CAARC高层建筑标准模型下击暴流风洞试验

为研究CAARC高层建筑标准模型在下击暴流作用下的响应,采用所开发的基于边界层风洞的下击暴流出流风速模拟试验装置模拟下击暴流稳态风场和瞬变风场,设计并制作了几何缩尺比为λ_L=1∶200的CAARC气弹模型,分别在下击暴流稳态风、瞬态风以及大气边界层B类风场条件下进行了风洞试验研究.结果表明：所模拟的稳态下击暴流风速剖面与经验风速剖面较为吻合;所模拟的瞬态下击暴流风速时程特性、湍流度与已有文献推荐值总体较为吻合;CAARC高层建筑标准模型在稳态、瞬态下击暴流风场作用下,顶部x、y方向位移时程波动较大,与大气边界层B类风场作用下位移时程存在明显差异.     

下击暴流作用下大跨度平屋盖结构的风荷载分布特性

应用一种下击暴流发生装置,在大气边界层风洞内模拟了适用于大跨度屋盖风洞试验的1∶300比例下击暴流风场。在此基础上,对下击暴流作用下大跨度平屋盖结构的风压分布特征进行了风洞试验,并与常规B类地貌的相应试验结果进行对比。结果表明：在模型区内,下击暴流发生的相对位置对风压系数的影响整体较小;下击暴流作用下平均风压分布与B类风场下的结果基本一致,但极小风压系数绝对值最大值9.85比B类风场的5.54超出77.8%,并且相应脉动风压的功率谱显著高于B类风场的试验结果;B类风场下平屋面的极大风压系数最大值均接近或小于0,但不同风向角的下击暴流风作用下高于0.15的极大风压系数所占的屋盖面积比例处于51%到75%的范围之间,极大风压系数局部最高可达0.35,大范围的较高正压会进一步影响结构的承载力。     

下击暴流作用下平屋面风荷载CFD数值模拟

下击暴流具有与常规大气边界层近地风完全不同的风场特征.基于CFD(Computational fluid dynamics)数值仿真技术,完成了几何缩尺比为1∶2 000的下击暴流过程的数值模拟,并将其风剖面的模拟结果与理论模型进行了对比.在此基础上,研究在下击暴流作用下,将大跨平屋面置于距下击暴流中心不同径向位置时,屋面平均风压系数和速度场的分布规律,并与大气边界层风场中平屋面的风荷载特性进行了对比.结果表明:数值模拟方法能够较好地再现下击暴流的风场特性;下击暴流风场中平屋面风压分布规律明显区别于大气边界层风场中的风压特性;平屋面风压分布特性与其距下击暴流中心的距离密切相关,随着平屋面逐渐远离下击暴流中心,屋面所承受的压力逐渐由正压转为负压.     

常规风和下击暴流作用下定日镜风压特性比较

利用计算流体动力学方法对常规风和下击暴流作用下定日镜的表面风压进行数值模拟和对比分析.研究结果表明:在常规风和下击暴流作用下,定日镜在各工作仰角下的迎风面均以正压为主,在镜面上边缘存在极小范围的负压区域,背风面负压整体呈现上部小、下部大对称分布的特点.随着工作仰角的增大,在常规风和下击暴流作用下,定日镜迎风面压力峰值中心均由底部逐渐上移,峰值压力逐渐增大,当处于大工作仰角时,迎风面高压区在常规风风场中位于上部,而下击暴流风场中位于中部且高压区分布范围比常规风更大.定日镜背风面负压峰值随工作仰角增大在常规风风场中逐渐减小,而在下击暴流风场中背风面压力基本不变,当处于小工作仰角时,在常规风风场中定日镜背风面谷值压力位于上部,分布梯度明显,在下击暴流风场中背风面压力分布较均匀.     

北京奥林匹克中心演播塔TMD风振控制

以北京奥林匹克中心演播塔为工程背景,研究了调频质量阻尼器(TMD)对高耸电视塔在强风作用下风振响应的振动控制.将该塔的三维空间模型简化为二维模型;基于随机振动理论,利用M.Shinozuka方法对该塔的脉动风荷载进行数值模拟,得到了脉动风荷载时程曲线;在此脉动风荷载作用下,SAP2000三维空间模型的计算结果和二维模型的计算结果相吻合,而且利用三维模型进行计算,大大节省了时间;以该塔顶层的风振响应为优化目标,对TMD的参数进行了优化研究.结果表明,该塔的风振响应超过了规范的容许值,设置TMD后该塔的风振响应有明显的减小;在TMD最优参数下,该塔的风振位移响应和加速度响应的减振率分别为43.1%和29.5%;TMD对该塔的风振响应有明显的控制作用.     

