大涡模拟中入流边界脉动风速模拟相关参数取值分析

大涡模拟中入流边界条件脉动风速的处理对计算流体动力学的数值模拟结果的正确性和精度有着至关重要的影响,文章对在运用DSRFG法生成湍流脉动风的算法中,研究了几个相关参数(包括脉动风速能量谱离散化的区间样本数Kmax,能量谱密度模拟所选取三角级数向量组的个数N,空间尺度参数因子θ1和时间尺度参数因子θ2)的数值选取,对入流脉动风速功率谱和脉动风速竖向空间相关性模拟结果的影响.模拟计算结果表明:相对于其他3个参数,空间尺度参数因子θ1的选取相对比较离散.结合DSRFG算法和文章提出的最佳参数取值,模拟得到与实际大气风场特性吻合较好的冯卡门谱及其竖向相关特征.     

大跨度屋盖风荷载的大涡模拟研究

应用一种新的湍流脉动流场产生方法DSRFG(discretizing and synthesizing random flow generation)模拟风场实际的湍流边界条件.采用一种新的大涡模拟LES(Large Eddy Simulation)的亚格子模型,基于linux系统下软件平台Fluent6.3的并行计算技术,计算了长沙机场扩建航站楼屋盖结构在5个风向下的风荷载.根据对机场屋盖的平均风压和脉动风压系数分布规律的分析,给出了各风向角下屋面的表面风压分布特性和最不利风向角,为长沙机场扩建航站楼的抗风设计提供了依据.并为进一步发展此类复杂建筑结构在复杂湍流环境下的风荷载数值风洞技术提供参考.     

坡地高层建筑非稳态雷暴冲击风荷载特性研究

目前结构风工程对于雷暴冲击风风荷载的研究多局限于稳态冲击射流模型,较少考虑风速随时间的变化以及坡地地形等因素的影响.基于冲击射流模型,引入衰减函数使得射流的入口风速更加接近真实的雷暴冲击风整个生命周期的衰变过程,并通过瞬态大涡模拟(LES)分析了坡地地形中坡顶位置处典型高层建筑的建筑风荷载特性及坡地地形雷暴冲击风场特性.结果表明,LES瞬态模拟具有较高的可靠性,非稳态冲击风场的风速波动较大,变化规律与实测的下击暴流风速曲线类似;建筑表面的风荷载具有强烈的非平稳特性,且随着风速迅速衰减;非稳态冲击风的风荷载波动大且潜在破坏能力更强;坡地地形下建筑迎风面风荷载普遍比平地小,且对建筑中上部的影响明显要大于底部,随着起坡角度的增大,建筑中上部风荷载逐渐减小.     

大跨拱形结构等效静力风荷载

基于计算流体动力学(CFD)方法和有限元动力时程分析法,数值模拟脉动风特性,获取脉动风速时程,以此作为数值风洞模拟的入口边界条件.运用FLUENT软件对大跨拱形结构进行脉动风作用下结构的非稳态分析,得到作用于结构的时程风压荷载;运用ANSYS分析软件进行结构的风振响应计算,分析获得了基于结构风振响应时程的等效静力风荷载.提出多目标等效静力风荷载加权组合系数的定义,计算获得了大跨拱形结构的多目标等效静力风荷载,并验证了其计算精度.研究结果表明,在基于该方法所得等效静力风荷载作用下,结构静力响应计算结果与风振动力时程响应极值吻合.     

