紊流积分尺度对CAARC模型表面风压特性的影响

常规风洞不能较好模拟紊流积分尺度,造成模型缩尺比与积分尺度不匹配。采用两种缩尺比CAARC(Commonwealth Advisory Aeronautical Research Council)模型在相应缩尺比的B类风场中进行同步测压试验,研究紊流积分尺度对平均风压系数、脉动风压均方根系数、脉动风压功率谱、风压水平和竖向相关系数、以及风压竖向相干函数的影响。结果表明：平均风压系数受紊流积分尺度影响较小,而脉动风压均方根系数随L■/D的减小而减小,且脉动风压均方根系数偏小程度随L■/D偏小程度的增大而增大;迎风面驻点的脉动风压功率谱,在低频区间,由准定常效应控制,基本保持一致,在高频区间,其衰减速度快于脉动风速功率谱,且衰减速度随紊流积分尺度的减小而加快;紊流积分尺度越小,宽面迎风时侧面与背面的脉动风压功率谱越大,迎风面外缘点和背面的漩涡脱落特征更明显;在迎风面,脉动风压水平相关系数和竖向相关系数随着L■/D的减小而减小;在侧面,宽面迎风时脉动风压水平和竖向相关系数随着L■/D的减小而增大,窄面迎风时脉动风压水平相关系数随着L■/D的减小而减小,测点距离较近时,竖向相关系数随着L■/D...     

地表粗糙度对高层建筑下击暴流风荷载特性影响的试验研究

地表粗糙度对近地层的风场影响很大。为研究下击暴流风场中不同粗糙度地貌上的高层建筑表面风压变化规律,基于冲击射流试验,讨论了地表粗糙度与径向距离不同情况下高层建筑表面风压特性。试验结果表明:建筑迎风面风压极值区的高度随地表粗糙度的增大而逐渐抬升,迎风面正风压系数也随之增大,背风面负风压绝对值随之减小,侧面风压系数受粗糙度影响变化不明显;建筑侧面脉动风压系数随地表粗糙度的增大而增大,而迎风面和背风面的脉动风压系数受粗糙度影响较小。随着径向距离及地表粗糙度的增大,出流强度衰减明显加快,建筑迎风面中下部区域风压系数衰减较大,背风面及侧面风压系数逐渐减小,且背风面呈线性衰减趋势。     

二维矩形柱体表面风压频域特性的雷诺数效应研究

在低紊流度的均匀流场中分别对截面宽厚比B/D(B为模型的顺风向宽度,D为迎风面厚度)为2、2.5、3、3.5和4的二维矩形柱体模型进行了测压试验,雷诺数(Re)的变化范围为1.1×105~6.8×105。分析了各模型表面的三个典型测点的脉动风压系数的功率谱特性,研究了各模型侧面的风压相关性。研究结果表明气流再附于模型侧面会影响模型侧面和背风面典型测点的风压系数功率谱,且B/D=4模型的三个典型测点的风压系数功率谱随雷诺数变化明显。B/D=2模型侧面的风压相关性较好,但B/D=2.5、3和3.5模型的侧面靠近前边缘的测点与气流再附区的测点的风压相关性较强,侧面中部区域的测点与侧面前后部区域的测点的风压相关性较差。B/D=4模型侧面的风压相关性受雷诺数影响明显,在雷诺数Re=6.8×105时出现了明显的突变。     

均匀流中矩形高层建筑脉动风压的阻塞效应试验研究

对阻塞度为4.1%、6.1%、8.4%和10.1%的CAARC高层建筑标准模型在均匀风场中分别进行了测压试验,对比了各模型表面测点风压系数的根方差、功率谱、空间相关性和相干性,总结了矩形单体高层建筑脉动风压阻塞效应的主要规律,并从流场方面来解释。阻塞效应对模型绕流和尾流产生约束,改变了旋涡脱落形式,影响了建筑表面易产生分离、涡脱处的根方差脉动风压系数;建筑表面风压系数的功率谱、空间相关性和相干性也发生变化。     

串列布置受扰超高层建筑脉动风压谱特性研究

基于刚性模型测压风洞试验,研究了方形高层建筑在单体和受扰状态下的脉动风压功率谱特性。在风洞中首先对C类地貌下的单体方形高层建筑进行了实验,然后针对16个不同施扰位置、3种不同高度比时的两方形高层建筑进行了干扰实验,得到了受扰方形高层建筑的局部风压。基于实验结果,研究了串列布置条件下间距比以及高度比对受扰建筑典型测点风压谱的影响。结果显示,单体建筑迎风面中轴线测点风压谱为宽频分布而棱边处风压谱出现尖锐谱峰;侧风面后缘高频段能量显著大于前缘。串列布置间距比变化时,典型测点谱峰幅值在间距比较小时显著削弱。较低施扰建筑导致的低频段能量较大,而较高施扰建筑主要影响高频段能量。 关键词：超高层建筑,风压谱,干扰效应,间距比,高度比     

