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。     

马鞍屋盖表面面积平均风压特性研究

为完善我国建筑荷载规范中有关围护结构和覆面材料的设计,本文提出了面积平均风压的概念。通过刚性模型风洞测压试验,研究了马鞍屋盖表面的面积平均风压特性。⒈ 以锥形涡为引,确定各矢跨比马鞍屋盖表面出现锥形涡的来流工况,以涡核吸力和涡核互相关性为依据,确定了马鞍屋盖的最不利风向为沿高点连线方向。⒉ 在一定附属区域内对单点风压进行集合,得到面积平均风压（时程）;在马鞍屋盖表面实行各种分区,探讨了最不利风向下各面积平均风压时程的峰值吸力随附属面积的变化趋势,得到了相应的拟合公式;通过各区域内单点风压时程的累积概率分布,验证了该拟合公式的准确性与有效性;根据偏度和峰度值大小,分析了面积平均风压时程的非高斯特性,并与单点时程的风压特性进行了比较,结果表明面积平均风压时程曲线中风压脉动分布均匀,高频脉动减少,因而其非高斯特性并不如单点突出,且普遍偏向高斯分布     

鞍形屋盖平均风压分布特性的数值模拟研究

基于Reynolds时均N?S方程和RSM模型对鞍形屋盖的平均风压分布进行了数值模拟,采用有限体积法对控制微分方程进行离散,并采用SIMPLE压力校正算法来实现非线性方程的迭代求解。数值模拟结果与风洞试验结果进行了对比分析,两者吻合较好,在此基础上系统研究了风向角、跨高比、矢跨比、地面粗糙度、风速等因素对屋面风压分布的影响,探讨了结构周围流场的绕流特性。最后根据屋面的结构形式及风压分布特点将鞍形屋面分成12个区,给出了不同风向角下的分区风载体型系数以供工程设计的参考。     

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。     

某机场航站楼屋面风荷载特性研究

基于风洞试验的结果分析了某机场航站楼屋面风压系数的特性,该机场航站楼屋盖表面以负压为主,大部分区域负压绝对值较小且分布均匀,迎风边缘部分负压绝对值及负压梯度均较大。接着结合计算流体动力学方法模拟了主要风向角下风速矢量的分布特性,进一步阐释了屋面风压分布形成的机理。     

典型体育馆屋盖表面平均风压特性及干扰效应风洞试验研究

为了满足沈阳市铁西新区体育馆的抗风安全需要，进行了表面风压分布特性风洞实验研究。详细介绍了试验所采用的主要技术参数和基本的数据处理方法；对比研究了在有、无临近建筑物干扰情况下的体育馆屋盖表面风压分布的等值线图和结构典型测点在不同风向角下的风压变化规律。结果表明，当施扰建筑位于上游时能减小风对体育馆屋盖的升力作用，在平行位置将增加对屋盖的升力作用，在下游时可减少对屋盖的升力作用。     

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。     

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。     

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。     

体育场主看台悬挑屋盖表面风压的数值模拟

采用数值模拟方法对体育场主看台悬挑屋盖结构的表面风压分布进行了预测和分析。为验证数值模拟的准确性,首先对一具有风压风洞试验结果的主看台平屋盖结构进行了计算,计算结果与风洞试验结果作了比较。然后对浙江温州地区一主看台悬挑屋盖结构进行了数值模拟,考虑了屋盖倾角为0°和16°两种情况;通过对两个最不利风向角0°和180°的模拟结果的分析和比较,提出了这类屋盖表面风压的简化分布规律和计算方法,并与国外相关规范建议的公式作了比较。该简化计算方法可直接供同类结构抗风设计参考和应用。     

下击暴流作用下高速列车运行安全性能评估

建立了一套利用物理模拟器的下击暴流作用下高速列车运行安全性评估方法。结果表明:受下击暴流风速场与气压场的共同影响,列车距下击暴流中心不同相对位置,所受气动力作用机制明显不同;下击暴流作用下,侧力对轮轨横向力贡献最大,侧滚力矩对轮轨垂向力贡献最大;轮对横向力、脱轨系数、轮重减载率等列车安全运行评价指标随径向距离的增大先增大后减小,相对径向距离r/D_jet=0.83时(D_jet为喷口直径),为列车安全运行的最不利径向位置;列车安全运行指标随风速、车速的增大而增大,列车安全运行的下击暴流临界风速值随车速的增大而急剧减小。     

雷暴冲击风作用下高层建筑风压频域特性

为研究雷暴冲击风作用下高层建筑风压的频域特性,采用冲击射流装置模拟雷暴冲击风,对矩形高层建筑模型进行测压试验。根据试验数据,对模型表面的脉动风压系数功率谱、水平和竖向相关系数、水平及竖向相干函数进行了详细分析,讨论了模型所在径向位置对脉动风压频域特性的影响。结果表明:各径向位置处模型迎风面的脉动风压功率谱与来流脉动风速谱基本一致;侧面与背风面脉动风压的能量主要集中在旋涡脱落频率处;风压相关性随测点间距离的增大而减小;迎风面风压的水平和竖向相干性均较强,脉动风压同步性较好;侧面测点风压水平相干性在折减频率小于0.2时较为显著,竖向相干性在整个频率范围内相对较好;背风面测点风压的水平和竖向相干性在折减频率小于0.1时较好,随着折减频率增大,相干性迅速减弱;迎、背风面中心测点风压在折减频率0.06附近存在较强的水平相干性,相位角相差180°左右,脉动风压呈现相反的相位特征。     

