平屋盖女儿墙防风效果的数值模拟与优化研究

基于FLUENT软件,分析了女儿墙高度对平屋盖表面平均风压分布的影响,同时以屋盖表面负压峰值最小为优化目标,采用梯度算法对女儿墙的孔洞率进行了优化。结果表明:当女儿墙高度为0～0.067H时(H为屋盖高度),最优孔洞率为38.2%～52.3%。     

湍流积分尺度影响低矮房屋屋面风压特性风洞试验研究

采用缩尺比为1∶20的双坡屋面低矮房屋风洞试验刚性模型,以湍流积分尺度为变量,研究湍流积分尺度影响低矮房屋屋面局部区域平均、脉动、极值风压分布特征和变化规律。研究发现,湍流积分尺度的改变对平均风压系数影响不明显,对脉动、极值风压系数影响较大,且随湍流积分尺度的增大,屋面测点脉动、极值风压系数绝对值增大。当来流垂直于屋面长边时,在迎风屋面,距迎风屋檐越远,平均风压系数绝对值越小,山墙和角部区域脉动风压系数越小,而迎风屋面中心区域脉动风压系数越大。在背风屋面,远离屋脊测点的平均、脉动风压系数绝对值逐渐越小。双坡屋面低矮房屋在迎风屋檐及山墙区域风压相对较大,这些局部区域在强风作用下更易受到破坏。     

平滑流场内半圆球形大跨屋盖非定常绕流大涡模拟

基于Fluent软件平台,进行了平滑流场内不同雷诺数情况下半圆球形屋盖结构非定常绕流大涡模拟计算。数值模拟中,以来流平均风速和半圆球屋盖直径定义的3个雷诺数Re为6.6×10~4、3.0×10~5和2.0×10~6。将数值模拟所得屋盖表面平均和脉动风压与已有文献风洞试验结果进行对比,验证了文中数值模拟结果的有效性,并分析了不同大涡模拟参数对数值模拟结果的影响。比较分析了3个雷诺数下半圆球形屋盖结构周围的平均流场和瞬态涡结构分布规律,研究半圆球屋盖结构风荷载的形成机理。结果表明:在保证第1层网格到壁面的无量纲距离y~+≤5.0情况下,进一步加密网格对屋盖表面风压分布影响不明显,而亚格子模型对屋盖表面风压分布影响显著。随着雷诺数的增加,屋盖表面流动分离点逐渐下移,地面上的流动再附点则逐渐前移,上游回流区和下游分离泡均逐渐变小;屋盖表面流动分离区剪切涡形状随雷诺数的增大逐渐变得不规则。     

台风“浣熊”影响下近地风特性及低矮房屋屋面风压实测研究

基于上海浦东国际机场附近的同济大学实测基地获取的2014年台风"浣熊"影响下的近地风速时程和低矮双坡屋面风压同步实测数据,研究了台风影响下的近地风特性和低矮房屋屋面风压特性。10m高度处实测风速结果表明:纵向的湍流度随平均风速的增大呈减小的趋势,而横向和竖向的湍流度随平均风速的变化趋势不明显。坡角为10°的足尺低矮房屋在"浣熊"影响下,由于屋脊对斜风向来流的气动分离作用,在背风屋面右侧靠近屋脊的位置出现了明显的漩涡脱落,而斜风向下山墙和屋脊的共同作用也导致了第二个旋涡的产生;旋涡处的脉动风压系数峰值随着风向角度的增加呈逐渐增大的趋势,并且也随纵向湍流度的增大而增大。     

某体育场气弹模型风洞试验研究

大跨度体育场屋盖是风敏感性结构,由于气动弹性模型的设计和制作存在较大难度,所以此类结构的气弹模型风洞试验研究较少。以一实际体育场为对象,成功设计并制作了其结构的气动弹性模型,并对其进行了风洞试验,测试了该大跨屋盖结构的气动位移响应随风向角和风速的变化关系。此外,试验还对该气弹模型布置了测压点,对比了气弹模型测压与刚性模型测压结果的区别。结果表明:该大跨度屋盖结构最大位移发生在垂直于来流的位置;结构响应随风速增大而增大,而且风速越大增长率也越高;气弹模型测压对平均风压系数影响不大,但是屋盖的脉动风压系数相比刚性模型测压会增大。     

