遮挡山体对输电塔线体系风振疲劳的影响

山地地形中遮挡山体使风场更加复杂,对结构的风致响应也造成了较大影响。为此,本文首先基于风洞试验研究了遮挡山体的不同坡度、高度以及间距对受扰山体风场特性的影响,通过对13种工况中受扰山体的山顶和背风面加速比的变化情况进行分析,得到了遮挡山体对风场的影响规律。然后,根据风向风速实测数据计算出风向风速联合分布的统计概率,结合时域和频域疲劳累积损伤理论,提出了输电塔线体系风振疲劳的建议算法。最后,基于试验数据及统计概率对某特高压输电塔线体系在各工况的风场条件下分别进行了风振疲劳分析,结果表明：输电塔疲劳寿命随遮挡山体坡度呈先增后减的复杂变化趋势,山体背风面山脚疲劳寿命最短;坡度相同而高度不同的遮挡山体未对输电塔疲劳寿命造成明显变化;遮挡山体间距较小时输电塔疲劳寿命最短,但随着遮挡间距增加受扰山体风场逐渐趋于稳定,疲劳寿命随之延长。     

山地风场中特高压输电塔线体系动力可靠度研究

山地风场因受山体的干扰作用具有与平地风场截然不同的特征,对山地地形中结构高、跨度大和电压等级高的特高压输电塔线体系进行风振响应研究时,无法采用现有适用于平地风场的计算方法。为此,在风洞试验的基础上,首先对三类山地地形的不同工况,即单个山体的8种坡度,单个山体的3种高度以及两个山体的3种遮挡间距,对风场的影响分别进行了研究。通过对各工况下山体迎风面、山顶和背风面的平均风速加速比及湍流度的变化情况进行分析,提出了相应的修正公式,有效地考虑山地地形对风场的影响,得到了各工况下山地风场的平均特性和脉动特性。然后,基于试验数据及风场模型采用有限元计算理论对特高压输电塔线体系在各工况的风场条件下进行动力时程分析,并根据随机结构动力可靠度计算方法分别计算出各工况下特高压输电塔体的动力可靠度。最后,通过对比分析发现了不同山地地形条件下各工况中迎风面、山顶及背风面的不同位置输电塔体动力可靠度的变化规律。     

山地超高层建筑风致响应研究

风在山地地形的干扰下,其幅值和空间分布规律相对平地均会发生较大改变,尤其是山顶处风速有明显增大.如果不考虑山地的影响,仍然用平地边界层风场进行高层建筑维护结构和整体结构计算将偏于不安全.以前对山地风场的研究多限于平均风的变化,而对于脉动风的湍流特征和频域特性较少提及,且缺少山地与平地风场中超高层建筑风致响应计算的对比.本文建立了钟形、高斯形、余弦型几种轴对称三维山体模型,通过数值计算得到了不同山体坡度下山顶平均风加速比.计算结果显示,山顶平均风有较大的增大效应,最大加速比可达1.7,且反函数拟合结果与模拟结果更加吻合.通过与风洞试验结果的对比可见,平均风的数值模拟有较高准确性,湍流与试验相比还有一定差别.通过某超高层建筑的风振响应分析表明,山地风的增大效应对超高层建筑整体响应计算不可忽略,位移响应增大比例最大可达20%.     

山地平均风加速效应数值模拟

以往对加速效应研究中,往往只用相对简单的公式来计算山顶加速比而忽略其他复杂情况,为了讨论山体坡度、高度和地貌情况等因素的影响,利用数值模拟方法进行了山地加速效应计算,其结果显示山顶最大加速比随山体坡度和高度的增加而增大,随地面粗糙度指数的增加而减小,同时坡度、高度和地貌也对山顶加速比的空间分布有显著影响;并根据分析数据拟合了加速比计算的修正算法。     