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。     

基于径向基函数的冷却塔风场重构

采用径向基函数法根据风洞试验结果对冷却塔的塔筒外表面进行风场重构,比较了重构前后喉部高度处迎风点和背风点的时程风压系数的相对误差,得出当体型常数C=0.5 C_max时（C_max为C值的最大取值）,在整个采样时间内绝大多数时程风压系数的相对误差在5%以内;将若干子午线上和环线上的重构结果与刚性模型测压风洞试验结果进行对比,证明了重构前后风压系数分布一致;分析了径向基函数中3种不同的C值对重构风场的影响,得出在这3种C值重构的结果中,取C=0.5 C_max时重构的效果最好;最后比较了两种不同点集密度重构风场的风场特性,得出加密前后风场特性不变的结果,为优化后续的结构瞬态动力响应分析提供了依据。该文研究表明,基于径向基函数法进行冷却塔风场重构是一种简单、有效的方法。     

移动型下击暴流及其作用下高层建筑风荷载的数值模拟

下击暴流造成了大量的输电线塔、风机等结构的破坏,对其风场及其引起的结构风荷载研究非常迫切。该文基于RANS,利用SST k-ω湍流模型模拟了下击暴流风速特性及其作用下高层建筑的风荷载。对静止型下击暴流及其作用下高层建筑的风荷载进行了三维定常数值模拟,并将模拟结果与风洞试验结果相对比,结果表明:所建立的CFD计算模型能较好地模拟下击暴流及其作用下高层建筑的风荷载。借助于滑移网格技术对移动型下击暴流进行数值模拟,探究了相应的下击暴流风场及其对位于射流口中心移动路径上的高层建筑的风荷载。将该文模拟得到的移动型下击暴流径向风剖面与实测结果以及其他学者模拟结果相比较,吻合度较高,验证了凭借滑移网格技术能逼真地模拟出下击暴流的风场特性及其作用下高层建筑的风荷载。将静止型和移动型下击暴流的风场特性及其对建筑物的风压作用进行详细对比,研究结果表明:射流口的移动增强了运动方向的径向风速,减小了负方向的风速,并增大了建筑物表面的风压系数,这在结构设计中应予以考虑。     

单体1:1:6方形截面建筑绕流的大涡模拟

基于Fluent 6软件平台,采用大涡模拟(LES)方法对一宽高比为1:1:6的高层建筑缩尺模型表面的平均和脉动风压进行了数值模拟,并与相应风洞试验结果进行了比较和分析,然后,研究了不同来流湍流度对结构表面风压分布的影响.结果表明:(1)对于类似研究的00风向角下的方形截面建筑来说,结构迎风面风压直接受来流湍流的影响;侧面由于存在流动分离,其风压主要受分离产生的特征湍流的影响,受来流湍流度的影响较小;而背风面处于复杂的尾流区,其表面风压受到的影响因素比较复杂.(2)在风压系数的统计特性和自谱上,LES结果与风洞试验结果均能够基本保持一致,LES方法能够较准确预测结构表面的平均和脉动风压分布.     

群塔布置对冷却塔整体风荷载和风致响应的不同干扰效应

为探究冷却塔群塔布置对整体风荷载和风致响应的不同干扰机理,通过刚体模型单塔和群塔风洞试验和结构动力响应计算,以风压环向分布模式对阻力系数C_D和子午向拉力F_T的不同影响为基础,对两者的干扰机理分别进行了分析。群塔布置下,目标塔表面风压的干扰效应主要表现为:前塔的遮挡效应（Ⅰ）,主要使迎风区风压均值下降;侧边塔和侧后塔的吸力效应（Ⅱ）,主要使背风区吸力均值增加;前塔和侧前塔的尾流涡激效应（Ⅲ）,主要使迎风区和侧风区的脉动风压增加。这三种效应对C_D和F_T的影响并不相同:C_D主要受迎风区和背风区风压影响,所以效应Ⅰ和效应Ⅱ分别使C_D均值减小和增加,效应Ⅲ则使C_D根方差明显增加;F_T主要受迎风区和侧风区风压影响,所以效应Ⅰ和效应Ⅲ分别使F_T减小和增加,背风区风压的变化对F_T几乎没有影响。与单塔相比,各种群塔组合下F_T增加的主要原因是脉动风压的急剧增加。在工程常用塔间距范围内,干扰效应对风向的敏感性明显大于对塔间距的敏感性,群塔双排布置时的不利风向范围明显大于单排布置。渡桥电厂的群塔双排布置形式和事故当天风向恰使后排塔的风致响应有所增加。     

井冈山机场航站楼屋盖表面风压的数值模拟及试验研究

采用数值模拟方法对井冈山机场航站楼屋盖结构在近地风作用下的表面风压进行了计算,并在边界层风洞中对该屋盖的表面风压进行了模型试验测定。数值模拟基于稳态的Reynolds时均Navier-Stokes方程,运用了标准k?ε湍流封闭模型。将计算得到的风压系数值与风洞试验值作了比较,结果表明数值模拟较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。