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。     

移动效应的下击暴流风场特性分析

稳态下击暴流风场研究已相对成熟,而实际下击暴流由于风暴移动,其风场是非稳态的。为了研究冲击风射流速度、移动速度对下击暴流风场特性的影响,采用冲击射流装置进行了移动下击暴流风场试验,并使用大涡模拟建立了移动喷口的冲击射流三维缩尺和足尺风场进行数值分析。结果表明:试验和模拟吻合较好,移动速度对峰值放大作用比较明显,射流速度对峰值大小影响不大;移动下击暴流风场具有风向转变和明显不对称的特点,移动速度对风暴前方近壁面水平风速具有显著的增大效应,但对风暴后方风速有一定程度的削减;下击暴流发展到稳定状态时的风剖面随高度增加先增大到最大值,然后迅速减小,最大风速出现在风剖面下端;曲线峰值所在位置和下降段所持续的时间与移动速度和射流速度大致满足一定的比例关系。     

冲击射流与壁面射流风剖面特征比较和影响因素参数化分析

该文分别采用冲击射流模型和壁面射流模型作为下击暴流的风场模型,采用基于雷诺平均法(RANS)的RNG k-ε湍流模型进行数值模拟获得下击暴流的稳态风场。在数值模拟基础上,通过改变模型参数,如冲击射流模型中初始出流直径D_jet、出流高度与出流直径比值(H/D_jet)和出流速度V_jet;壁面射流中初始出流宽度H_jet和出流速度V_jet,分别计算得到多种情况下的下击暴流风剖面,详细分析了这些初始参数对下击暴流风剖面特征的影响。冲击射流与壁面射流风剖面的对比表明二者风速水平分量在径向各位置均吻合良好,都给出了下击暴流水平分量风剖面的主要特征;但二者的风速竖向分量在径向各位置差异较大。总体来说,在结构风工程领域中仅关心风速水平分量时,壁面射流模型也可以作为下击暴流风剖面模拟的模型。通过壁面射流模型把冲击射流的出流区域分离出来,可以在大气边界层风洞中实现大比例尺的下击暴流出流风的模拟。     

移动下击暴流作用下输电塔的风振响应及荷载评估方法

下击暴流是一种典型的局部强对流天气。由下击暴流风荷载导致的输电杆塔的倒塌事件时有发生,是目前造成国内外内陆地区输电线路风灾破坏的主要原因。基于下击暴流理论模型,采用准定常假设,模拟了移动下击暴流作用下输电塔的风荷载。通过输电塔的空间有限元建模与计算,考察了移动下击暴流平均风、拟静力和瞬态动力三种工况作用下输电塔在频域及时域内风振响应的规律。分析了移动下击暴流时变平均风作用下的最不利风剖面。同时,采用非平稳随机振动的极值分析理论,基于风振惯性力方法,给出了最不利风剖面作用下输电塔脉动风振响应的等效静力风荷载分布,且与有限元动力分析结果进行了对比和验证。研究为下击暴流作用下输电塔设计风荷载的评估提供了有效的探索。     

下击暴流空间相关性风场模拟

考虑时间衰减性研究了下击暴流平均风速与空间观测点位置的关系,并给出了空间中四个点的平均风速随时间的分布情况。在确定性-随机性混合模型的基础上,利用Wood竖向风剖面模型和Holmes水平径向风剖面模型模拟出空间七点处的平均风速,并采用AR模型生成具有时间相关性和空间相关性的脉动风速,从而获得下击暴流空间相关性风场。通过脉动风相关函数及功率谱的对比表明,本文方法具有较高的精度。     

下击暴流作用下坡地风场特性研究

下击暴流多发生于山地丘陵地区,而目前对于下击暴流的研究多集中在平地地形的稳态风场。为研究坡地地形对下击暴流风场特性的影响,采用冲击射流物理试验与大涡模拟(LES)方法对平地以及三个不同坡度的坡地风场进行了试验测试与数值模拟。结果表明:大涡模拟捕捉到了风场的瞬态变化特征,环涡结构在首次越过山坡时,在坡顶檐口位置产生下击暴流风场整个生命周期中的最大风速;坡地地形除檐口位置具有显著加速效应外,其他位置未发现风速增大效应;与平地风场相比,檐口位置水平风速与竖向风速都有所增大,且近地面水平风速加速因子M_t达到约1.3。近地面湍流度增大较为明显的区域为起坡位置及坡后位置,坡中及檐口位置加速效应较小,檐口位置湍流度加速因子随坡度的增大而略有增加。     

下击暴流非平稳脉动风速数值模拟

针对大气边界层近地风不同、下击暴流平均风速具有明显时变性及脉动风速具有较强非平稳特征,通过Kaimal非均匀调制函数的建立方法,获得Davenport调制函数、Simiu调制函数、Harris调制函数,为有效实现非平稳脉动风速模拟提供首要条件;考虑自回归AR模型时变性,建立非平稳随机过程TAR时变模型,为实现非平稳脉动风速模拟提供有效方法;考虑下击暴流平均风速时变特征,对下击暴流非平稳脉动风速进行模拟。结果表明,模拟的下击暴流非平稳脉动风速相关性随不同位置间距增大而减弱,振幅随时变平均风速增大而增大,与实际风场特性吻合,表明非均匀调制函数有效;功率谱时变特征明显,与目标时变谱时变特征吻合,且样本统计平均功率谱、相关函数与目标均吻合,表明下击暴流非平稳脉动风速模拟方法有效。     