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。     

三维山体的风场特征及对输电塔风致响应的影响

针对三维山体风场进行CFD模拟计算以获得其风场特征,将CFD模拟结果与各国规范规定进行比较,建立输电塔的有限元模型并计算其风致响应,对比输电塔在CFD模拟和各国规范山地风场下的风致响应,最后给出输电塔在三维山体中抗风区域的划分建议。研究表明:三维山体山顶处风加速比最大,山前减速区和山后尾流区加速比较小;中美两国规范计算得到的加速比在迎背风坡对称,且沿顺风山脊线线性变化。经CFD模拟获得山顶处的加速比介于日本和澳洲规范结果之间,小于中国和欧洲规范结果;输电塔的风致响应增大系数在山顶处最大,在山前与山后均较小;基于输电塔的基底弯矩响应将输电塔在三维山体中抗风区域分为四个区域。     

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...     

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。     

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。     

施扰建筑高度对主建筑层阻力影响的试验研究

利用刚性模型测压试验,研究了施扰建筑高度比变化对主建筑层阻力系数和层脉动阻力功率谱的影响规律。试验包含了3个并列位置,5个串列位置和3个斜列位置。分析结果表明,建筑物并列时,当间距比小于3.0时,高度比为1.3时的层平均阻力系数在某些层可能比高度比1.0时增大高达20%,层脉动阻力系数在高度比为1.3且间距比小于3.0时会略大于单体建筑,其余情况与单体建筑一致;建筑物串列时,高度比对层平均阻力系数影响主要体现在遮挡效应上,高度比越大,遮挡效应越严重,遮挡高度越大,层脉动阻力系数由于遮挡效应减弱涡脱以及施扰建筑增加来流湍流共同作用,影响规律复杂,层脉动阻力功率谱的影响规律也表明了高度比越大影响高度越大;斜列工况的结果,表明了并列间距比对干扰规律起控制作用。     

Numerical investigations of wind pressure profiles at isolated escarpment,ridge, and hill

A series of numerical simulations were conducted to analyze the turbulent flow fields in lands, typically under a ground condition of Exposure C with isolated escarpments, ridges, and hills, respectively. By varying the extent of the slope in terms of a height-to-length ratio, the calculated velocity profiles at various cross sections were examined and compared to those suggested by the wind design code. Results show that separation generally occurs and leads to flow unsteadiness at leeward of ridges and hills. Within the re-circulating zone, the velocity fluctuation varies in a manner close to a normal distribution. Finally, comparisons were made in terms of the displacement thickness and the applicability of the code suggestions was assessed. It was found that the related codes may require examinations for further possible modifications.     

横风下高速列车突入隧道瞬变压力及列车风

针对高速列车在横风下突入隧道的普遍情形,考虑空气的非定常、可压缩湍流特性,建立列车-隧道-横风三维数值模型,对比研究有无横风条件下列车突入过程中隧道内的瞬变压力变化规律和列车风特性。通过将数值计算结果与现场实测数据进行对比,验证了数值方法的准确性。研究结果表明:与无横风情况相比,列车在横风中高速驶入时隧道入口周围的瞬变压力和列车风发生明显变化;在尾车完全驶入前,横风对背风侧气动压力的影响程度比迎风侧的大,其中头车突入时对隧道入口气动压力的影响最为显著;横风对隧道内气动压力和列车风的影响范围有限,当横风速度为24.4 m/s时,隧道内受影响距离为50 m;头车突入隧道时,横风对列车背风侧列车风的影响较大,而尾车完全驶入时,横风对列车迎风侧的列车风的影响比较严重。横风效应是列车背风侧气动压力和气流速度大幅波动的根本原因。     

风浪谱模型在高度计风速反演中的应用

依据粗糙海面电磁波镜面散射理论,将根据全波数范围内的风浪谱模型计算的标准化雷达后向散射截面与T/P卫星高度计测得的雷达后向散射截面(Ku波段)进行比较,实现了对高度计风速的反演.研究表明,在所选浮标附近海域,波龄因子对高度计风速反演存在较大影响.与目前高度计业务化算法相比,考虑波龄因子影响后,根据谱模型反演获得的风速与中国近海浮标风速之间均方根误差和平均偏差更小.由于波龄因子可以根据高度计测得有效波高以及业务化算法获得的风速得到,因此根据风浪谱模型反演获得的风速具有广泛的适用性.     

