基于大涡模拟的CAARC模型角区开槽气动优化研究

超高层建筑属风敏感结构,对建筑外形进行适当气动优化可有效降低结构风荷载及风致响应。基于大涡模拟(LES)方法,采用一种新的入口湍流生成方法——NSRFG(narrow-band synthesis random flow generation)方法,进行超高层建筑标准模型(CAARC)角区开槽的气动优化研究。首先进行了CAARC高层建筑标准模型绕流模拟,并将模拟结果与风洞试验结果对比,以验证NSRFG方法的适用性;然后以CAARC模型为基础,设计了4种开槽气动优化方案,通过LES模拟得到基底弯矩功率谱,以估算建筑顶部位移响应和顶部峰值加速度响应。结果对比显示：对于矩形截面高层建筑标模,无论原型还是4种开槽气动优化方案,横风向脉动响应和峰值加速度响应整体比顺风向大;与全封闭原型相比,采取不同开槽方案均能降低顺风向和横风向风振响应,其中角区开槽对顺风向响应的优化效果最好,周向开槽对横风向响应的优化效果最好;4种开槽方案对于横风向响应的优化效果明显优于顺风向,其中相对而言周向开槽优化效果相对最好,使横风向脉动位移响应和横风向峰值加速度响应分别降低28.4%、32.8%。因此,从减小矩形截面超...     

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。     

基于六旋翼无人机搭载风速仪的典型建筑绕流实测

基于无人机搭载风速仪对边界层内典型建筑的绕流风场风特性进行了实测研究，分析了平均风速、湍流度、脉动风速功率谱等风场风特性参数。分析结果表明：基于无人机实测拟合的建筑来流剖面粗糙度指数为0.2796，处于GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》中的C类地貌与D类地貌之间；来流处顺风向和横风向脉动风速功率谱与Karman谱较为吻合，横风向脉动风速功率谱峰值能量略高于经验谱。本次实测建筑高度为82.45 m，现场实测表明在60 m和80 m高度平面的绕流风场特性受建筑影响较为明显，受影响区域主要为建筑两侧靠近建筑的区域以及尾流中间段区域，这些区域测点的平均风速较之来流减小，顺风向和横风向湍流度较之来流增大；受建筑影响区域的顺风向和横风向脉动风速功率谱峰值具有向高频段移动的趋势；而在100 m、120 m高度的现场实测表明，这两个平面绕流风场特性受建筑影响较小。     

高层建筑横风向风致响应及等效静力风荷载的分析方法

高层建筑横风向风致响应和等效静力风荷载是风工程和结构工程领域关注的问题。基于既有高层建筑横风向气动力和气动阻尼研究成果,推导出一套高层建筑横风向风致响应及等效静力风荷载的计算方法。该方法考虑了广义气动力的振型修正、气动阻尼及背景分量对风致响应的影响。通过算例与日本AIJ(2004)推荐的横风向荷载的计算方法进行了比较,显示了本计算方法的便捷性和结果的准确性,并分析了振型修正、气动阻尼和背景分量等因素对计算结果的影响。     

超高层建筑风荷载和效应控制的研究及应用进展

随着建筑高度的增加,结构的风荷载和风致效应更加显著,成为影响超高层建筑安全性、居住者舒适度、建筑结构造价的主要因素之一,所以对超高层建筑风荷载和效应的控制尤为重要。控制超高层建筑风荷载和效应常用的方法主要有空气动力学措施（简称气动措施）和安装辅助阻尼系统。本文总结了各种气动措施对超高层建筑横风向、顺风向、扭转方向荷载和效应控制以及局部风压控制的研究现状,简要介绍辅助阻尼系统控制高层建筑风致振动的研究现状,给出了气动措施和辅助阻尼系统措施在典型超高层建筑的风荷载和效应控制的实例,最后提出了今后相关研究中值得关注的问题。     

外附网架对高层建筑主体结构风荷载的影响

基于刚性模型的高频天平测力风洞试验,对一外附网架的超高层建筑的基底弯矩和扭矩特性进行了分析,详细讨论了复杂的周边建筑环境和外附网架对近似椭圆形截面目标建筑的整体气动力特性的影响。研究结果表明,复杂周边建筑对目标建筑的气动力均值的影响主要表现为遮挡效应,但在一定条件下可能放大目标建筑所受到的脉动气动力;建筑两侧面绕流区的外附网架所受切向气动力使建筑顺风向气动力均值及脉动值增大,增大的程度与阻挡气流绕流的外附网架面积大小相关;外附网架对建筑表面粗糙度的改变使建筑两侧气流的旋涡脱落强度削弱,导致横风向脉动气动力减小,但对横风向脉动气动力均值没有影响;周期性旋涡脱落引起的外附网架上的脉动风力将部分抵消主体结构上的涡激力脉动导致的结构气动扭矩脉动值,对气动扭矩均值没有明显影响。这些结论为高层建筑的设计提供了参考。     