煤矿井塔结构在脉动风荷载作用下的响应分析

文章简述了风荷载特性与脉动风荷载的风速时程自回归(autoregressive,简称AR)数值模拟方法,模拟了给定风速功率谱的风速时程序列,并验证其与目标谱的一致性,从而得到作用在结构模型各节点上的脉动风荷载时程样本。以某煤矿井塔结构为例,用有限元分析软件SAP2000建立其有限元模型,并用Matlab获取了井塔结构迎风面各节点上的风荷载时程信号作为动力输入。利用SAP2000软件对结构进行模态分析,并基于时程分析方法计算结构在脉动风荷载作用下的风振响应。结果表明,AR模型能有效地模拟具有空间时间相关性的节点脉动风速时程,可为结构的安全性设计或结构的改造提供参考和依据。     

基于谐波合成法的大涡模拟脉动风场生成方法研究

为准确模拟大涡模拟入口处的脉动信息,在充分考虑脉动风场的功率谱、相关性、风剖面等参数前提下,运用谐波合成方法生成了满足目标风场湍流特性的随机序列数,通过对FLUENT软件平台进行二次开发,将生成的随机序列数赋给大涡模拟的入口边界,从而实现了大涡模拟的脉动输入.基于风洞试验数据,分别建立了两种模拟脉动风场的数值模型,一为没有任何障碍物的空风洞,运用谐波合成方法生成的随机序列数作为入口边界来生成脉动信息;二为与真实风洞一致的尖劈粗糙元风洞,采用平均风作为入口边界,利用尖劈粗糙元对风场的扰动来产生脉动信息.通过对比两种数值模型发现:基于谐波合成方法生成的脉动风场可作为大涡模拟的入口边界,可为大涡模拟脉动入口研究提供参考.     

某高层建筑风致振动惯性力的试验研究

利用高频天平,通过缩尺比为1：500的模型风洞试验,测量了在16个来流风向下某高层建筑模型底部的风荷载．根据试验结果,计算了该高层建筑的风致动态响应;结合当地的气象风速资料,并通过概率分布计算,给出了50a重现期风速下的风致振动惯性力最大值,从而为该高层建筑的设计提供了风荷载依据。     

风力发电塔架脉动风速时程模拟及其受力分析

简述了应用谐波合成法中的自回归模型(AR)模拟出给定风速功率谱的风速时程序列,并验证了其与目标谱(Davenport谱)的一致性,进而得到作用在各节点的脉动风荷载时程样本的方法.本文采用线性滤波法,建立了脉动风速时程的AR模型,编辑出脉动风速时程模拟程序,对某风力发电塔架进行脉动时程分析,验证了该脉动风速时程模拟的可行性与有效性,并根据所模拟的脉动风对风电塔架进行了受力分析,分别对气动推力与脉动风对塔架顶部位移所产生的影响以及其筒体应力分布规律与大小进行了研究.     

高耸结构随机风荷载的数值模拟

风荷载是高耸结构设计计算的主要控制荷载,在随机风荷载作用下结构的动力响应直接影响结构的安全性和可靠性,因而高耸结构的风荷载数值模拟是非常重要的.针对脉动风风速的频谱特性和高耸结构风荷载的空间相关性,文章提出了一种新的高耸结构脉动风荷载的数值模拟方法.脉动风速的频谱特性用线性滤波器逼近,首先通过求解脉动风速自相关系数的Toeplitz方程得出该滤波器的控制参数初步近似值,再通过迭代进行优化,以Gauss白噪声作为输入,经过该滤波器滤波,即可生成具有所需功率谱的脉动风风速时程.考虑风荷载的空间相关性,最终给出了高耸结构脉动风荷载的时程.详细介绍了上述算法的理论和数值模拟方法,并讨论了滤波器阶数以及迭代算法控制精度的影响.结合电视塔结构,给出了具体的算例.     

大跨度悬索桥随机风场的模拟研究

利用改进的线性滤波器法模拟具有空间相关性的脉动风荷载,给出了用该方法模拟脉动风荷载的步骤.利用MATLAB编写了模拟的具体程序,并把程序应用于鼓山大桥脉动风荷载模拟,将模拟值与目标值进行校验.结果表明,模拟的效果较好,可满足工程实际的需要.     

