锥形涡及其诱导下的马鞍屋盖表面风荷载

通过刚性模型风洞测压试验,对锥形涡及其诱导下的菱形马鞍屋盖表面风荷载进行了系统研究:⒈分析了锥形涡诱导下的屋盖表面平均、脉动风压分布特点;通过脉动风压谱,着重分析了马鞍迎风前缘(易损区域)的平均、脉动风压分布机理。⒉通过风压信息确定了锥形涡的特征参数(涡核位置、作用范围),给出了定量结果;分析了锥形涡涡轴的左右摇摆运动,分别从定性和定量方面建立了锥形涡涡轴的运动与屋面吸力脉动之间的关系。⒊用测点风压时程的三、四阶矩对风压的非高斯特性进行描述,给出划分高斯、非高斯区的标准,并在此基础上对马鞍屋盖表面进行了分区;分析了锥形涡作用下屋盖表面风压非高斯特性的产生机理。     

海边坡角可调试验房风荷载现场实测研究

在东海边上海浦东国际机场附近建造了一栋坡角可调的低矮房屋及测风塔,以对海边附近的风场特性及低矮建筑屋盖表面风压特性进行研究。该变坡房最大特点是屋盖坡角可以在0～30°之间自由调节,以便分析坡角变化对屋盖表面风压的影响。本文首先分别对0°、10°及20°屋盖坡角下选取的10分钟风压时程信号进行了分析,并与1:30刚性测压风洞试验相应结果进行了对比,表明屋盖表面平均及脉动风压分布与风洞试验结果吻合较好。其次,对风速、风向角的平稳性及其之间的相关性进行了分析,说明风速与风向角之间耦合作用明显,尤其竖向风向角对风速脉动影响较大,时间滞后为0时两者之间相关系数接近-0.5。最后,对屋盖表面风压信号的非高斯特性进行了研究,发现偏度与峰度之间具有较好的线性关系,并给出了0°、10°及20°屋盖坡角下偏度与峰度的线性拟合公式。     

马鞍屋盖表面锥形涡流动模型研究

该文基于大跨平屋盖和马鞍屋盖表面锥形涡流动显示试验,对现有的兰金涡模型进行改进,在其涡核区与势流区之间添加过渡区,从而建立了简化的二维锥形涡流动模型,给出了旋涡上部流速、旋涡内部流线曲率以及屋面涡核吸力之间的定量关系。据此流动模型,分析了旋涡强度的影响因素即为旋涡内部流线曲率和旋涡流速:旋涡内部流线曲率越大,旋涡转速越快,旋涡强度越大。基于流动显示试验和测压试验所得平屋盖以及马鞍屋盖表面各旋涡参数之比,以平屋盖表面锥形涡为基准,量化了各风向下马鞍屋盖表面的锥形涡强度。通过加入考虑旋涡效应对传统准定常理论进行修正,给出了锥形涡涡核吸力(均值、峰值)的计算公式,并将计算值与马鞍屋盖刚性模型风洞测压试验数据进行对比,验证了锥形涡流动模型对于预测马鞍表面锥形涡涡核吸力的有效性。     

大跨屋盖表面旋涡的PIV试验研究

该文通过风洞流场显示试验,观察了大跨平屋盖和马鞍屋盖表面的分离泡和锥形涡现象,给出了不同风向、不同屋盖表面的旋涡流线和涡量场分布;分析了风向角、屋盖曲率对于旋涡形态的影响。试验结果表明,当风向垂直于平屋盖迎风前缘时,屋盖表面将形成典型的分离泡现象,且分离泡的涡核位置恰好对应了涡量场的负向峰值。在斜向风作用下,平屋盖和以高点作为迎风点的马鞍屋盖表面将出现锥形涡。观察旋涡的平均流线和涡量场分布图,发现当来流沿两种屋盖对角线时,锥形涡截面形状接近圆形;当来流偏离屋盖对角线时,在靠近来流的一侧,锥形涡截面形状接近椭圆形;流场内负向涡量分布于壁面上,峰值集中在迎风前缘附近和旋涡周围。在相同的风向角下,曲率较大的马鞍表面锥形涡涡轴与屋盖迎风前缘所成角度较大,曲率较小的马鞍表面锥形涡涡轴与迎风前缘所成角度较小。此外,旋涡的瞬时流线图表明,锥形涡是一种瞬时变化的流体现象,其形态和位置在每个瞬时都不相同。     