大跨屋盖风荷载的频域特性试验研究

在大气边界层风洞中通过模拟大气边界层风场对广州国际会展中心模型进行测压试验,获得了测点的在36个风向角下的风荷载。对风荷载的功率谱、相关系数、相干函数进行了细致分析,讨论了风场对脉动风压频域特性的影响。得出一些结论：脉动风压功率谱表现很强的漩涡脱落特征,其斯脱罗哈数约为0.295;测点风压相关系数横风向强于顺风向,均随着测点间距的增大而减小,并且边缘区域测点的相关性高于中间区域测点;测点风压的相干系数随着测点距离的增大而减小,且顺风向高于横风向。     

稳态冲击风作用下拱形屋面风压分布试验研究

为研究雷暴冲击风对拱形屋面的作用,基于相似准则进行了拱形屋面模型制作和雷暴风风场物理模拟,并完成了相应的冲击风风洞试验。通过改变矢跨比、高跨比及跨度,进行屋面风压的参数敏感性研究。通过改变屋面中心位置,研究竖向风场的作用。研究表明:屋面位于冲击风极值水平风速附近时,垂直于屋脊方向风压分布与矢跨比密切相关,屋面越靠近冲击风中心则升力越小;当屋面位于冲击风中心时,整个屋面均出现较大的正风压。     

超高层建筑实测风压相干性的小波分析

在结构的顺风向动力响应计算中,高层建筑上任意两点风压的空间相关性信息是必需的。风压全尺度实测是分析建筑物风压相干性的必要途径,而小波变换为非平稳风压间的相干性分析提供了有力的工具。为了获得超高层建筑风压的相干性信息,针对一超高层建筑进行了强风下的风压现场实测,基于小波变换分别进行了风压间小波相干和考虑伪相干的小波相干分析,对各测点之间风压的相关性与依据经验公式计算的风速相关性进行了比较。比较结果表明,在低频区域,任意两点脉动风速的相干性高于脉动风压的相干性;反之亦然。     

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.     

高层建筑围护结构风压系数的概率特征及其极值POT估计

为获得高层建筑围护结构设计风荷载,通常需要考虑其表面风压系数的概率特征,进而进行极值估计。针对当前基于超越阈值模型的风压系数极值估计方法存在阈值选取困难,需要较大样本的不足,基于高层建筑标准模型进行风洞试验,首先研究其表面风压系数的概率特征,结果表明迎风区测点接近高斯分布,分离区测点风压系数母体接近Gamma分布,风压系数极小值接近GEV(general extreme value, GEV)分布;提出一种改进的POT(peak over threshold, POT)极值估计方法进行表面风压系数极值估计,进而与几种传统极值估计方法进行对比,结果表明改进POT极值估计方法可实现小样本的风压系数极值估计,其估计结果与大样本容量的标准极值偏差小于5%,且稳定性较好;最后给出了标准高层建筑模型表面极值风压系数。     

附属物对高层建筑局部风压的影响规律研究

探究了表面水平隔板对高层建筑局部风压的影响。对4种具有不同形式表附属物的高层建筑进行了刚性模型测压试验,并与无附属物的高层建筑测压结果进行对比。通过各立面上的平均风压与脉动风压系数以及极值风压系数的对比分析,结果表明:表面附属物对迎风面的正风压系数影响很小,但能够大幅削减侧风面上的负风压系数,尤其是负极值风压系数;且这种削减效果随附属物水平间距的减小而增强,建筑侧风面迎风向上部角区的极值风压最大削减幅度可达37%。侧风面脉动风压概率密度分布及非高斯特性研究表明:表面附属物能够减小较大负压的概率密度函数的偏度与峰度,从而削弱其非高斯特性,这种作用随附属物水平间距的减小而增强,表明附属物能够有效抑制来流在侧风面的分离。     

平面尺寸对矩形高层建筑极值风压影响的研究

为探索平面尺寸对矩形截面高层建筑表面极值风压分布的影响,对长宽比为1～9的建筑进行了风洞测压试验及后续的脉动风压极值分析,研究了正交风向下不同长宽比建筑各表面极值风压的分布特点,并与我国荷载规范的计算值进行了比较,探讨了全风向角下极值风压包络值在各表面的分布状况及随平面尺寸的变化规律。结果表明,平面尺寸对背风面和侧风面影响较显著,总体而言较小长宽比对极值负压更为不利;我国荷载规范对侧风面和背风面围护结构的风压取值存在诸多偏于不安全的情况。考虑全风向最不利状况的极值风压包络值在墙面分布及随不同平面尺寸变化上均呈现更简单的规律,直接基于包络值分布提出的矩形建筑围护结构风压的取值方法,具有既简便又能更好反映实际风压分布及随平面尺寸变化的特点。     

