湍流积分尺度影响低矮房屋屋面风压特性风洞试验研究

采用缩尺比为1∶20的双坡屋面低矮房屋风洞试验刚性模型,以湍流积分尺度为变量,研究湍流积分尺度影响低矮房屋屋面局部区域平均、脉动、极值风压分布特征和变化规律。研究发现,湍流积分尺度的改变对平均风压系数影响不明显,对脉动、极值风压系数影响较大,且随湍流积分尺度的增大,屋面测点脉动、极值风压系数绝对值增大。当来流垂直于屋面长边时,在迎风屋面,距迎风屋檐越远,平均风压系数绝对值越小,山墙和角部区域脉动风压系数越小,而迎风屋面中心区域脉动风压系数越大。在背风屋面,远离屋脊测点的平均、脉动风压系数绝对值逐渐越小。双坡屋面低矮房屋在迎风屋檐及山墙区域风压相对较大,这些局部区域在强风作用下更易受到破坏。     

低矮房屋表面平均风压的数值模拟和实测及风洞试验比较研究

基于ANSYS软件,采用Realizable k-ε,RNG k-ε和SST k-ω三种湍流模型对体型比为1.5∶1∶1低矮房屋模型迎风面、边缘及屋面的表面风压分布及变化规律进行数值模拟研究,数值模拟结果与同体型比的实测房屋及风洞试验结果对比表明,数值模拟结果与实测及风洞试验结论基本吻合,验证了三种湍流模型研究低矮房屋表面风压的可靠性,并对三种结果进行分析,研究结果能为国内低矮房屋设计提供有价值的参考。     

考虑地貌影响平屋面低矮建筑屋面局部风压特性试验研究

基于缩尺比为1∶20的平屋面低矮房屋风洞试验模型,在A、B、C三类不同地貌条件下,以风向角为变量,研究地貌对低矮建筑屋面局部平均、脉动以及极值风压分布的影响。试验结果表明:屋面局部区域受风向角影响较大并呈现一定规律性。迎风屋面边沿区域以及角部区域受风向影响最为明显且风压大于其他区域;在斜风向45°风向角时,迎风屋面边沿区域角部测点平均、脉动、极值风压系数最大,为该类房屋最不利风向角;不同地貌对低矮房屋屋面平均风压系数影响较小,对脉动、极值风向系数影响较大。在0°、90°风向角时迎风屋面边沿平均风压系数受地貌影响较大,在斜风向下地貌的改变对屋面平均风压系数影响不大;随湍流度的增大屋面平均、脉动、极值风压系数绝对值也相应增大。     

低矮房屋屋面局部平均风压数值模拟与分析

为获得低矮房屋屋面局部平均风压的分布规律,将体型比为1.5∶1∶1的低矮房屋屋面划分成若干典型区域并进行数值模拟研究。数值模拟结果与风洞试验结果对比表明,采用两种研究手段分析的结果吻合较好,从而验证了数值模拟技术在分析低矮房屋表面风压的可靠性。基于数值模拟,分析了七类不同屋面坡角低矮房屋在典型风向角下屋面局部区域平均风压的分布规律。结果表明:屋面局部平均风压随风向角改变而变化明显,且表现出一定的规律性;0°风向角下,靠山墙B,E区域形成局部高吸力区;60°风向角下,迎风屋檐A区及屋角J区测点平均风压系数随坡角的增大有明显递减趋势,屋脊C,D区测点平均风压系数随坡角的增大呈现出先增大后递减的趋势;90°风向角下,迎风屋檐A区及屋角J区各测点平均风压在45°坡角时均为正压。研究结果可为我国沿海多发台风地区低矮房屋的抗台风设计提供依据。     

阻尼耗能抗风装置对低矮双坡屋面风压影响研究

采用阻尼耗能抗风装置以减小强风对低矮双坡房屋的破坏,对无耗能抗风装置、设置有女儿墙及耗能抗风装置和仅有女儿墙3种屋面的村镇低矮房屋进行了风洞试验,以研究阻尼耗能抗风装置对低矮双坡屋面风压的影响。试验结果表明:耗能抗风装置对减小屋面的最不利负压效果明显,迎风屋面为主要破坏区域,如屋脊附近处、屋面与山墙接触边缘处等,平均负风压系数绝对值减小幅度可达50%;耗能抗风装置对于背风屋面的风压影响也较明显,平均负风压系数绝对值减小幅度最多可达15%。采用有限元软件对风场中低矮双坡屋面的风压进行了数值模拟,得到的屋面风压分布规律与风洞试验结果一致。     