大跨平屋盖风荷载特性及风压预测研究

在大气边界层风洞中开展了大跨平屋盖结构刚性模型试验,获得了屋盖表面测点的风压时程,分析了典型风向下屋盖表面平均风压与脉动风压特性。结合本征正交分解技术(POD)与BP神经网络法,提出了一种可用于大跨结构进行空间插值的机器学习法—POD-BPNN法,实现了对风压的高效预测。预测的平均风压系数、脉动风压系数、脉动风压的时域与频域特性均与风洞试验值相吻合。表明运用POD-BPNN方法预测大跨结构表面风压是可行的。     

下击暴流作用下菱形马鞍面屋盖风压特性

设计制作了菱形马鞍面大跨屋盖结构缩尺模型,通过风洞试验探究了下击暴流作用下菱形马鞍面屋盖表面风压特性.探究了冲击射流装置到模型的径向距离和风向角对屋盖上不同区域平均风压的影响,试验结果表明:最大分区平均风压系数出现在径向距离为1.25Djet(Djet为喷口直径)、风向角为0°的工况;来流方向上屋盖檐口的3个区域平均风...     

屋盖开孔的近地空间建筑的平均风压特征

对开孔位置和开孔率不同的7个屋盖开孔近地空间建筑进行了缩尺刚性模型测压试验,分析了屋盖升力系数,屋盖中线测点和立墙测点的点体型系数,以及屋盖的块局部体型系数分布规律,并与当前规范取值进行比较,结果表明:屋盖中心开孔减小了屋盖向上的净平均风吸力,屋盖轴线测点最大正体型系数可达+0.32,中心开孔屋盖设计时应充分考虑正风压作用;屋盖角部开孔时的正风压较中心开孔工况大,对结构受力不利;中国规范对于屋盖中心开孔工况的角部块Ra的局部体型系数取值偏于不安全;屋盖角部开孔后局部块受风的压力作用显著,会导致屋盖的进一步破坏;屋盖中心开孔增大了迎风面立墙正风压86%以上,减小了侧墙和背风面立墙的吸力,使得在全封闭状态下承受风吸力的背风面墙转而承受风压作用。     

大跨屋盖脉动风压的非高斯特性研究

在大跨屋盖表面局部区域,特别是迎风边缘区域和屋盖拐角区,风荷载会表现出明显的非高斯特性,如果仍采用高斯模型来描述,往往会产生较大误差。基于五种典型大跨度屋盖结构的风洞试验,对屋盖表面局部风压的高斯和非高斯特性进行了研究。首先通过对第三阶、第四阶矩统计量归纳分析,给出划分高斯区和非高斯区的标准并对大跨度屋盖进行分区;同时,运用基于k-s检验的曲线拟合方法也得到风压非高斯分区,利用分区结果,得到保证率为99.38%的峰值因子取值。将两种方法相对比,发现得出的分区结果相似:非高斯区域往往集中在来流前缘、后部尾流区及高点角区附近。此外,分析结果表明,对于大跨屋盖结构,应适当提高我国荷载规范中的峰值因子并按结构分区取值。     

马鞍屋盖表面分离泡流动形态研究

利用粒子图像测速技术,通过风洞流场显示试验,给出了均匀流和格栅紊流两种工况下马鞍屋盖迎风高点和迎风低点处旋涡的截面形态特征以及时均、瞬时流线和涡量场分布,比较了两种工况下旋涡形态特征的异同,总结了来流在屋面上的速度分布规律。试验结果表明:当风向垂直于迎风前缘时,屋面迎风高点至迎风中点区域将出现典型的分离泡现象;而在迎风中点至低点区域,由于马鞍屋面为正向坡度,无法形成分离泡。均匀流场下分离泡再附长度近乎横跨整个屋盖;而湍流场中分离泡涡核离迎风前缘较近,且旋涡横截面积显著小于均匀流工况。结合风洞测压试验,分析了不同迎风高度处马鞍屋盖表面的脉动风压谱特性,明确了谱能量与旋涡运动或湍流尺度之间的演变关系。利用多个可视化平面的综合布置最终揭示出分离泡的三维形态特征,据此将马鞍屋盖划分为4个区域并提出合理的分区体型系数,为大跨马鞍屋盖抗风设计提供参考。     

