基于大涡模拟的平屋盖锥形涡数值分析研究

采用大涡模拟(LES)对平屋盖建筑受45°风向角作用下的表面风荷载问题进行了非稳态数值模拟分析.通过与风洞试验结果的对比得出,大涡模拟能较好地捕捉到建筑物顶面出现的锥形涡及其特性.在此基础上,研究了锥形涡作用下建筑物顶面平均风压与脉动风压的分布,以及加设分隔挡板和不同高度的女儿墙对屋面风压分布和旋涡强度的影响.研究结果表明,基于Q准则的旋涡判别法可以较好地识别斜风向下屋面形成的锥形旋涡;在背风区锥形涡与侧面脱体涡相互作用并脱落,其影响将反馈至屋面旋涡上导致屋盖两个锥形涡强度以屋面对角线为轴交替波动,此消彼长;屋面女儿墙的存在使得两个锥形涡之间的间隙变窄,旋涡足迹变阔,且屋面峰值吸力随女儿墙高度的增加而迅速减小.     

大跨度斜拉桥主梁气动力特性的大涡模拟

为验证大涡模拟方法在获得桥梁主梁气动力特性上的可行性，开展了均匀流中大跨度斜拉桥扁平钢箱梁在Re=1.27×105下的绕流场三维计算流体动力学分析.大涡模拟方法采用Smagorinsky压格子湍流封闭模型，基于网格和时间步长无关检查确定的计算参数，获得了主梁气动系数统计平均值、脉动值和漩涡脱落St数随来流攻角的变化，表明三维主梁绕流漩涡脱落的频率带宽分布和展向不同步特征.基于主梁表面非定常压力时程的统计平均值和RMS值分布，分析了主梁表面的流动分离和再附特征，并建议了风洞试验测压孔的合理布置形式.与风洞实验相关结果的对比表明，大涡模拟方法是获得桥梁主梁气动力特性和绕流机理的有效方法.     

大跨开合屋盖表面风压特性试验

为了研究大跨开合屋盖风荷载特性以及屋盖开洞对风荷载分布的影响,设计了一个可改变屋盖开合的大跨结构模型,并在大气边界层风洞中开展了不同流场与不同开合工况下的刚性模型测压试验,获得了表面风压分布时程数据。详细分析了建筑表面平均风压系数与脉动风压系数,深入讨论了屋面开合对风压分布的影响。研究结果表明,当来流垂直于屋盖前缘时,形成明显的柱状涡,随着来流角度增大,在屋盖角部形成锥形涡,在45°斜风下锥形涡达到最强;受到特征湍流的作用,均匀流场下屋盖表面的平均风吸力较大;随着湍流强度的提高,受到来流湍流的抑制作用,风压系数有所降低,在C类流场下最为明显;屋面开口降低了孔口附近平均风压,而脉动风压则有所增大。     

锥形流量计尾流流场分析

锥形流量计尾流流场通过差压影响锥形流量计的流出系数,是影响锥形流量计性能的关键指标.为此,使用PIV实验的方法研究DN100口径,β为0.65,前后锥角分别为26.0°和67.5°的锥形流量计尾流流场的速度分布状况.通过PIV实验得到锥形流量计尾流中存在漩涡结构.对比PIV实验和CFD仿真得到的锥形流量计尾流漩涡处的速度分布、漩涡中心得出结论:SST k-ω湍流模型更适合锥形流量计的三维流场的仿真.利用校准后的CFD仿真得到2个规律:经过管道内径的无量纲化以后,锥形流量计尾涡的涡心、漩涡尺寸在4×104~3×105的入口雷诺数范围内仅与β相关;在此入口雷诺数范围内,同一锥形流量计的尾涡涡心的位置和漩涡长度保持稳定.     

突然开孔对平屋盖结构静动力风荷载的影响

采用刚性模型和气动弹性模型风洞试验,研究迎风面突然开孔对平屋盖结构静动力风荷载的影响.根据试验结果,分析了开孔前后平屋盖结构的平均风压系数、均方根风压系数和风振响应的变化规律,提出了开孔结构平屋盖净风压的计算方法,以及平屋盖风振系数的简化处理方法.研究表明:迎风面突然开孔会大幅增大平屋盖结构的静动力风荷载,在结构设计中必须考虑内外压的联合作用及相应的风致动力效应,但静动力风荷载的比值变化不大,因此仍可沿用封闭结构的风振系数.     

锥形超高层建筑横风向风荷载模型

采用同步测压技术,进行了不同锥率的超高层建筑刚性模型风洞试验,根据试验结果得到了该类建筑物的横风向风荷载数学模型.根据作用机理,通过在已有矩形超高层建筑横风向风荷载功率谱模型中增加紊流机理项的方法,给出了精细化拟合公式,修正后的横风向风荷载功率谱模型在工程结构一般频率范围内与试验结果吻合较好.锥率没有改变超高层建筑横风向风荷载相干函数的频谱特性,已有超高层建筑相干函数模型对锥形超高层建筑仍然适用.本文提出的锥形超高层建筑横风向风荷载模型能够用于确定该类结构的横风向风致效应.     

