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     

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。     

扰流板对分离泡诱导下平屋盖表面风荷载的影响研究

通过风洞测压试验,研究对比了设置扰流板前后,分离泡诱导下平屋盖表面风压特性的变化;基于此,分析了扰流板作用机理,并给出了扰流板的推荐倾角.研究了平屋盖表面风压分布及统计值的变化,结果表明:设置扰流板后,除迎风前缘附近,屋面平均和脉动风压均减小;分离区内风压偏度和峰度值显著降低,非高斯脉动特性减弱.探讨了扰流板对于顺风向...     

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。     

复杂曲面屋盖脉动风压的非高斯特性及峰值因子研究

以某大跨复杂曲面屋盖为研究对象,通过刚体模型风洞测压试验,研究表面脉动风压的概率分布规律和非高斯特性,分析形成非高斯分布的流动机理,并分别基于脉动风压空间相关性、峰度和偏度的累积概率,提出了高斯分布和非高斯分布的划分标准;在此基础上,采用Hermite矩模型构建非高斯分布与峰值因子间的联系。结果表明:屋盖迎风侧边缘和曲面拐角的表面脉动风压概率分布相较于标准高斯出现严重的偏离和凸起,呈现显著的非高斯分布特性,其原因在于上述区域的流动分离明显,其风压分布受分离涡影响而呈现较强的空间相关性,不满足独立同分布条件;以脉动风压空间相关性作为划分高斯与非高斯区域的标准更加合理,且物理意义较为明确。此外,还给出了此类复杂曲面屋盖非高斯区域风荷载峰值因子的取值范围。     

基于大涡模拟的大气边界层湍流强度对低矮房屋风荷载特性影响研究

对德州理工大学(Texas tech university,TTU)低矮房屋标准模型,以已有现场实测以及缩尺模型风洞实验数据为验证对比,基于大涡模拟(Large-eddy simulation,LES)方法研究了大气边界层湍流强度对低矮房屋风荷载特征的影响机理。采用CDRFG (Consistent discretizing random flow generation) 人工合成湍流方法生成大气边界层湍流,研究了来流湍流度对低矮建筑表面的平均、脉动以及极小值风压分布以及风压非高斯特性的影响,并利用LES能提供非常场流动全流域信息的优势,结合瞬态湍流场结构对大气边界层湍流对低矮房屋风荷载特征的影响机理进行了阐释。结果表明:LES数值模拟得到的平均、脉动及极小值风压系数与实验以及实测结果一致,平均风压结果包络在实测误差范围以内,极小值风压系数最大误差小于10%,脉动风压系数最大误差小于20%且误差区域较小。在来流湍流度增大的过程中,低矮房屋屋面平均风压系数变化较小,脉动风压系数呈显著的线性增加;极小值风压系数变化规律相对复杂,呈现出非线性减小的趋势,风压系数极小值可达?5.0;屋面涡脱强度逐渐被抑制,锥形涡迹线与屋面迎风前缘的夹角由14.4°下降至8.7°。屋面风压非高斯特性主要与屋面形成的涡旋结构相关,表现出典型的右偏软化非高斯过程,且随着来流湍流度的增加风压非高斯特性逐渐减弱。从流场的角度来看,湍流度的增加抑制屋面迎风前缘柱状涡以及锥形涡的形成,加快流动分离的再附,减少分离泡尺度,同时提高了屋盖周围的湍流高频能量成分,从而使脉动风压增加,极小值风压减小以及风压非高斯特性减弱。该研究阐明了大气边界层湍流对低矮房屋风荷载特性的影响机理,有助于进一步理解低矮房屋风致破坏机理,并且为低矮房屋的抗风设计及抗风性能优化提供重要参考。     

小振幅振动屋盖风压特性研究

风荷载作用下,大跨度屋盖通常会出现不同频率的小振幅振动。为描述这类小振幅振动屋盖的风荷载分布情况,采用准定常理论,构造基于时间离散的准定常风压统计方法,并由此给出相应的平均风压统计表达式。采用计算流体力学方法,对不同振动频率的屋盖进行风压分布模拟,结合准定常风压统计方法分析屋盖表面平均风压和脉动风压分布特性,并与相关风洞试验数据进行对比。研究结果表明:对于二阶振型振动的小振幅平屋盖,在不同振动频率条件下,屋盖表面平均风压的分布与静态平屋盖的形态接近;而脉动风压的特性与静态平屋盖的情况差别较大。     

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。     

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。     

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...