三维空间曲面结构风荷载的数值模拟

本文运用计算流体动力学技术,基于FLUENT 流体动力学数值模拟平台,采用雷诺平均法和大涡模拟技术,对球壳、柱面、悬链面、菱形马鞍面及椭圆双曲抛物面五类结构进行了定常、非定常流场的模拟计算。使用自回归模型的线性滤波法生成了脉动风速的时间序列,该脉动风速的时间序列很好地满足了预先设定的脉动风速谱和空间相关性要求,进而将其代入到实际计算的边界条件当中。将五类空间曲面结构表面风压的模拟计算结果与风洞试验结果定量比较：稳态计算得到的平均风压数据与风洞试验结果吻合理想,非稳态计算得到的脉动风压数据与试验结果差别稍大,其中正高斯曲面模拟精度高于负高斯曲面。     

Wind pressure features of large-span flat roof in different wind fields induced by conical vortex

The wind pressure features on a large-span flat roof in uniform flow field and turbulent field induced by conical vortex were studied, through wind tunnel tests. From the comparison of the mean and fluctuating wind pressure distributions on a flat roof in different wind fields induced by conical vortex, results indicate that the mean suction dominates in the smooth flow, whereas the fluctuating suction is more obvious in the turbulent flow. The probability density function for the pressure fluctuations under different approaching flows is analyzed. The two-peaked distribution, peculiar to turbulent flow field, is observed on the curve of probability density. The fluctuating pressures at reattachment points are larger under the turbulent flow. This indicates a more intense reattachment, which may cause overturning moment for roof-mounted items. Point vortex, RanKine vortex, and simplified Cook expression are applied to fit the pressure profiles beneath conical vortices, respectively. The results have shown that the RanKine vortex model and simplified Cook expression were applicable to forecast the wind pressure profiles beneath conical vortices, while point vortex underestimated the real wind suction. The wind pressure distributions in turbulent fields induced by different wind angles were contrasted, when the approaching flow is along the diagonal of the roof, the intensity of the vortex pairs is almost equal, with obvious reattachment. When the approaching flow deviate from the diagonal of the roof, the lateral turbulent component spins the vortex more quickly; this induces larger mean suctions beneath windward vortices. Smaller suctions are observed beneath the leeward vortex, due to less vorticity being converted to vortex motion from the freestream.     

移动下击暴流作用下高层建筑风荷载特性研究

为研究移动下击暴流作用下高层建筑的风荷载特性,采用可移动的冲击射流装置对高层建筑模型进行了测压试验,并通过计算流体力学方法进行数值模拟,分析了风暴移动过程中,风场中不同位置的高层建筑模型表面风压分布特性及风荷载作用机理。结果表明:风暴的移动会使风暴前缘风速加强,而使后缘风速减弱,从而使建筑表面的整体风压出现相应变化。当建筑位于风暴移动中心线上时,气流分离形成的漩涡主要出现在顶面迎风侧前沿及侧面迎风侧上角部区域,这些区域负压相对较大;建筑顶面在风暴经过时会产生较大正压。当建筑位于风暴移动中心线外时,高层建筑的来流风风向会随风暴的移动而不断发生变化;当建筑位于风暴前缘时,与来流风夹角较小的侧面会由于气流在钝体边缘的分离作用而出现较大的负压区域;当建筑位于风暴后缘时,建筑顶面角部区域会由于锥形涡的产生而出现较大负压。     

台湾后龙溪桥风洞试验研究与静风响应分析

摘 要：通过风洞试验研究了台湾后龙溪桥气动稳定性;获得了混凝土梁和钢梁两种断面发生涡振的条件、涡振锁定风速范围及涡振振幅;对自然界和风洞中的风轴和体轴异同进行了区分;实测了两种断面的静气动力系数;最后进行了非线性静风荷载响应分析。研究结果表明：实桥风速达到135m/s,不会发生气动失稳;钢梁和混凝土梁断面+3°攻角时在均匀流场中会发生竖向和扭转涡振,扭转涡振风速锁定风速很高,而且范围很宽;在紊流度约为10％风场中,攻角在-3°～+3°范围内,未观测到明显涡振;由静风荷载引起的主梁附加攻角很小,风荷载非线性对主梁扭转位移和侧向位移影响很小,而对竖向位移影响相对较大,原因是竖向风荷载引起主缆刚度改变。     