基于分离涡方法的标准CAARC模型流固耦合风致响应分析

为了研究流固耦合效应对高层建筑结构的风致响应影响,以标准CAARC高层建筑模型为研究对象,基于CAARC模型的物理特性建立了气弹性模型,用一种新的湍流脉动流场产生方法(DSRFG)生成入口湍流,采用分离涡方法对该建筑进行了单、双向流固耦合数值风洞模拟。将模拟结果与风洞试验结果进行对比,结果表明：结构的气弹特性与风洞吻合,分离涡方法在模拟非定常风场有较强的适用性和准确性。考虑了流固耦合的双向有限元模型与未考虑流同耦合的单向有限元模型,在流场和风致响应方面均有较大差异,流场方面,双向模型比单向模型有着更广泛的近尾流区域;响应方面,除阻力系数外,双向模型较单向模型响应有减小趋势,其中结构顺风向也更易受流固耦合效应影响。在较低的结构阻尼下,耦合效应产生的气动阻尼对结构响应影响较大,高层建筑流固耦合效应不可忽略。     

大型风力机塔架在脉动风下的动力响应特性研究

采用Kaimal脉动风功率谱,考虑脉动风的空间相关性,采用AR模型模拟风电场脉动风速时程,并验证脉动风速谱与目标谱的一致性;通过有限元方法计算风力机塔架结构在风载荷作用下的动力响应特性。计算结果表明:AR模型对实际风场风速进行有效模拟,考虑脉动风的影响,塔架的风振响应显著增加;随着风速的增加,塔架的振动也随之增加,这为风力机塔架的风致响应分析和抗风研究提供了实用方法。     

基于AR模型方法的多维脉动风荷载时程的模拟

研究了脉动风荷载基于AR模型的数值模拟方法。依据脉动风荷载的功率谱密度函数,探讨了AR模型方法实现考虑空间相关性影响的水平脉动风荷载的模拟方法。算例表明,该方法计算简洁高效,模拟结果能够精确反应脉动风的频谱特性。     

基于层内力等效的偏心高层建筑三维等效静力风荷载

对于质心和刚心不重合的偏心高层建筑，由于结构三维振型耦合与气动力耦合等因素的影响，其等效静力风荷载的评估变得十分复杂. 基于振型加速度法，推导了考虑三维气动力耦合和振型交叉项贡献的偏心高层建筑各层拟静力项和惯性力项内力（剪力和弯矩）响应计算方法. 在此基础上，基于各层内力响应等效，建立了能合理反映荷载沿高分布信息的结构三维等效静力风荷载评估方法. 随后，结合3种典型矩形截面高层建筑刚性模型测压风洞试验，分析了荷载相关性、结构偏心率和截面长宽比对偏心结构三维等效静力风荷载的影响. 研究表明：对于偏心截面高层建筑，振型交叉项和荷载相关性对结构风致响应与等效静力风荷载的贡献不可忽视，若忽略两者则会低估偏心高层建筑三维等效静力风荷载，特别是扭转向等效静力风荷载. 此外，偏心率和截面长宽比同样影响偏心高层建筑等效静力风荷载的大小和分布情况. 相关研究可为偏心高层建筑的抗风设计提供一定的指导.     

基于可靠性理论的桅杆焊缝风振疲劳分析

根据某一地区风荷载的分布规律 ,得到不同方向不同风速的累积时间 ,模拟风压脉动时程曲线 ;建立桅杆结构的空间有限元模型 ,计算结构在风荷载作用下的响应 ;得到不同方向不同风速作用下纤绳节点板焊缝的应力循环次数和应力幅 ;根据Miner线性累积损伤准则 ,得到总应力循环次数和等效应力 ;以节点焊缝的极限疲劳循环次数作为随机变量 ,基于可靠性理论 ,计算得到不同服役期节点焊缝的疲劳可靠性 .     