土木工程下击暴流风速数值模拟的研究

雷暴天气下击暴流之类的高强风对诸如输电塔这样的晶格状结构具有很大的破坏性。因此,建立可靠合理的下击暴流风速模型来分析这些结构在这种极端风荷载作用下的动力响应是很有必要的。通过运用一些时频分析工具可以发现:下击暴流风速表现出明显的非平稳性。而且,下击暴流非平稳风速时程可以分解为随时间变化的平均风速即时变平均风速与具有一定相关性的随机脉动成分。基于Holmes平均风速模型和Vicroy风速竖向分布模型,使用Deo-datis提出的均匀调制非平稳随机场的模拟方法,数值模拟了雷暴天气下击暴流行进路线上某一固定位置处的竖向分布风速场。在随机脉动成分的数值模拟过程中,引入了三次样条函数插值技术,以减少Cholesky分解的次数,进一步提高了数值模拟雷暴天气下击暴流风速的效率。     

下击暴流作用下超大型冷却塔风场驱动机理与风荷载极值模型EI北大核心CSCD

风荷载是超大型冷却塔结构设计的控制荷载,现行规范风压分布模型均针对良态风气候,缺乏下击暴流等特异风作用下的风场作用机理与风荷载分布模型。首先,采用冲击射流模型和大涡模拟(large eddy simulation,LES)技术模拟下击暴流三维非定常风场,分析了涡环运动、风速变化等风场特性;然后,以内蒙金山电厂228m世界最高冷却塔为例,揭示了处于风场不同径向位置处超大型冷却塔流场特性、风压系数瞬态分布,以及升/阻力系数分布特征;最后,与规范良态风作用下的考虑极值风效应的包络风压进行对比分析。研究表明:下击暴流发生过程中会产生一系列径向移动、反向旋转的气流涡环,各径向位置处风速随之呈现波动变化趋势;涡环撞击塔筒在迎风区外表面和背风区内表面形成高压区,在塔筒内部和背风面尾流区形成漩涡;塔筒内、外表面时程风压系数脉动趋势明显,底部区域受涡环影响震荡显著;冷却塔升力系数基本为0,层平均阻力系数自塔顶沿塔高方向逐渐增大,在塔底达到最大值;涡环对冷却塔的冲击作用极有可能引起瞬时极值风荷载超出规范良态风限值,进而易引起结构的破坏。     

基于物理模拟的不同射流倾角下击暴流风场特征

利用物理模拟器生成下击暴流风场，研究了射流倾角对风速、气压等下击暴流风场特性的影响。结果表明：下击暴流风场同时具有水平风和竖向风，当存在射流倾角时，下击暴流风场对称性消失，下击暴流背侧竖向风速峰值大于前侧，且背侧竖向风速随倾角的增加而增大，射流倾角达到20°时，背侧竖向风速峰值比无倾角时增加67%;前侧水平风速峰值大于背侧，且前侧水平风速随倾角的增加而增加，射流倾角达到20°时，前侧水平风速最大比无倾角时增加50%,背侧水平风速则快速减小。随射流倾角的增加，出流下方区域正压值增加，其余位置受倾角的影响不大。     

下击暴流作用下超大型冷却塔倒塌机制与失效准则研究

为研究下击暴流特异风作用下超大型冷却塔响应特征与倒塌机制,以中国西北地区某在建228 m世界最高冷却塔为对象,采用分层壳单元法建立结构多尺度有限元模型,基于LES方法获得超大型冷却塔在下击暴流作用下三种典型工况处的内外面脉动风压,再结合增量动力分析法分析超大型冷却塔风致倒塌全过程变化规律,提炼超大型冷却塔在下击暴流作用下的倒塌机制,最后构建下击暴流风驱下超大型冷却塔倒塌失效准则。研究表明：下击暴流下塔筒表面风压分布模式与良态风差异显著,超大型冷却塔倒塌机制随下击暴流中心距离增大由内凹机制转换为外掀机制,且当能量失效指标K≥2时,超大型冷却塔倒塌破坏。     

基于时变ARMA和EMD-PSO-LSSVM算法的非平稳下击暴流风速预测

根据非平稳过程的进化谱理论,导出基于TARMA模型的非平稳脉动风速模拟式。基于模拟解析式,得到一些空间点非平稳下击暴流风速的模拟时间序列;运用经验模式分解(EMD)和基于粒子群优化(PSO)的最小二乘支持向量机(LSSVM)(简称为PSO-LSSVM)算法,经MATLAB平台编制程序,根据上下空间点风速样本预测出中间高度处的非平稳下击暴流风速时程。通过功率谱、自相关和互相关函数预测值与模拟值的比较及平均误差(AE)、均方根误差(MSE)和相关系数(R)的评价,验证了基于时变ARMA模型和EMD-PSO-LSSVM算法的下击暴流风速模拟与预测的可行性。     