带檐口曲面双坡屋面风压数值模拟

基于Fluent软件平台,选用基于Reynolds平均法的RNGk-ε湍流模型,对低矮带檐口的曲面双坡屋面房屋周围风场和表面风压开展数值模拟,研究了屋面坡度、房屋高度、跨度、长度和房屋檐口类型等各种参数对曲面双坡屋面风压系数的影响.研究表明,曲面双坡屋面风压受房屋几何尺寸影响不明显,而受屋面坡度、房屋檐口类型影响明显,且与来风风向角密切相关.屋面风压随房屋高跨比的增大而增大;随屋面坡度增大,迎风面风压绝对值减小,而背风面则增大.竖向和水平檐口显著影响曲坡屋面的风压大小和分布.     

平面L形低矮房屋平均风压分布特性数值模拟

基于大气边界层基本理论和流体动力学基本原理,采用FLUENT软件对平面L形低矮房屋风压分布特性进行了数值模拟研究。将数值计算结果与风洞试验结果对比分析,结果吻合良好,表明数值模拟方法是合理可行的。通过数值模拟,详细分析了风向角、屋面坡度、房屋翼长、檐口高度和屋面形式等参数对平面L形低矮房屋外表面平均风压系数分布规律及体型系数的影响。结果表明:风向角与屋面坡度是影响屋面的风压系数分布与体型系数的最主要因素;最不利负压的位置随风向角的改变而不断变化,但往往出现在迎风屋面屋脊及屋檐区域;迎风屋面最不利负压随屋面坡度的增加逐渐减小,背风屋面风压系数分布相对均匀;四坡屋面阳屋脊较多,其背风区往往形成高负压区,这些区域更容易遭受风灾破坏。     

典型低矮双坡房屋抗风措施的数值模拟研究

基于Fluent15.0软件平台,采用RNG k-ε湍流模型对广东沿海地区中一类典型的低矮双坡房屋屋面平均风压分布进行了数值模拟,研究了广东沿海地区典型存在的屋脊与厝头两种措施对屋面平均风压的影响。首先,把数值模拟结果和风洞试验进行对比,用来说明本文所选用的RNG k-ε湍流模型及参数设置的合理与适用。进一步分析了不同屋脊高度下屋面平均风压的变化,同时考虑在屋面上同时布置屋脊和厝头屋面平均风压的变化规律。结果表明,不同屋脊高度对屋面平均风压的影响与风向角有关,而且当风垂直作用于屋脊时,其影响作最大的,当风向与屋脊平行时,影响较小。在屋面布置屋脊和厝头以后能够使屋面的前后屋面交界处以及屋面和山墙的交界处的流体分离发生变化,整个屋面负压绝对值减少;该研究成果可以为我国沿海受台风影响地区的低矮双坡房屋提供抗风措施的参考。     

平面T形低矮房屋风荷载特性风洞试验与数值分析

对复杂体型的平面T形低矮双坡屋面房屋的风荷载特性进行了风洞试验研究,得到了屋面风压系数以及各屋面体型系数的变化规律;采用计算流体力学软件FLUENT建立了数值风洞模型,在数值分析结果与风洞试验结果吻合良好的基础上,对影响屋面平均风压系数及体型系数的风攻角、屋面坡角、檐口高度、房屋几何尺寸和屋面形式等参数进行了详细分析。结果表明:屋面坡角和风攻角对屋面风压系数的影响显著;在不同风攻角作用下,迎风屋面屋檐及屋脊附近形成较高负压;当屋面处于背风区域时,风压系数分布较均匀;四坡屋面坡角为30°时屋脊背风区域易形成较大负压,局部更易遭受破坏。     