大跨度刚性屋盖数值模拟及女儿墙对风压影响分析

为研究不同围护结构对主体结构及自身承受风荷载的影响,对三种不同围护结构体系的平屋盖刚性模型(普通平屋盖、设女儿墙平屋盖和设悬挑平屋盖模型)的风洞试验进行CFD数值模拟,数值模拟结果与风洞试验结果吻合较好,利用建立的CFD数值模拟模型,对三种不同高度女儿墙的平屋盖刚性模型进行数值模拟分析。对不同围护结构的屋面风压分析表明:悬挑部分对主体屋面前缘风压降低效果明显;女儿墙设置可减小屋面迎风前缘与角部区域的负值风压,屋盖后部出现了局部正压。对不同高度女儿墙模型数值模拟表明:女儿墙高度主要影响屋面1/3范围内的风压、角部区域风压及屋面风压梯度,女儿墙越高,女儿墙承受风压越大,在实际工程中应考虑风压对女儿墙的不利影响。     

凉都体育中心体育馆屋盖CFD数值分析

采用计算流体力学软件Fluent得到凉都体育中心体育馆屋盖的风压力分布,进而得出体育馆屋盖的风压系数分布.对建筑间风遮挡效应进行了讨论,两体量相近的建筑物相邻时,下游建筑受到的风荷载往往更为不利.屋盖在风荷载作用下受向上的风吸力,屋盖不同位置的风压系数都不相同,且分布规律复杂,为简化设计计算过程,建议凉都体育馆屋盖体型系数可取为-0.9.     

大跨屋盖结构风压脉动的非高斯特性

借助刚性模型风洞动态同步测压试验,对大跨度平屋盖表面脉动风压的非高斯统计特性进行了系统研究。首先,根据测点风压时程及其概率密度分布,对具有非高斯分布特性的屋盖风压局部区域做出判断;然后,通过风压的时空间相关性,结合中心极限定理讨论局部呈现非高斯特性的原因;最后,基于测点风压的第三、四阶矩统计量对风压的非高斯特性进行描述,给出划分高斯非高斯区域的标准,并在此基础上对平屋盖进行了分区,通过区域划分揭示了不同区域的脉动风压形成机理,也体现出一些大跨屋盖结构不同于低矮房屋的流场特性。通过上述工作,增进了对大跨度屋盖表面风压分布特性的认识,为进一步探讨屋盖结构的抗风设计方法奠定了理论基础。     

斜风向下低矮房屋屋盖风荷载特性试验研究

基于一个低矮房屋刚性模型风洞试验,研究了湍流场中低矮房屋屋盖角部未开孔和开孔时屋盖上的风荷载分布特性。研究结果表明:在斜风向作用下,屋盖迎风角部风荷载表现出复杂的三维特性,屋盖迎风角部也是较大风吸力作用的区域;湍流场中锥形涡之间在屋盖区域没有相互作用;采用二次曲线对涡核位置和再附位置进行拟合,拟合结果较好;屋盖内表面风荷载平均效应趋于均匀,脉动风压效应在时域和频域上表现出很高的相关性,并表现出明显的Helmholtz共振现象。     

凉都体育场屋盖平均风压与风振系数研究

结合凉都体育场的建筑造型和周围环境,采用Realizablek-ε湍流模型对屋盖的平均风压进行了数值模拟,得到屋盖的平均风压分布.利用MATLAB编制了线性滤波器的自回归法(AR法)的脉动风速时程模拟程序,模拟了屋盖节点的脉动风速时程;并结合屋盖的平均风压和脉动风速时程数值模拟结果,编制了时域法风振效应分析程序,分析了牛角形屋盖的风致响应规律,得出了屋盖的位移风振系数.研究了屋面荷载、平均风速、结构阻尼比等参数对牛角形屋盖风振系数的影响,得出一定偏差范围内可忽略上述参数取值偏差对牛角形屋盖风振响应影响的结论.     

考虑特征湍流影响的体育场悬挑屋盖脉动风压谱模型

基于风洞试验对体育场悬挑屋盖的脉动风压谱进行系统研究,旨在得到适用于此类结构的脉动风压谱模型,为风振响应分析提供必要的信息。通过对屋盖表面脉动风压进行谱分析,可知在屋盖前缘处的风压谱与来流风速谱较接近,但屋盖后缘处则差异很大,表现出明显的漩涡脱落特征。因此脉动风压自谱采用来流谱与漩涡脱落谱相结合的形式来描述,并通过权数因子体现屋盖表面不同位置处流场作用的特点。对于脉动风压互谱则用指数衰减函数来表示,并确定了适用于悬挑屋盖的衰减系数。为验证所提出风压谱模型的有效性及特征湍流对风致效应的影响,对系列悬挑屋盖结构进行风振响应分析,风荷载时程分别采用风洞试验测得的风压时程、基于建议风压谱模型模拟生成的风压时程、按拟定常假设生成的风压时程。基于建议模型得到的响应结果与试验结果基本一致,基于拟定常假设的风振响应极值偏小10%～15%,均方根值偏小30%～40%,脉动风压谱建模中不可忽略特征湍流的影响。     

