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。     

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。     

下击暴流作用下建筑物表面风压分布模拟

为研究下击暴流作用下建筑物表面的风压分布,首先分析下击暴流风场.基于壁面射流理论,建立下击暴流风场的二维模型.应用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件模拟得到下击暴流风场径向速度的竖向剖面分布.将计算结果与三种经验模型和一种实测数据的风速剖面分布进行对比,证实上述模拟方...     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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...     

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。     

雷暴冲击风作用下高层建筑风压频域特性

为研究雷暴冲击风作用下高层建筑风压的频域特性,采用冲击射流装置模拟雷暴冲击风,对矩形高层建筑模型进行测压试验。根据试验数据,对模型表面的脉动风压系数功率谱、水平和竖向相关系数、水平及竖向相干函数进行了详细分析,讨论了模型所在径向位置对脉动风压频域特性的影响。结果表明:各径向位置处模型迎风面的脉动风压功率谱与来流脉动风速谱基本一致;侧面与背风面脉动风压的能量主要集中在旋涡脱落频率处;风压相关性随测点间距离的增大而减小;迎风面风压的水平和竖向相干性均较强,脉动风压同步性较好;侧面测点风压水平相干性在折减频率小于0.2时较为显著,竖向相干性在整个频率范围内相对较好;背风面测点风压的水平和竖向相干性在折减频率小于0.1时较好,随着折减频率增大,相干性迅速减弱;迎、背风面中心测点风压在折减频率0.06附近存在较强的水平相干性,相位角相差180°左右,脉动风压呈现相反的相位特征。     

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。     

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k?ε模型和重整化群k?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。     

漂浮式光伏电站方阵环境载荷计算方法研究

针对我国建成的全球首个单体容量达到40 MW的漂浮式光伏电站方阵进行了环境载荷数值预报研究,在与风洞模型试验结果对比验证的基础上,基于计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）方法对该大规模方阵的整体风载荷和流载荷进行了数值研究。CFD计算的数值考察验证了采用简化浮体模型进行研究的可行性,单体模型的计算结果与风洞试验结果吻合良好;对方阵进行实尺度建模及3D简略计算,得到了整体风载荷在不同风向角下的变化规律;通过对最大载荷风向的北风条件下的载荷分布规律的分析,提出了2.5D计算的策略,得到了数值验证;根据计算结果设计并实施了18行×11列单元模块的缩尺方阵风洞试验,试验结果和CFD计算结果吻合良好,据此构建了完整的数值计算方法;对2.5D进行高精度计算,确定了针对3D简略计算的修正系数,得到较为准确的整体风载荷结果。流载荷计算方法与风载荷相同。采取势流计算方法开展了波浪载荷数值分析研究,得到了在单位波幅规则波作用下漂浮方阵波浪载荷随行和列的变化规律;根据此规律获得了整体漂浮方阵的波浪载荷,并据此计算了50年一遇的极端条件下漂浮方阵所受的波浪载荷。该研究为漂浮式光伏电站的风、流、波浪等环境载荷的数值预报提供了方法,为漂浮方阵的锚泊计算及水上光伏电站的系统设计提供了技术支持。     

龙卷风动态冲击高层建筑风荷载数值模拟

龙卷风具有较强的破坏力,是抗风减灾工程重要的防范对象之一。近年来,随着地球环境的恶化,龙卷风袭击大型城市的灾害时有发生,针对高层建筑的研究开始受到重视。目前对龙卷风动态冲击高层结构的研究还较少。因此,该文建立了动态运动的龙卷风风场模型,模拟了龙卷风动态冲击高层建筑结构的非定常过程,初步分析了龙卷风冲击高层建筑结构的风荷载特征及规律。结果表明:1） 该文采用的龙卷风模型及计算方法能可靠地模拟龙卷风的基本特征和荷载规律。2） 龙卷风动态冲击高层建筑,其荷载效应与建筑尺度有关。建筑尺度较小时,冲击荷载呈双峰特征,冲击效应和时变效应相对较小。相反,冲击荷载呈多峰特征,时变性强,冲击效应明显。3） 龙卷风在冲击较大尺度建筑时,主涡会发生破裂,形成多个漩涡。多漩涡及建筑尾涡相互作用和耦合是导致更大冲击效应的重要力学机制。这种力学现象在国内外龙卷风研究中尚未发现类似报道。     

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。