基于均匀设计的海峡两岸高层建筑顺风向风荷载多因素分析

为明确海峡两岸高层建筑顺风向风荷载的异同,对两岸建筑风荷载标准进行了对标分析,并采用均匀设计方法进行了高层建筑顺风向风荷载多因素分析。研究表明:两岸风荷载标准中基本风速取样方法和极值分布参数取值方法存在明显区别,风压高度变化系数分布和不同重现期的设计风速转换系数大致相同,台湾标准给出的湍流强度建议值明显大于大陆标准;台湾标准分类计算建筑物主体和围护结构的设计风压,大陆标准采用统一表达式,两者给出的设计风荷载组合方式区别明显;以基底剪力和基底弯矩作为评价指标,H/(BL)(1/2)(高宽比)、α地面粗糙度指数)、C_g(脉动效应系数)、C_p(风荷载体型系数)和I_z(湍流强度),对高层建筑顺风向风荷载的影响程度依次减小,H/(BL)(1/2)和α为主要影响因素;随H/(BL)(1/2)的增大,C_g对顺风向风荷载的影响逐渐增强,当H/(BL)(1/2)增大到一定程度时,C_g成为主导因素。     

多幢高层建筑间风场数值模拟和风灾分析

基于Fluent 6 软件平台,对上海市某住宅小区多个高层建筑的风场进行三维数值模拟研究.首先采用英联邦航空咨询理事会(CAARC)标准模型进行可行性验证,然后对该小区风场及建筑物的风场进行了数值模拟,发现并分析了该实际建筑规划中的"喇叭口"风效应.最后,讨论了街区群楼间高度、风向、风速及建筑布局等因素的改变对风场和荷载的影响.研究表明,合适改变建筑布局、增大间距以及高度差能有效减小风荷载.     

格构式塔架顺风向脉动风荷载空间相关性研究

为了研究格构式塔架顺风向脉动风荷载的空间相关性,选取2段典型的格构式塔架节段模型,采用2个高频测力天平同步测力风洞试验技术,得到了不同水平距离和竖向距离情况下的模型基底剪力和弯矩的风荷载时程.在此基础上,通过数据处理分析,得到了各工况下塔架的顺风向风荷载相干函数.试验结果显示:格构式塔架顺风向风荷载相干函数与频率,水平距离和竖向距离等参数有关;结构顺风向风荷载相干函数与顺风向风速以及高层建筑等结构的风荷载相干函数存在一定差别.最后,采用最小二乘法,拟合得到了格构式塔架顺风向风荷载相干函数经验公式,试验结果与经验公式吻合较好,可为格构式塔架风荷载及风致响应计算提供有用的参考.     

稳态冲击风作用下高层建筑风荷载特性试验研究

雷暴冲击风风场与大气边界层风场差异较大.为研究雷暴冲击风作用下高层建筑风荷载特性,采用静止型冲击射流装置模拟稳态雷暴冲击风风场,进行高层建筑刚性模型测压试验,讨论了不同径向位置处高层建筑局部和整体风荷载时域和频域特性.结果表明:建筑表面平均风压最大值出现的位置与径向风速峰值一致.同时,迎风面风压最大值出现在底部,明显不同于大气边界层风场中最大值靠近顶部位置的风压分布特性;径向层风荷载均值最大值出现在建筑中部,横风向和扭转向层风荷载均值为0.径向和横风向层风荷载谱沿高度不变,而扭转向层风荷载谱沿高度变化明显.     

风向对某超高层建筑等效静风荷载的影响

风向和平均风速联合分布是风荷载的基本特征之一,本文研究风向对某超高层建筑等效风荷载的影响,主要包括以下三个部分:(1)获取建筑物所在地区气象站的风向风速气象资料,并统计得到各个风向上的设计风速;(2)对某超高层建筑进行36个风向角下的刚性模型同步测压风洞试验,试验中模拟了周围建筑对超高层建筑的干扰作用;(3)结合各个风向上的设计风速,基于风洞试验结果,用随机风振理论计算超高层建筑的等效风荷载.本文得到的结论为超高层建筑设计提供参考.