环状大悬臂挑篷风载特性与风场绕流分析

基于FLUENT软件并引入k-ε湍流模型,对环状大悬臂挑篷屋盖风载和风场进行模拟分析。数值计算分析风向角、屋盖倾角、看台后部通风率、挑篷开洞、有无后挑等参数对挑篷屋盖风压分布的影响;针对屋盖周围气流的绕流特性,分析设置屋盖竖向气动导流板和在挑篷外环边缘附近开洞对降低屋盖负风压的作用。研究结果表明：无论风向角如何变化,水平挑篷屋盖上风压均以吸力为主,较高的吸力分布在迎风的前缘位置;屋盖倾角宜设在 0°~15°范围,过大或过小均不利于结构抗风;增大结构迎风面的通风率有利于减小水平屋盖的平均风压;屋盖是否后挑对水平屋盖上表面的风压影响较小;增设屋盖竖向导流板可减低水平屋盖前缘局部极值风压;在环状挑篷外环边缘附近开洞可较明显减小屋盖风压。     

檐口形状对低矮房屋屋面风压分布的影响

基于计算流体动力学（CFD）和剪切应力输运（SST）k-ω湍流模型,对带不同尺寸檐口低矮房屋的屋盖风压进行了数值模拟计算.首先,对TTU建筑模型屋盖体型系数进行数值计算,并与其他文献的结果进行对比吻合较好,验证了本文计算方法和湍流模型参数选取的合理性.然后,基于此方法研究不同尺寸檐口对低矮房屋屋面体型系数分布情况,总结出檐口尺寸对屋盖体型系数变化的规律,优化其抗风性能,研究结果可为该类建筑的工程抗风设计提供参考.     

工业厂房屋面脉动风荷载及干扰效应试验研究

随着工业厂房构件的轻型化,厂房屋面受脉动风荷载作用极易发生破坏。通过对某实际厂房刚性模型进行单体与典型干扰工况条件下的风洞测压试验,得到屋面的脉动风压。首先,分析不同工况时的屋盖纵横向端部与中部的测点脉动风压分布规律,对比无干扰工况与干扰工况条件下的屋盖表面脉动风压分布;其次,考察不同干扰距离受扰厂房与无干扰厂房屋盖表面典型测点的功率谱;最后研究屋盖整体升力系数的脉动值、极小值与极大值。结果表明,风向角与干扰距离极大地影响风压脉动值。角部测点与中部测点脉动风压在45°风向角时最大;而纵墙边沿测点的脉动风压系数在90°风向附近最大。干扰距离越小,对脉动值影响越大。处于屋盖表面不同区域的测点功率谱表现出不同形态,干扰对不同位置测点的作用效应不同,对不同频段的能量影响也不同。干扰工况对升力系数最大脉动值与最不利极小值表现为遮挡效应,而对最不利极大值起放大效应。给出不同干扰工况时的屋盖升力系数的脉动值与极值干扰因子,以供工程实际设计参考。     

超强台风作用下低矮建筑屋盖风压非高斯特性研究

在强风作用下,低矮建筑屋盖表面风压会呈现明显的非高斯特性,在计算极值风压时会产生较大误差。通过上海东海岸边的现场实测试验,对台风"梅花"作用下足尺低矮房屋屋盖表面风压的风压时程、概率密度分布、偏度与峰度以及峰值因子进行了研究,并将部分实测成果与1∶30刚性模型风洞试验结果进行对比分析。结果表明:部分区域低矮建筑屋盖表面风压时程带有大幅度的间歇脉冲,其概率密度表现为明显的非高斯分布;在风向接近的工况下,实测和风洞试验得到的偏度、峰度等值线图在趋势上基本接近,但数值上存在一定差异;经过对比发现,偏度与峰度之间的关系在实测和风洞试验中基本一致,并且受风向变化的影响较小;另外,通过现有峰值因子取值的分析,得到了99.38%保证率下非高斯风压的峰值因子,发现实际应用中峰值因子的取值偏小,应适当提高我国荷载规范对于低矮建筑峰值因子的取值。     