下击暴流作用下直立锁缝屋面系统抗风揭可靠度评估

为减少直立锁缝屋面系统在下击暴流作用下的风揭损毁事故,提出了下击暴流作用下的直立锁缝屋面系统抗风揭可靠度评估方法 . 采用大涡模拟（large eddy simulation,LES）方法来分析下击暴流作用下屋面风荷载特征,以不同的风向角为工况,得到屋面的极值风荷载大小及其分布位置. 选取屋面最不利位置建立局部仿真模型并推导了相应的失效准则和极限状态函数. 基于拉丁超立方抽样的Monte Carlo法（LHS-MCS）对下击暴流作用下的直立锁缝屋面系统进行可靠度评估. 结合常态风可靠指标以及相关规范对分析结果进行了评价. 研究结果表明：下击暴流相比常态风更易造成直立锁缝屋面系统风揭破坏,同时下击暴流作用下可靠指标仅满足规范要求的第三级安全水准,建议对重要建筑物进行直立锁缝屋面系统设计时考虑下击暴流的影响.     

高耸结构风振响应的MTMD控制研究

研究了MTMD对北京奥林匹克公园中心演播塔在强风作用下风振响应的振动控制效果.基于随机振动理论,利用M.Shinozuka方法对该塔的脉动风荷载进行数值模拟,得到了6条脉动风荷载时程曲线;利用大型三维空间有限元软件MIDAS/GEN7.3.0建立了该塔三维模型,并对该塔进行了动力特性分析,同时利用6条脉动风荷载时程曲线,对该塔的风振响应进行了MTMD振动控制研究,以该塔顶层的风振响应为优化目标,对MTMD的参数进行了优化研究.结果表明:该塔的加速度风振响应超过了规范的容许值,设置MTMD后该塔的风振加速度响应有明显的减小;最优参数的MTMD对该塔的风振加速度响应和位移响应的减振率分别为30.5%和46.0%.MTMD吸收了大量的能量,对该塔的风振响应有明显的控制作用.     

台风风场与B类风场作用下输电塔风效应对比研究

在边界层风洞中开展了台风风场与B类风场条件下某角钢输电塔气弹模型试验,采用谐波合成法模拟了不同高度的风速时程,在时域内进行了输电塔结构风致响应计算,对比研究了两类风场条件下的风致响应与风振系数.研究结果表明:输电塔风致加速度响应随着来流风速的增大而明显增大,台风风场条件下加速度响应更为剧烈,比B类风场条件大约20%～30%;B类风场条件下风振系数为1.59,台风风场条件下达到1.85,总体增幅达到16%;数值模拟结果与风洞试验结果较为吻合.因此,台风多发地区的输电塔设计应考虑台风高湍流引起的动力风荷载增大效应.     

平面壁面射流风场作用下建筑物表面风压数值模拟

采用平面壁面射流模拟下击暴流的出流段风场,通过协同流模拟下击暴流水平移动,基于计算流体动力学方法,采用雷诺应力模型(RSM)的Stress-Omega模型模拟了稳态下击暴流的平均风剖面,并在风场中建立高层建筑物模型,研究下击暴流风场中高层建筑物表面风压分布特性.结果表明,采用平面壁面射流模型得到的水平速度竖向风剖面与下击暴流理论风剖面以及试验结果吻合较好,壁面射流模型风场中建筑风压分布特征与冲击射流风洞试验一致;迎风面风压系数随着顺流向距离的增加而不断减小,随着射流入流湍流强度的增大而减小.当下击暴流风剖面半高值大于1.45倍建筑物高度时,壁面射流风场中建筑风压分布与大气边界层风场中类似.协同流对结构中下部风压分布影响较大,而风向角对最大风压的影响不大.     

非线性时变机载雷达微下击暴流目标回波建模与算法设计

为了有效分析微下击暴流产生机理以及在非对称风场条件下微下击暴流的风速估计和回波谱,利用网格划分法的基本原理,结合多普勒效应建立了微下击暴流目标回波数学模型,并提出了一种机载雷达微下击暴流信号的处理算法.在非对称风场情形下仿真分析了顺风、偏风、侧风以及逆风时微下击暴流的风速估计以及功率谱.仿真结果表明,在不同距离门上的顺风、逆风、侧风以及偏风的风速变化符合微下击暴流的特征,非对称风场下的微下击暴流雨回波三维功率谱分布与非对称风场中的径向速度分布一致.