龙卷风冲击高层建筑气动力效应数值模拟

龙卷风是一种大型气旋流动,具有很强的破坏力,是抗风减灾工程中重点防范对象之一。现有龙卷风研究多集中于低矮建筑或输电线塔等结构,对作用于城市高层建筑结构的龙卷风流动特征及气动力响应还认识不清。该文采用大涡模拟开展了龙卷风数值风场模拟,与文献提供的龙卷风风洞实验结果进行了校核,获得了实验室尺度下龙卷风冲击高层建筑的风荷载特征和规律。进一步针对全尺寸条件下F2级龙卷风冲击不同尺度和形状的高层建筑流场开展模拟,分析其流场特点和气动载荷响应特征,揭示了龙卷风冲击不同尺度和形状的高层建筑流场差异和气动荷载产生机理。     

群体高层建筑风荷载干扰效应的数值研究

采用可实现的k-ε湍流模型,对处于B类地貌风场中由4栋复杂体型高层建筑组成的建筑群进行了静力风荷载和风场的数值模拟,计算得出了群楼周围的流场分布和建筑表面各测点的风压,与风洞试验结果比较表明:数值模拟方法具有较好的精度,可用于两个以上的复杂体型高层建筑群楼的静力干扰研究。着重讨论了复杂体型高层建筑物之间的静力干扰效应,结果表明:串列布置时,上游建筑对下游建筑的迎风面和侧风面都有影响;而并列布置时,静力干扰作用只发生在相邻建筑物的侧风面,对相邻建筑物的迎风面影响很小;静力干扰效应随高度有显著的变化,尤其对高低错落的建筑群,表现为明显的三维效应。     

曲壳裙房对球形高层建筑风荷载影响的数值研究

对一球形高层建筑在有和没有曲壳裙房情况下的表面风压分布进行了数值模拟和分析。结果表明,曲壳裙房对主体高层建筑的风荷载有着较显著的影响。裙房缩小了球形建筑迎风面和背风面的正风压区域,最大正风压略有减小;裙房较大程度地提高了球形建筑侧风面和顶面的负风压数值,整体结构的风荷载趋于增大,风压分布趋于不均匀。由于裙房的影响,在球面背风区下侧还观察到了明显的对称涡列。在对不同风向角下的风压分布规律进行分析的基础上,还给出了建筑物在最不利风向角下的最不利剖面上的风压系数分布曲线。     

大型冷却塔风荷载的数值模拟研究

针对单体和双塔情况下冷却塔的风荷载进行CFD数值模拟计算,获得冷却塔表面的压力系数。单个冷却塔CFD模拟的结果与规范数据比较接近,说明CFD方法的准确性,同时也发现一些偏差,并对偏差产生的原因进行分析。研究了因雷诺数不同而导致的单塔缩尺效应,发现实尺和缩尺模型的计算结果在最大正压和平台区有差别。分析双塔之间的干扰作用,针对不同风向角可分为尾流直接作用、尾流和临近干扰共同作用、临近干扰作用三个区域。     

强冲击荷载下岩石破坏三维数值模拟

采用基于有限差分的拉格朗日、欧拉相结合的方法,对强荷载冲击下岩石材料破坏进行了数值模拟。在欧拉步中引入模糊方法处理界面,考虑了岩石材料、金属材料、空气的多物质场,给出了模拟结果和几个关键点的压力曲线。对强冲击荷载下岩石破坏研究具有重要的意义。     

复杂体型高层建筑表面风压及周围风环境的数值模拟

采用离散化的数值模拟方法对一幢复杂体型高层建筑及其裙房的表面风压与周围风环境进行了模拟计算,并在边界层风洞中进行了模型试验测定.数值模拟基于Reynolds时均方程,分别采用了两种湍流封闭模型:标准κ-ε模型和重整化群κ-ε模型.通过将两种模型的风压计算结果与风洞试验结果进行比较,获得了该类建筑物表面风压的分布特性,并对建筑周围的风环境作了分析和评价,为结构设计和建筑覆面设计提供了依据.     