闭口单箱颤振的流场机理

应用粒子图像测试技术(PIV)测试了闭口单箱颤振过程中尾部风嘴附近的旋涡变化过程,采用相位平均的方法研究模型周期性振动与旋涡规律性演化之间的关系。当风速低于颤振临界风速时,模型尾部风嘴附近下侧的旋涡控制结构运动状态,结构振动幅度较小;当风速接近颤振临界风速时,尾部风嘴上侧的旋涡尺度明显增大并达到与下侧旋涡相匹配的程度时,结构振幅明显增加,尾部风嘴处上下侧旋涡的交替作用主导了结构的振动。结合计算流体动力学(CFD)的数值计算方法获得颤振时刻模型表面的压力场。通过对模型表面进行合理分区,并利用分块分析的思想研究了颤振过程中气流能量输入特点。分析结果表明振动中的模型通过迎风端风嘴从气流中吸收了大量的能量。在颤振临界风速下,一个完整的振动周期内气流输入到振动系统的能量不断增加,造成单箱的颤振多为结构稳定性的突然性丧失。     

倒角化处理对于矩形高层建筑风荷载特性的影响机理研究

通过风洞测压试验,对比不同风向下、不同倒角半径的矩形高层建筑表面风压分布、整体风力及斯托罗哈数St;采用PIV试验,给出建筑的近尾流流动特性,并从流场作用角度,揭示倒角化处理对于矩形高层建筑风荷载特性的影响机理。研究表明:临界风向下,在建筑一侧分离的剪切层发生流动再附,形成分离泡;此时,建筑的阻力达谷值,升力和St达最大值。相比而言,倒角化矩形高层建筑的临界风向小于无气动措施的工况。St主要受到横风向投影宽度和尾流涡对间距的影响,在一定的风向范围内,当倒角半径达一定数值,St将有所增大。在建筑的整体阻力方面,倒角化处理将使得建筑尾流涡对尺寸减小;涡对横向流速增大,涡量掺混运动加剧,旋涡强度减弱。在此作用下,建筑整体阻力降低。在建筑的整体升力方面,采用倒角化处理后,旋涡脱落的不规则性和随机性增大,脱落强度减弱,这促使建筑整体升力减小;但倒角化处理对于升力的减小效应并非见于所有风向。     

π型开口截面斜拉桥弯扭耦合涡激共振及气动减振措施研究

针对某大跨径π型叠合梁斜拉桥的气动性能,利用刚性节段模型针对其成桥状态展开了系统的风洞试验研究.试验结果表明,该桥主梁在设计风速范围内存在明显的竖弯及扭转耦合涡激共振现象,即使将竖弯以及扭转阻尼比提高到1％左右,仍然存在明显的涡激共振现象并且振幅超过规范限值.频谱分析表明,该桥主梁断面的竖弯和扭转耦合涡激共振的频率是一...     

绕回转体初生空化流场特性的实验及数值研究

该文采用实验与数值模型相结合的方法对绕回转体的初生空化流场进行了分析,研究了头型对初生空化流场特性的影响,数值模型中,为了精确捕捉由于分离流动而产生的漩涡结构,湍流模型采用了一种基于空间尺度修正的滤波器模型(FBM),实验中,采用高速录像技术观察了初生空化形态,并应用粒子测速系统(PIV)测量了相应工况下,初生空化流场的速度及涡量分布,研究结果表明:头型对绕回转体的初生空化流场具有显著的影响,不同回转体的初生空化数随着肩部曲率突变增大而逐渐增大,在初生空化工况下,平头和锥头回转体肩部的高剪切流动区出现了不规则的漩涡分离结构,初生空化首先在该分离区域内产生,而不是发生在回转体的物面上或在物体邻近处,此时,初生空化流场体现出明显的漩涡脉动特性,流场中的低速高脉动区域对应于空化核心区,涡量主要亦集中在该漩涡分离区域内,对于圆头回转体,其初生空化流场比较稳定,“指状”的片状空泡附着在回转体表面上。     

大型风力机气动噪声仿真与分析

以2 MW风力机为研究对象,用Pro/E进行三维建模,用Fluent对其流场和声场进行仿真分析。采用大涡模拟(LES)模型求解风力机流场非定常流动,获得流场漩涡强度和流线,采用FW-H声学模型计算气动噪声。结果表明,由叶根至叶尖漩涡强度和声压脉动逐渐加强,在叶尖区域达到最大值,叶尖区域是风力机噪声主要来源,叶片背风面漩涡强度和声压脉动比迎风面高,导致距风力机相同距离的背风面合成声压级高于迎风面,塔影效应是风力机气动噪声重要组成部分,气动噪声主要是中低频噪声。