下击暴流作用下大跨平屋面的极值风压分析EI北大核心CSCD

在下击暴流风场中,大跨平屋面建筑顶部的来流分离区及尾流区域处风压具有极强的非高斯特性。基于稳态冲击射流作用下的大跨平屋面建筑刚性测压试验结果,使用高阶统计量法研究了典型径向距离处屋面风压高斯与非高斯分区特性,利用TPP法计算测点峰值因子,发现平屋面表面测点极值风压系数与建筑物离下击暴流喷口间距有密切关系,研究结果表明:在下击暴流作用下,大跨平屋面部分区域出现明显的风压非高斯特性,尤其是迎风和背风边缘区域;屋面中心区域和屋面侧边缘区域峰值因子较小,屋面峰值因子取值范围在3.99~9.29,测点峰值因子均明显大于《建筑结构荷载规范》中的取值;在不同径向距离处,极值风压系数均为负值,来流分离区域及尾流区域风压系数绝对值较大;极小值风压系数绝对值随径向距离的增加先增大再减小,在径向距离为1.25 D_(jet)时极小值风压系数绝对值出现最大值。     

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。     

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。     

湍流入口条件下建筑非定常风场的大涡模拟

考虑湍流入口条件对绕德州理工大学标准模型的三维非定常风场进行了数值模拟;比较了稳态入口边界条件下时均风速剖面形状对建筑表面压力分布的影响;分别采用旋涡法、谱合成法和预前模拟法生成湍流入口风速脉动;并将相应的大涡模拟结果与实测数据和风洞试验数据进行了对比分析。结果表明:时均风速剖面形状对时均流场的影响几乎可以忽略,但对瞬态流场的计算有很大影响,工程应用中建议根据当地实测数据修正风速剖面公式;采用由预前模拟法生成的湍流作为入口边界条件进行大涡模拟得到的建筑表面风压非定常特性与实际情况最为吻合;通过高精度插值算法,预生成的入口湍流时程数据能在位于相同地貌下不同建筑绕流的大涡模拟中反复使用,在一定程度上弥补了预前模拟耗时的缺陷。     

输电塔线体系抗风设计理论与发展

摘要：输电塔线体系是国家重要的电力工程设施。显然,它们的安全性直接关系到国家电网运行的可靠性, 而风荷载是影响它们安全性的主要因素之一。首先,本文简要介绍了我国超高压、特高压输电线路的发展前景。接着,从输电塔线体系的分析模型、动力特性、风致动力响应、风致振动控制等几个方面,对输电塔线体系抗风设计理论的发展进行了综述。最后,论文重点阐述了输电塔线体系抗下击暴流风荷载设计的重要性,提出了有待于研究的若干问题。指出了对下击暴流风荷载的研究将为我国建造模拟雷暴风环境的新一代风洞实验室和输电塔线体系的抗下击暴流提供理论基础和设计指导,同时为输电塔线体系的风致振动控制设计与实现提供重要的参考。     

考虑中尺度台风影响的大跨度航站楼屋盖风压特性研究

屋盖局部损坏是大跨度航站楼风致破坏的最典型形式,尤其是在强台风频繁发生的东南沿海地区。针对现存土木工程台风模型理论体系过度简化的问题,引入基于非静力平衡欧拉方程模型的天气预报模式(Weather Research and Forecasting, WRF)对"鲇鱼"台风进行高时空分辨率模拟。以厦门国际机场航站楼为例,首先采用三重嵌套的中尺度WRF技术分析了"鲇鱼"台风近地面三维风场特性,并基于非线性最小二乘法拟合得到边界层风速剖面。然后通过用户自定义函数确定小尺度CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟的入流风场,采用标准k-ε湍流模型分别模拟台风风场及良态A类风场环境中大跨度航站楼结构风场分布,基于悬空屋檐上下端压差分析确定了最不利来流风向角。最后基于大涡模拟技术深入探讨了最不利工况下屋盖极值风压特性,对比阐释了台风和A类风场下屋盖流场及风压形成机理。结果表明:采用WRF模式可以有效模拟近地面台风风场,拟合的台风剖面指数为0.091;考虑中尺度台风影响会增大屋盖平均和极值风压,极值风压最大增幅可达31%。研究结论可为此类大跨度航站楼屋盖台风荷载取值与抗台风设计提供科学依据。     

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...     

强风作用下超高层建筑风环境的数值模拟研究

为了得到在强风作用下超高层建筑的建筑物周围的风场特性,对超高层建筑在强风的环境下周围风场进行了数值模拟研究。主要采用有限容积法,使用计算流体力学软件,分析得到了不同类型建筑物周围的风场和风荷载的分布情况,对于超高层建筑的建筑结构设计以及节能设计提供了理论依据。