矩系数幅值25%以上,但不能改变基底气动力随风向角的变化规律;锥度化措施能减小所有折减频率范围内顺风向与扭转向基底弯矩谱,但只能减小低频区域横风向基底弯矩谱和谱峰高度,却增大旋涡脱落频率和高频区横风向基底弯矩谱;随来流湍流度增大,锥度化措施对风荷载的抑制效果减弱;折减频率在0.10到0.15时,锥度化措施能增大横风向基底弯矩与基底扭矩间的相关性.      

高速列车随车移动点的脉动风速模拟

以修正Karman风速谱为目标谱, 基于最小信息准则确定线性滤波法自回归模型的阶数, 采用线性滤波法和谐波叠加法模拟了高速列车随车移动点的脉动风速时间历程, 并验证了模拟结果的可靠性, 对比了2种方法模拟脉动风速均值、方差、幅频、相频等特征变量以及风速分布规律的差异, 并分析了2种方法的计算效率。分析结果表明: 采用2种方法得到的脉动风速功率谱密度均围绕目标谱波动; 脉动风速均值约为0, 由于随机数的使用, 使得脉动风速峰值在个别时间点存在差异, 且在低频区域得到的仿真谱差异可能超过50%;不同风向角下计算所得脉动风速均值的差异小于2%, 且脉动风速的分布规律几乎一致; 当列车运行速度为80m·s-1, 且距地面高度10m处平均风速为25m·s-1时, 2种方法得到的脉动风速峰值均值间的差异小于1%, 表明2种方法均适用于模拟高速列车随车移动点的脉动风速; 2种方法所得脉动风速幅值均随脉动风速频率的增大而减小, 相位在-π~π内波动, 脉动风速分布在-3~3m·s-1内的差异仅为0.48%;采用2种方法所得脉动风速点数满足高斯分布, 且高斯分布拟合系数最大差异为3.15%;采用线性滤波法模拟所得脉动风速波动比谐波叠加法大7.89%, 其稳定性劣于谐波叠加法; 采用线性滤波法的计算时间约为谐波叠加法的1/9, 其计算效率远高于谐波叠加法。