格构式塔架横风向脉动风荷载空间相关性研究

为了研究格构式塔架横风向脉动风荷载的空间相关性,基于某实际格构式塔架2个典型节段模型同步高频测力天平风洞试验和同步风速测试风洞试验,测得了模型基底剪力、弯矩和风速时程,通过数据处理方法得到了其横风向脉动风荷载及脉动风速的相干函数。在此基础上,分析比较了脉动风荷载及脉动风速的相干函数特点与变化规律。结果表明:格构式塔架横风向风荷载相干函数与频率,水平距离和竖向距离均有关;格构式塔架横风向风荷载相干函数与现有高层建筑及锥形烟囱等结构的结果存在一定差别。最后,运用非线性最小二乘法拟合得到了脉动风荷载相干函数经验公式,拟合公式与试验结果较吻合,可为分析格构式塔架横风向风荷载及风致响应提供一定的参考。     

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。     

某复杂山体的三维风场特征研究

为获得某复杂山体的三维风场特征,采用基于眼镜蛇测量仪的风洞试验方法进行研究。分析各风向角下水平风加速比和竖向风速占比的分布特征,将典型风向的水平风加速比与各国规范进行比较,最终提出复杂山体三维风场的设计建议。研究表明:山顶在各风向角下均存在显著的水平风加速效应;山腰和山脚在侧风风向存在较显著的水平风加速效应;风洞试验结果与美国规范非常接近,中国规范偏保守;最大竖直向风速发生在山腰位置,其中向上竖向风速发生在迎风方向,向下的竖向风速发生在背风方向;规范中的水平风速只针对迎风情况,并不能考虑全风向尤其是侧风向的来流;建议对重要的山体构筑物采用风洞试验方法获得其三维风场。     

矩形断面抖振阻力空间分布特性试验研究

为了研究紊流作用下钝体抖振阻力的空间分布特性及流固相互作用机理,以2:1矩形断面为例,通过刚性模型测压试验研究了抖振阻力的跨向相关性及空间能量分布特性。结果表明,当紊流积分尺度与钝体特征尺寸相当时,抖振阻力的相关性高于纵向脉动风,这也许是由漩涡沿展向发生拉伸引起。而在分离点附近,来流漩涡会发生剧烈畸变,顺流向大尺度漩涡会破碎成小尺度漩涡,在此过程中能量由低频向高频的转移,并导致脉动压力的跨向相关性也会有所减弱。与迎风侧不同,背风侧脉动压力主要受钝体尾流中的紊流成分影响,其漩涡沿跨向拉伸程度可能要高于迎风侧,以致背风侧脉动压力的跨向相关性强于迎风侧。顺流向分离涡在由分离点向中部运动过程中,其高频的小尺度漩涡可能并没沿顺流向拉伸,而是直接耗散,从而导致脉动压力谱在低频保持不变,而在高频区下降。     

矩形高层建筑垂直迎风时风场及风振响应实测

在接近垂直迎风情况下对抚顺市内某小区的一矩形高层居民楼采用三维超声风速仪和低频麦克风对楼顶风场和楼房迎风面风压进行实际测量,同时采用加速度传感器对麦克风所在高度处建筑的振动情况进行同步监测。对顺风向脉动风速和脉动风压分析结果表明,建筑顺风向的脉动风速和脉动风压都不符合正态分布,两者偏离趋势、偏离程度并不一致,建筑顶部的顺风向风速谱与von Karman谱符合较好,并且对于高度为80 m左右的矩形建筑,风速不大时,在建筑物迎风面相对高度约0.8处的滞流区,迎风面的脉动风压与脉动风速仍旧符合准定常假设。通过对春季和秋季测得的两次数据进行对比分析发现,尽管两次测量时天气情况及风力级别接近,但秋季风的脉动强度要远大于春季风。楼房两个主轴方向的加速度响应显示楼房发生了扭转现象。     

矩形超高层建筑横风向脉动风力.Ⅰ:基本特征

阐述系列论文的第一部分。对7个矩形截面超高层建筑模型进行了同步测压风洞试验。研究了横风向风力系数的根方差、功率谱密度、竖向相关性系数和相干函数的基本特征。通过对比不同厚宽比、不同风场的试验结果,研究了这两个参数对横风向脉动风力的影响效果。研究结果表明,厚宽比的影响效果最为显著,厚宽比不同,横风向脉动风力的作用机理可能也有所不同。