矩形超高层建筑横风向脉动风力,Ⅱ:数学模型

系列文章的第一部分总结了矩形截面高层建筑横风向脉动风力的基本特征。在此基础上,采用非线性最小二乘法,以风场类型及厚宽比为基本变量,对横风向脉动风力根方差系数、竖向相关系数以及功率谱密度进行拟合,得到横风向脉动风力的闭合求解公式。最后通过与试验结果的比较,验证了这些公式的精度。运用这些公式,可较为方便地计算矩形截面高层建筑的横风向脉动风力。     

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。     

温州滨海平坦地貌近地台风特性实测研究

为研究温州滨海平坦地貌近地台风特性,在温州滨海建立了风工程实测基地（塔高10 m）,并利用台风"菲特"和"麦德姆"登陆过程中不同高度处风速及风向实测数据,研究了10 m高度范围内的平均风速和风向角、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度和功率谱密度等风特性参数。结果表明:离地10 m高度范围内,实测风速剖面系数明显大于该地貌的规范取值,风速平均值和最大值均明显小于国家规范计算值;不同高度处横风向与顺风向湍流度比值随着高度减小而增大,实测湍流度与我国规范取值差异较大;顺风向,湍流积分尺度与平均风速之间的线性规律较好,随着高度增加湍流积分尺度离散性变大,湍流积分尺度的中位数与平均值差别不大,均小于日本规范;顺风向和横风向脉动风速功率谱有一定的变化,峰值频率和峰值都很接近,实测脉动风速的功率谱与Von Karman谱在数值上有一定的差异,但变化趋势基本一致。     

温州滨海平坦地貌近地台风特性实测研究EI北大核心CSCD

为研究温州滨海平坦地貌近地台风特性,在温州滨海建立了风工程实测基地(塔高10 m),并利用台风"菲特"和"麦德姆"登陆过程中不同高度处风速及风向实测数据,研究了10 m高度范围内的平均风速和风向角、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度和功率谱密度等风特性参数。结果表明:离地10 m高度范围内,实测风速剖面系数明显大于该地貌的规范取值,风速平均值和最大值均明显小于国家规范计算值;不同高度处横风向与顺风向湍流度比值随着高度减小而增大,实测湍流度与我国规范取值差异较大;顺风向,湍流积分尺度与平均风速之间的线性规律较好,随着高度增加湍流积分尺度离散性变大,湍流积分尺度的中位数与平均值差别不大,均小于日本规范;顺风向和横风向脉动风速功率谱有一定的变化,峰值频率和峰值都很接近,实测脉动风速的功率谱与Von Karman谱在数值上有一定的差异,但变化趋势基本一致。     

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。     

不同立面收缩形式圆角弧边三角形超高层建筑的气动力特性

为探索立面变化对圆角弧边三角形超高层建筑气动力特性的影响,采用风洞试验方法对6种立面收缩形式的建筑物进行了表面风压测试,研究了不同立面收缩形式、不同地貌和风向角情况下建筑三分力系数、横风向弯矩系数功率谱以及层脉动升力系数功率谱的变化特性。结果显示：锥度化和同向退台均可有效降低平均阻力系数、平均升力系数以及脉动升力系数,且降幅随锥度增大而增大,相比之下退台的效果更佳;两种退台旋转可更大程度减小三个平均分力系数和脉动阻力系数,并改变脉动升力系数和脉动扭矩系数峰值所对应的风向范围。随着锥度增大,横风向弯矩系数功率谱峰值频率右移,谱峰降低,采用退台则影响程度更大。退台旋转会使功率谱部分频段的能量明显超过同向退台情况,因为当旋转部分圆角迎风时,在两侧风弧面上加速的气流可对上方相邻退台的漩涡脱落起增强效应。     