台风“浣熊”影响下近地风特性及低矮房屋屋面风压实测研究

基于上海浦东国际机场附近的同济大学实测基地获取的2014年台风"浣熊"影响下的近地风速时程和低矮双坡屋面风压同步实测数据,研究了台风影响下的近地风特性和低矮房屋屋面风压特性。10m高度处实测风速结果表明:纵向的湍流度随平均风速的增大呈减小的趋势,而横向和竖向的湍流度随平均风速的变化趋势不明显。坡角为10°的足尺低矮房屋在"浣熊"影响下,由于屋脊对斜风向来流的气动分离作用,在背风屋面右侧靠近屋脊的位置出现了明显的漩涡脱落,而斜风向下山墙和屋脊的共同作用也导致了第二个旋涡的产生;旋涡处的脉动风压系数峰值随着风向角度的增加呈逐渐增大的趋势,并且也随纵向湍流度的增大而增大。     

强台风“黑格比”作用下低矮房屋风压特性

根据强台风"黑格比"登陆过程近地风场的实测结果及实测房屋表面测点在强台风登陆全过程监测获取的风压数据,分析了低矮房屋迎风屋面屋沿局部测点的平均、脉动及极值风压系数的变化规律,总结了其对应风场状况下的屋面体型系数。同时,利用等压线图分析了6种风场下的屋面平均、脉动及极值风压系数的分布规律。结果表明:在接近强台风"黑格比"风眼区域,由于明显交替变化的上升及下沉气流,导致低矮房屋迎风屋面屋沿及角部等局部区域形成强大的吸力及高压区,迎风屋面最小、最大体型系数值分别达到了-6.56、3.42;屋沿各测点风压谱相互吻合较好,当频率达到4Hz后,谱能急剧下降;迎风墙面测点在3/4墙高处压力最大,背风墙面各测点风压值基本一致,湍流积分尺度对平均风压系数的影响不大,但脉动风压系数和峰值风压系数随湍流积分尺度的增大而增大。     

屋面细部构造对低矮房屋屋面风荷载特性的影响

基于fluent 6.3软件对房屋外形尺寸为6 m×4.5 m×4.34 m的低矮房屋进行了不同风向角下的数值模拟,通过与风洞试验对比发现模拟方法能够较好地模拟强风作用下低矮房屋屋面的风压分布。在此基础上,改变屋面的出山和挑檐形式,进行不同风向角下的数值模拟,研究细部构造对低矮房屋屋面风压的影响。研究结果表明:在斜向风的作用下,马头型出山和透风型出山均能够减小房屋屋面的风压,但透风型出山的效果更好。檐沟、弯起挑檐和平挑檐均会使得屋面的平均风压增大,对于屋面抗风不利,最有利的挑檐抗风形式还是普通挑檐形式。     

低矮房屋屋面风压特性的实测研究

为准确研究低矮房屋的风载特性,建造了尺寸为6m×4m×4m(长×宽×高)的全尺寸实测房屋,在屋面上设置了46个测点观测在沿海风场下的屋面风压.通过对原型低矮房屋的现场实测,分析了坡度为2%的低矮房屋屋面平均、脉动及峰值风压系数的分布规律,并总结了在不同风场、不同时段屋面体型系数的变化规律.通过与尺寸比为1.5:1:1(长:宽:高)低矮房屋风洞试验数据对比研究,结果表明实测与风洞试验的平均风压系数及体型系数结果基本吻合,验证了风洞试验方法的有效性及可靠性,同时也讨论了两者的差异,得到一些有价值的结论,为今后改进低矮房屋的设计提供依据.     

山体对低矮双坡房屋屋面风压影响的数值模拟研究

利用ANSYS中的Fluent模块,对东京工艺大学风洞试验采用的一低矮双坡房屋模型进行数值模拟,并对比分析数值模拟与风洞试验结果,证明了采用数值模拟研究此类问题的可靠性。在此基础上,利用数值模拟研究了4种山体排列对低矮双坡房屋屋面风压的影响,并给出了相应情况下的屋面体型系数,供设计参考。     