基于LES的圆柱尾流漩涡特性分析

为研究大涡模拟(LES)方法在圆柱绕流和模拟大尺度和小尺度波动的适用性,采用Smagorinsky-Lilly模型对亚临界区7种雷诺数(Re)情况的圆柱绕流进行数值模拟,计算出其阻力系数(Cd)和Strouhal数(St),并针对Re=3 900情况进行深入分析,给出其漩涡脱落的过程和速度的功率谱曲线.研究结果表明:计算所得Cd和St均与以往实验值符合较好,能较好模拟圆柱绕流尾涡周期性脱落过程;采用LES方法不仅能精准地捕捉到圆柱绕流漩涡脱落的无量纲频率0.215,而且能有效反映出圆柱下游回流区长度在大时间尺度上的周期性变化所对应的频率0.006 15,这与实验值和直接模拟(DNS)所得频率相符合;对于小尺度的Kelvin-Helmholtz不稳定性,虽能捕捉到波动,其频率为0.641,但与直接模拟结果和实验所得公式的预测结果有一定的差值.     

V锥节流装置内气液分层流动特性数值模拟

针对气液分层流流量在线测量问题,对V锥节流装置内的气液分层流流动特性及其对测量的影响进行数值模拟。研究锥尾尾涡的形成、变化及对流动的影响,结合气液两相流流经V锥的相分布特性,揭示流动特性对差压测量的影响规律。结果表明:V锥锥尾下游形成大尺度的尾流漩涡;分层流来流条件下,尾涡呈现上部大下部小的不对称分布形态,随着表观液速增大,尾涡下游端点向管道下部倾斜越明显;锥尾取压口附近的流动较为稳定,且锥尾取压孔附近液相含量极低,使得低压取压环境较为稳定,进而有利于差压测量。     

不同固结度冻融软土动载下孔压模型试验研究

以冻结温度和融土初始固结度为影响因素,通过室内动三轴试验对地铁循环荷载作用下冻融软土的孔压发展规律进行研究.结合试验数据,建立了考虑冻结温度和融土初始固结度的影响因素的冻融土动孔压累积试验模型.研究表明,冻融作用改变土体内部颗粒联结形式和孔隙结构,导致在循环荷载作用下冻融土动孔压累积速率加快;冻结温度越低,冻融土孔压发展速率越快,且在振动后期的稳定孔压值越高;冻融土初始固结度对孔压发展有影响,初始固结度越高,孔压发展越缓慢,且稳定值越低;低温冻结和低初始固结度的耦合作用加剧了冻融土孔压的累积,使其结构进一步软化.     

不同固结度冻融软土动载下孔压模型

以冻结温度和融土初始固结度为影响因素,通过室内动三轴试验对地铁循环荷载作用下冻融软土的孔压发展规律进行研究.结合试验数据,建立了考虑冻结温度和融土初始固结度的影响因素的冻融土动孔压累积试验模型.研究表明,冻融作用改变土体内部颗粒联结形式和孔隙结构,导致在循环荷载作用下冻融土动孔压累积速率加快;冻结温度越低,冻融土孔压发展速率越快,且在振动后期的稳定孔压值越高;冻融土初始固结度对孔压发展有影响,初始固结度越高,孔压发展越缓慢,且稳定值越低;低温冻结和低初始固结度的耦合作用加剧了冻融土孔压的累积,使其结构进一步软化.     

大型机库屋面风荷载特性研究

通过风洞模拟实验对某大型机库平面屋顶风荷载进行了研究。结果表明,在一定风向角下屋面出现的单个或一对锥形涡流动结构诱导的局部极大负压峰值是导致屋面破坏的主要原因,女儿墙能稍微减小屋面的风压分布。分析了由于锥形涡引起的屋面平均风压和瞬时脉动风压的特点及其相互关系,讨论了实验获得的脉动压力和按规范计算的差别和原因。     

含 檐 口 双 坡 屋 面 风 压 风 载 的 数 值 模 拟

摘要： 基于雷诺时均N S方程和Spalart Allmaras湍流模型,运用稳定化流体有限元法数值模拟含檐口双坡低矮屋面的风压分布和风载体型系数,分析了檐口的竖向高度和外伸长度及屋面坡度等关键参数对屋面风载体型系数和周围流场的影响.结果表明：檐口竖向高度对屋面风压分布和风载体型系数的影响较大;水平外伸檐口自身承受的吸力较大,而其长度对屋面风载体型系数影响较小;同时设置竖向和水平檐口时,对屋面风载体型系数的影响明显.     