屋盖倾角对悬挑曲面屋盖风压特性的影响

以体育馆的悬挑曲面屋盖为研究对象,基于风洞试验测试了三种不同倾角屋盖的风压特性,对比分析了屋盖倾角对风压分布及平均、极小风压系数的影响。结果表明:屋盖倾角变化对其平均和极小风压系数的影响显著,尤其是受锥形涡或分离、再附流影响的屋盖局部区域,但风压变化规律受测点的相对位置、屋盖跨度、初始倾角等影响;三种不同倾角屋盖的最不利风压系数极值均位于屋盖角区前端,屋盖倾角渐次增大后的模型M2、M3,其最不利平均风压系数极值较模型M1分别增大7.1%、13.8%,最不利负风压系数极值较模型M1分别增大15.0%、11.0%;受锥形涡分离再附主导影响的屋盖角区,随屋盖倾角增大,其迎风边缘与再附区的风压系数整体上变化趋势一致,即最不利平均风压系数逐渐增大,最不利负风压系数先增大而后少许减小;受分离流或再附流主导影响的其他屋盖区域,其最不利平均、负风压系数随屋盖倾角变化的规律性较差,需分区单独分析。     

鱼形屋盖结构风荷载特性的试验研究

以海南石梅湾游艇会所为工程背景,进行了刚性模型同步测压风洞试验,研究了单体建筑与两栋建筑有相互干扰影响时的鱼形屋盖屋面平均与脉动风压系数、屋盖局部体型系数以及屋盖整体升力系数分布特性,并进行了详细的对比分析研究.研究结果表明:屋盖表面主要呈现负风压(风吸力),在迎风屋檐气流分离较大,风压变化明显,出现较大的负风压系数;当来流顺沿尾部贯通的连廊吹来时,增强的气流对屋盖下表面产生向下的吸力,且这股吸力要大于上表面向上的吸力,屋盖上下表面风压叠加后使该处屋面呈现一定的正风压;干扰建筑的存在对屋面全风向局部体型系数和屋盖整体升力系数有一定的遮挡效应.所得结论对复杂体型屋盖结构的抗风设计具有参考价值.     

湍流边界层中低矮建筑绕流大涡模拟

通过对平板湍流边界层进行大涡模拟,采用拟周期边界条件维持湍流边界层厚度稳定,提取速度和压力时程作为低矮建筑绕流模拟之脉动入流边界条件,研究脉动入流下的低矮建筑绕流特性。研究结果表明：入流边界特性对网格变化适应性良好,其平均速度剖面、湍流强度、流速频谱特性基本符合空旷地貌风场特性;脉动入流下,建筑表面的平均风压系数、脉动风压系数的计算结果与风洞试验结果基本吻合。受雷诺数及湍流强度的影响,流动分离区负压与试验值存在一定差别;屋盖上分离区风压时程具有非高斯概率特性,尤以气流分离较剧烈的屋盖迎风边缘及屋盖两侧风压的非高斯特性明显,该特征与风洞试验基本一致;受非高斯特性的影响,建议峰值因子g取4.5~5.5。     

屋盖角部突然开孔的低矮房屋风压特性研究

基于改进的试验装置模拟了低矮房屋模型屋盖角部突然开孔过程,研究了两种风场下瞬时风压变化及稳态阶段的风压特性。发现突然开孔时孔口处外压略有降低,瞬时内压出现脉冲负压和反向正压,导致屋盖整体风荷载发生瞬间突变;内压具有很强的相关性,孔口区域外压与内压相关性最高;内压相干函数曲线峰值与湍流强度密切相关;来流湍流强度较大时,屋盖内压功率谱衰减很快,斜风向下孔口的存在致使孔口区域外压谱能量稍微降低,风压谱能量与湍流强度正相关;在开孔率约4.8%时,屋盖角部开孔导致Helmholtz共振发生,获得的开孔惯性系数比墙面开孔情形大。     

沿海地区索结构体育馆风洞试验与群风效应研究

针对两类屋面型式(上凸型和下凹型)、四种屋盖结构(单层马鞍形索网、轮辐式双层索网、索穹顶、弦支穹顶),设计制作了缩尺比分别为1∶250、1∶200两个试验模型,在B类地貌下开展了60组模型风洞试验,探究了全风向角下两类屋盖结构的风压峰值分布规律,分析了不同风向角、邻近建筑对目标建筑物风压特性的影响规律。结果表明：全风向角下来流方向无邻近建筑影响时,两类屋盖迎风面区域的负风压峰值最大,分别较上凸型和下凹型屋盖中间区域的负风压峰值高约3.0、1.5倍;屋盖中间区域风压峰值分布均匀,以承载负风压为主,仅下凹型屋盖中部出现正风压;风向角对屋盖风压分布的影响主要体现邻近建筑物的干扰上,其对屋盖平均和脉动风压系数的影响以来流方向无邻近建筑时最大、来流方向有邻近建筑时次之、尾流方向有邻近建筑物时最小;屋盖迎风面测点风压概率分布具有明显的非高斯特征,存在极大负压值,而屋盖中间和尾流区域的测点风压具有典型的正态分布特征。