低层四坡屋面房屋风荷载的风洞试验与数值模拟

对低层四坡屋面房屋模型进行了风洞试验,给出了屋面平均和脉动风压系数等值线和各面体型系数的变化规律。采用计算流体力学软件FLUENT,对大气边界层中的试验模型进行了三维定常风场的数值模拟,并将数值模拟结果与试验结果进行了比较分析,变化规律吻合较好。在此基础上,深入研究了不同风向角下房屋屋面坡度、挑檐长度、檐口高度和长宽比对低层四坡屋面平均风压系数及各面体型系数的影响,并提出了各面体型系数的建议取值。研究结果表明:数值风洞能够较好地反映低层四坡屋面房屋的风荷载特性;各参数对屋面风压系数的影响程度各异,与风向角密切相关;屋面坡度对屋面风压分布和大小有明显的影响;四坡屋面屋脊背后容易形成较高的局部负压区域;当屋面坡度小于35°时,四坡屋面房屋迎风屋面的体型系数绝对值大于相应双坡屋面房屋。该结论和提出的体型系数建议取值为低层四坡屋面房屋的工程抗风设计提供了可靠依据。     

低矮房屋屋面风压的实测及分析

通过对全尺寸低矮房屋的现场实测,分析了不同风向角的屋面风压系数的分布规律,同时对迎风向屋面角部和边缘的加密测点实测数据进行研究,总结了不同风场下该区域局部风压峰值的分布及其脉动规律。结果表明,迎风向屋沿局部风压远比屋面平均风压高,且屋面最大局部风压在斜风向产生,验证了该区域风洞试验结果的有效性、可靠性,并得到了一些有价值的结论,为改进低矮房屋的设计提供了依据。     

低矮建筑双坡屋盖易损区极值风压特性试验研究

采用缩尺比为1∶20风洞试验刚性模型,以风向角及坡角为变量,针对双坡低矮建筑屋面易损区极值风压特性展开风洞试验研究。基于风压时程概率密度、偏度及峰度,对低矮建筑屋面风压高斯区与非高斯区划分进行了研究。采用Wang法、Quan法及峰值因子法对比分析了屋面风压极值估计误差,并研究了低矮建筑屋面迎风屋檐、屋脊及角部局部区域的分区阵风系数变化规律。结果表明:屋面坡角影响屋面风压高斯与非高斯分布明显。Wang法较适用于低矮建筑屋面风压极值估计。风向角对45°坡角屋面局部风压阵风系数影响较明显。9. 6°,30°坡角房屋局部区域阵风系数规范取值明显小于试验值。     

风致内外压下圆弧形落地大跨屋盖结构风荷载特性

对某墙面开洞的圆弧形落地大跨钢屋盖机场航站楼风荷载特性进行了风洞试验研究;基于计算流体力学软件FIUENT 6.3,采用RNG ?κ-ε?湍流模型对墙面开洞屋盖结构的内外表面平均风压系数分布、分区净体型系数、风速矢量以及风场流迹线等风荷载特性进行了系统研究,并将数值模拟结果与风洞试验结果进行比较分析。结果表明:数值模拟的净体型系数和平均风压系数分布规律与试验结果吻合良好;墙面洞口全开的情况下,由于迎风洞口与背风洞口处压力差的作用,屋盖内表面风压均表现为风吸力,风压分布亦受到洞口的影响;墙面洞口对屋盖上表面平均风压系数分布影响较小;屋盖迎风挑檐区域受到风荷载下顶上吸的叠加作用,最大净体型系数达-2.83。     

不同坡角低矮建筑屋面局域风压极值分布规律研究

针对4种不同坡角、缩尺比为1∶20的双坡低矮房屋风洞试验刚性模型,以风向角、坡角为变量,重点研究均匀湍流风场下坡角影响双坡低矮房屋屋面区域极值风压的分布规律。研究结果表明:0°～45°风向下坡角对双坡低矮房屋屋面易损区域风压特性影响显著,60°～90°风向下不同坡角房屋易损区域风压特性变化趋势相近,其中30°坡角房屋屋面所受风荷载较小。     

局部受损低矮房屋平均风压特性试验研究

通过风洞试验对村镇地区常见的带有硬山搁檩的双坡屋面风压规律进行研究,讨论了房屋在完全封闭、门窗洞口打开以及屋面开洞三种情况下的屋面外部、内部平均风压系数在不同方向角下的分布特性。试验结果表明:硬山搁檩双坡屋面在风向角为50°,60°时,外屋面角部易破坏;屋檐下部的风压系数随屋面坡度的改变而改变;门窗开洞时内屋面风压会加大屋面荷载;屋面开洞对降低屋面风荷载起到有利作用。