典型双坡屋面风压分布特性风洞试验研究

通过表面压力测量风洞试验对低矮建筑的4种典型双坡屋面上的风压分布规律进行了研究.讨论了屋面和挑檐部分的平均和脉动风压系数在不同风向角下的分布特性,风场湍流强度对屋面脉动风压分布的影响,以及不同挑檐类型对双坡屋面风压空间分布的影响.试验结果表明:在屋脊及屋面边缘附近的平均风压系数绝对值要比屋面内部区域大;脉动风压系数随湍流度增大而增大,一般在迎风屋檐附近比较大;挑檐形式的改变仅对局部风压系数的影响较大,对整体风压系数的影响较小.这些结论为低矮建筑风荷载规范条文的修改提供了参考.     

周边建筑对低矮建筑平屋盖上风压的干扰效应

通过刚性模型测压风洞试验对被同类周边建筑所包围的低矮建筑表面风压系数进行了测量,分析了周边建筑的建筑面积密度对目标建筑平屋盖风压系数分布状态的影响规律.试验结果表明:当低矮建筑被同外形、同高度的周边建筑包围时,随着周边建筑面积密度的增大,被包围建筑屋盖上斜风导致的锥形涡将逐渐消失,屋盖上不同部位的负风压极值将逐渐减小并趋于均一;当周边建筑面积密度分别为0.1,0.3和0.6时,被包围建筑屋盖上的最大负风压可分别减小为孤立建筑的80%,30%和20%.     

某低矮模型房屋实测风场和风压的相关性研究

基于台风"菲特"影响下温州某低矮房屋的环境风场实测数据及该建筑物屋盖上的风压实测数据,对于风场特性和屋盖风压特性参数进行了计算分析.分析结果表明:随着平均时距的减小,平均风速最大值增大;湍流度随着平均风速的增大呈逐渐减小的趋势;建筑物屋面及屋面屋脊边缘处的平均风压均为较大的负压且脉动较大;根据风速和风压的变化趋势可以看出,风场风速与建筑物屋盖上风压呈现明显的相关性,进而在不同的时距条件下对风场风速与屋盖风压的相关性进行了分析,发现取5min为基本时距时风速与风压的相关性系数值较高,说明在确定结构的风荷载时取基本时距为5min更为合理.     

大跨度平屋面结构的气动抗风措施及其机理分析

通过综合一些典型大跨度平屋面结构的风洞试验结果,分析了这种结构风敏感方向的风压分布特征及其产生机理.用频域相干分析法间接地证实了锥形涡的存在,并指出它是造成此类结构角区附近负压显著偏大的主要原因.针对此类结构的风压分布特征,提出了气动抗风措施.试验结果显示它可以干扰锥形涡的形成,大大削减风敏感部位的风荷载值,使平均局部体型系数降低约50%.     

低矮房屋屋面实测峰值风压分析

通过作者研制的一套可移动实验房及测试系统对近地登陆台风风速和房屋表面风压进行同步观测,研究登陆台风近地边界层风场和低矮房屋风效应.基于0801"浣熊"台风实测数据,分析了实验房屋面角部区域局部峰值负压分布特征和相关性,探讨了角部区域峰值压力时间和空间的平均拆减效应.结果发现,峰值负压系数大于现行规范规定值;并运用广义极值概率模型极值III型对角部测点峰值负压进行极值分析,角部测点峰值负压系数与其实测峰值负压相比要大26.4%.相对良态天气条件,在台风天气作用下低矮房屋屋面角部区域局部易形成较高吸力远大于现行规范推荐值.     

不同风场下开、闭鞍型屋盖脉动风压特性分析

在B类和D类风场条件下,对底部开敞和封闭的鞍型索网屋盖刚性模型进行了风洞测压试验.根据同步测量的风压数据,分析了不同风场条件下这两类鞍型索网屋盖上的脉动风压的分布规律及相互关系;通过对开敞和封闭的鞍型屋盖表面脉动风压功率谱及风压时程的对比分析,考察底部开敞对鞍型屋盖脉动风压分布特性的影响规律.风场对脉动风压系数分布有较大影响;脉动风压的分布类似于平均风压场的分布规律;底部封闭鞍型索网屋盖的脉动风压能量主要集中在折减频率小于0.3范围内,而底部开敞鞍型屋盖脉动风压的高频段能量高于底部封闭情况.     

低矮带檐口曲面四坡建筑屋面风压数值模拟和抗风优化

采用Fluent软件与RNG(Re-normalization group) k-ε湍流模型,数值模拟我国东南沿海地区常见的一类带檐口低矮曲面四坡屋面的风压.重点分析了屋面坡角、风向角、檐口类型等参数对四坡屋面平均风压及周围风场的影响.研究表明,上述参数与屋面风压都密切相关.随屋面坡角增大,迎风屋檐处峰值风吸力减小,背风面风吸力增大;配置檐口可显著改变屋面子块区域的平均风压系数,从而使屋面抗风性能得到优化.