考虑高架桥和风屏障影响的高速列车龙卷风荷载特性研究

针对高速列车在龙卷风等局地强风作用下的运营安全,开展了高架桥上高速列车在模拟龙卷风作用下气动力识别刚体模型测压实验,研究了不同龙卷风中心作用下列车气动力的空间分布特征,评价了风屏障对列车气动力的影响.结果表明:相比混凝土栏杆,风屏障将减小龙卷风作用下列车的整体阻力、升力和倾覆力矩系数的最不利值,但会增加整体俯仰和横摆力...     

物理模拟龙卷风的风速和气压降分布特征

针对高速列车在龙卷风等局地强风作用下的运营安全,开展了高架桥上高速列车在模拟龙卷风作用下气动力识别刚体模型测压实验,研究了不同龙卷风中心作用下列车气动力的空间分布特征,评价了风屏障对列车气动力的影响。结果表明：相比混凝土栏杆,风屏障将减小龙卷风作用下列车的整体阻力、升力和倾覆力矩系数的最不利值,但会增加整体俯仰和横摆力矩系数最不利值。采用风屏障将改变“气流−车−桥”间的相互作用机制,从而改变列车整体风力系数最不利值发生的龙卷风中心位置。风屏障高度对列车整体风力系数各分量的影响规律不相同。     

正品字形布置三管钢烟囱风荷载的数值模拟

对不同间距正品字形布置的三管钢烟囱的风荷载进行了数值模拟。烟囱间的中心距L与单烟囱的直径D之比L/D的变化范围为2.4~4.8。数值模拟结果显示:在较小间距时,上游烟囱的阻力系数均值明显小于单烟囱的阻力系数均值,下游并列双烟囱的阻力系数均值稍大于单烟囱的阻力系数均值;在较小间距时,下游并列双烟囱受到大小相等、方向相反的横风向升力作用。     

风荷载测试与模拟技术的回顾及展望

对大跨度桥梁、大跨空间结构、高层建筑、高耸塔桅结构等建筑物和构筑物而言，风荷载是结构抗风设计、防灾减灾分析的控制荷载之一。风与上述结构间的相互作用十分复杂，可通过风洞试验、现场实测、数值模拟等方法获取详细可靠的风荷载数据。本文简要介绍了大气边界层风特性与风荷载作用特点，回顾了结构风工程中风洞试验与现场实测的基本情况，讨论了风荷载时程的各种数值模拟技术，展望了风荷载测试与模拟技术研究的趋向。     

一种通用高层建筑模型烟囱效应的数值模拟分析

超高层建筑的烟囱效应问题,是由室内外环境和建筑设计等多种因素引起的一种室内外非受控空气渗透现象。强烈的烟囱效应可能导致电梯营运故障、电梯井道气动噪声及空调能源浪费等问题,当前对于该问题的研究进度远滞后于建设速度。在对10余栋超高层建筑烟囱效应实测研究的基础上,提炼总结其共同建筑设计特征,基于结构风工程中标准高层建筑模型,设计了一种分析室内外空气渗透作用的高层建筑烟囱效应通用高层建筑模型,采用多区域网络模型数值模拟方法进行数值仿真,分析了围护结构气密性等级、首层门厅设计、建筑内部空间分割、外部环境等主要影响因素对电梯门压差分布的影响规律,得出如下结论：相较于短程电梯,通高电梯的电梯门受烟囱效应影响程度最大;除室外环境和电梯井道高度外,建筑幕墙气密性等级、建筑内部隔断设计等因素也影响电梯压差分布;提高幕墙围护结构的密封等级,能有效地削弱烟囱效应的作用强度,降低各层电梯门的压差;首层厅门的设计和状态对烟囱效应影响显著,其开闭状态对首层电梯门压差影响较大;在建筑首层或顶层电梯厅设置前室门后,电梯门压差明显降低;烟囱效应还受室外风场作用的影响,相较于热压作用,风速和风向对建筑烟囱效应压差的影响相对复杂,不同风向和风速的作用规律不同,需要结合实际工程的风气象条件进行具体研究。基于通用高层建筑模型烟囱效应的详细参数分析得出的一般规律,对实际超高层建筑的烟囱效应特性分析以及强烟囱效应的缓解措施具有一定的参考价值。     