翼型动态风洞试验洞壁效应研究

翼型动态失速导致气动非线性特征突出,与洞壁效应耦合给风洞试验数据带来极大的不确定性,该文通过试验和数值手段揭示了翼型动态试验洞壁效应产生机理和影响规律,结果表明:相比于静态试验,由于洞壁的存在,动态试验翼型的尾流区的总压和静压分布更不均匀,动态试验翼型在相同迎角下的洞壁干扰更严重,表现为翼型在大迎角段,洞壁干扰导致模型中间截面附近和端部截面附近的速度分布和压力分布差异更明显,且相比于压力面,吸力面流动的二维性变得较差。侧壁干扰抑制了翼型中间截面附近的流向分离,诱导了端部附近的展向分离流。上洞壁和下洞壁的非定常压力系数随翼型实时迎角变化也呈迟滞环曲线,迟滞环方向相反,且脉动一阶主频率与翼型俯仰振荡频率一致。风洞洞壁干扰下,翼型动态失速三维涡结构呈“Ω”型。风洞上下壁干扰使得翼型线性段的升力系数和升力线斜率均增加,诱导翼型提前失速;在负行程,则使得翼型升力系数降低。侧壁干扰在负行程诱导了翼型表面的展向流动、减小了翼型弦向流动速度,引起翼型升力系数减小,正行程范围则影响较小,且翼型失速延迟。FL-11风洞翼型动态试验的上下壁干扰效应为主导因素;但是侧壁干扰不可忽略,特别是在翼型振荡周期的大迎角和负行程范围。     

建筑物周围风致静压场的分布及振动特性研究

对均匀流及湍流中风洞内有和无建筑物时的静压状况进行了研究,针对目前无法精确测量静压的情况,提出了一种无量纲化方法,给出了静压场的分布规律,运用幅值域及频域方法详细分析了建筑物周围各区域的流场特性,之后给出了静压场主要方向的分布函数型式,并推断了静压场的静力及动力边界。研究结果显示:在风洞中进行风压测试时,有可能激发风洞气柱自振模态并对测试结果产生误导;建筑物迎风区脉动主要取决于来流脉动;背风区脉动则与湍流来流脉动较为相像,但能引起更多非高斯特性;地面粗糙度由小变大时,建筑物侧风区脉动由小振幅周期振动向大振幅随机振动转变;地面粗糙度越大,静压场的静力作用越小而动力作用越大。所提静压场分布函数可对风工程实测参考静压的测试及建筑群体的风致干扰问题提供参考。     

相邻柜体干扰对煤气柜风致基底剪力的影响

通过风洞测力试验,研究了在不同风向角不同净距情况下相邻柜体干扰对煤气柜风致基底剪力的影响。结果表明:顺风向平均基底剪力干扰效应根据风向角可分成遮挡效应、狭缝效应和尾流效应三种情况,其中遮挡效应和狭缝效应均随净距减小而逐渐显著,而尾流效应在净距较小时表现不明显,只有在一定净距内才表现显著;顺风向脉动基底剪力根方差干扰效应在狭缝效应所对应的风向角且净距较小时表现较为显著;横风向脉动基底剪力根方差干扰效应与相邻柜体的位置有关,相邻柜体位于上游的干扰效应普遍大于相邻柜体位于下游的干扰效应,而相邻柜体位于下游时只有在净距很小时干扰效应才表现显著。     

POD方法在双坡屋盖风压场预测中的应用

应用本征正交分解(POD)技术对双坡屋盖的随机风压场进行了预测。结合风洞试验同步测量的风压数据,采用了两种方案预测屋盖上未布测点位置的风压系数时间序列。预测出数据的统计特性(均值、均方根值及极值)和功率谱等与实测数据进行了比较,发现所预测风压系数时间序列的均值和均方根值精度较好。虽然预测的风压极值大部分被低估,但是预测数据的功率谱在低频段与实测数据相吻合。因此将预测的数据应用于结构的风致响应计算是可行的。