独立矩形截面超高层建筑的顺风向气动阻尼风洞试验研究

通过37个超高层建筑气动弹性模型的风洞试验,利用随机减量法从模型的风致加速度响应中识别了气动阻尼,并通过与前人相关研究成果及基于准定常理论的计算结果的比较验证了识别结果的正确性。在此基础上,研究了独立矩形截面超高层建筑顺风向气动阻尼的变化规律,考察了质量密度比、广义刚度、结构阻尼比、高宽比、宽厚比及风场类型对建筑结构气动阻尼比的影响。研究结果表明：超高层建筑顺风向气动阻尼比随折减风速变化的曲线近似一条单调增加的直线;结构阻尼比、质量密度比、宽厚比、折减风速、高宽比是影响顺风气动阻尼的比较重要的参数;广义刚度、风场类型相对影响较小。基于这些研究数据,拟合了超高层建筑顺风向气动阻尼比的经验公式,供工程设计人员参考。     

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。     

强台风下带挑檐双坡低矮房屋风荷载特性大涡模拟方法适用性研究

该文基于相关现场实测和风洞试验结果,对强台风下带挑檐低矮双坡房屋气动荷载特性进行了大涡模拟(Large-eddy simulation, LES)研究。研究了台风脉动风场人工合成方法、近壁区网格划分策略及壁面边界条件等模拟参数对带挑檐双坡低矮房屋风荷载特性影响,定量分析利用大涡模拟预测强台风下低矮房屋屋面风压特性的可靠性,并基于大涡模拟全流场信息分析了低矮房屋周边钝体绕流瞬态特征。研究结果表明:基于CDRFG(Consistent discretizing random flow generation) 人工合成湍流方法可以准确模拟具有高湍流度特性的台风风场,并通过先验的网格划分策略可以实现来流湍流自保持性。大涡模拟能够得到与现场实测及风洞试验较一致的平均和脉动风压系数,且极值风压系数在30%误差范围的可靠度达85%以上。迎风挑檐会导致屋面前缘流动分离提前发生,但对迎风前缘屋面风压分布规律影响较小。挑檐下缘形成的分离泡产生较大脉动吸力,挑檐局部净风压系数未显著增大。该文有助于进一步提升强台风下低矮房屋风荷载模拟的有效性,更加深入的掌握低矮房屋的风致破坏机理,为低矮房屋的抗风设计及抗风性能优化提供重要参考。     

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。     

风场类型对方形超高层建筑顺风向气动阻尼的影响研究

摘要：通过8个典型超高层建筑气动弹性模型的风洞试验,利用随机减量法从模型的风致加速度响应中识别了气动阻尼,并通过与前人相关研究成果及基于准定常理论的计算结果的比较,验证了识别结果的正确性。在此基础上,研究了典型超高层建筑顺风向气动阻尼比的变化规律,考察了风场类型对建筑结构顺风向气动阻尼比的影响。研究结果表明：在I－IV类风场下,建筑结构的气动阻尼比随折减风速增长的速度渐缓;在V－VIII类风场下,风场对顺风向气动阻尼比的影响不是很显著。基于大量矩形截面超高层建筑顺风向气动阻尼特性研究,并结合风场类型的影响,给出相应的经验公式,供工程设计人员参考。     

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。     

一种通用高层建筑模型烟囱效应的数值模拟分析

超高层建筑的烟囱效应问题,是由室内外环境和建筑设计等多种因素引起的一种室内外非受控空气渗透现象。强烈的烟囱效应可能导致电梯营运故障、电梯井道气动噪声及空调能源浪费等问题,当前对于该问题的研究进度远滞后于建设速度。在对10余栋超高层建筑烟囱效应实测研究的基础上,提炼总结其共同建筑设计特征,基于结构风工程中标准高层建筑模型,设计了一种分析室内外空气渗透作用的高层建筑烟囱效应通用高层建筑模型,采用多区域网络模型数值模拟方法进行数值仿真,分析了围护结构气密性等级、首层门厅设计、建筑内部空间分割、外部环境等主要影响因素对电梯门压差分布的影响规律,得出如下结论:相较于短程电梯,通高电梯的电梯门受烟囱效应影响程度最大;除室外环境和电梯井道高度外,建筑幕墙气密性等级、建筑内部隔断设计等因素也影响电梯压差分布;提高幕墙围护结构的密封等级,能有效地削弱烟囱效应的作用强度,降低各层电梯门的压差;首层厅门的设计和状态对烟囱效应影响显著,其开闭状态对首层电梯门压差影响较大;在建筑首层或顶层电梯厅设置前室门后,电梯门压差明显降低;烟囱效应还受室外风场作用的影响,相较于热压作用,风速和风向对建筑烟囱效应压差的影响相对复杂,不同风向和风速的作用规律不同,需要结合实际工程的风气象条件进行具体研究。基于通用高层建筑模型烟囱效应的详细参数分析得出的一般规律,对实际超高层建筑的烟囱效应特性分析以及强烟囱效应的缓解措施具有一定的参考价值。