低层坡屋面群体建筑表面风压的数值模拟

结合低层民房风荷载及抗风性能的研究,基于Reynolds时均N-S方程,采用由标准k-e湍流模型扩展的RNG k-e模型,对一幢低层双坡屋面单体房屋和由六幢该类房屋组成的群体建筑的周围风场及表面风压进行了数值模拟。数值模拟采用具有良好适应性的四面体单元进行计算区域的网格划分,顶点中心格式的有限容积法进行控制微分方程的离散,SIMPLE压力校正迭代算法实现对非线性离散化方程的求解。在单体计算结果和风洞试验结果有较好吻合的前提下,重点获得了群体效应下低层双坡屋面房屋表面风压的分布规律和特征。     

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.     

建筑表面风压的三维数值模拟

本文采用数值模拟方法预测由近地三维流动风引起的建筑物的表面风压。文中运用一种扩展的ｋ－ε紊流封闭模型，导得了稳态流动风的统一形式的控制微分方程。采用控制容积法对微分方程作了离散，ＳＩＭＰＬＥＣ压力校正迭代算法实现了非线性离散化方程的求解。实例计算与分析比较表明，本文的模拟方法改善了对建筑物侧风面和顶面风压值的预测     

矩形高层建筑非高斯风压时程峰值因子计算方法

对一矩形高层建筑进行刚性模型风洞测压试验。首先基于风压时程的3阶矩和4阶矩,对不同风向下,矩形高层建筑表面风压脉动的高斯区与非高斯区进行划分。结果表明,迎风面的非高斯区主要位于迎风边缘及角部。在侧风面,长边迎风时,非高斯区主要集中在迎风前缘附近;短边迎风时,非高斯区位于靠近背风边缘的旋涡再附区。其次,基于Hermite级数法和改进Hermite级数法,通过参数分析和脉动风压谱拟合,提出非高斯风压时程的峰值因子简化计算方法--三参数Hermite级数法。最后,分别通过风压时程中的瞬时极值和风压时程的频数分布直方图验证了Hermite级数法、改进Hermite级数法和三参数Hermite级数法的有效性与准确性。结果表明,与风压时程中瞬时极值所对应的峰值因子相比,Hermite级数法的计算结果则偏于保守,三参数Hermite级数法、改进Hermite级数法的计算结果与其偏差率均小于10%。此外,三参数Hermite级数法和改进Hermite级数法所给出的概率密度曲线基本重合,且与实际风压时程频数分布直方图的贴合程度较优,能够较为准确地反映实际风压时程的概率密度分布。     

超高层建筑等效静力风荷载的反演法

该文根据刚性模型测压风洞试验结果,给出了确定等效静力风荷载的反演法,其中,位移等效静力风荷载是在已知最终位移的基础上,运用虚拟广义坐标的概念,根据线性最小二乘法进行反推,而内力等效静力风荷载则在最终截面内力已知的基础上,根据悬臂梁静力平衡法进行反推。值得注意的是,计算等效静力风荷载所需的最终响应是根据完全二次型组合方法(CQC)求出的,不再分成背景分量和共振分量,而且还可以考虑多振型的耦合。以陆家嘴X3-2 地块办公楼为例进行刚性模型测压风洞试验,根据反演法计算出位移等效静力风荷载和内力等效静力风荷载,然后由静力法求出最终响应,通过与CQC法直接计算的结果对比来说明其有效性。