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λL=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.

CAARC标准高层建筑三维钝体绕流风场数值模拟

基于计算流体力学软件平台Fluent 6.3,选用基于雷诺平均(RANS)的标准k-ε、Realizablek-ε、RNGk-ε和SSTk-ω4种湍流模型对大气边界层中CAARC标模的单栋高层建筑的三维定常风流场进行模拟分析,并将数值模拟结果与风洞试验结果进行了比较分析。结果表明:数值模拟较好地反映了高层建筑周围风环境的绕流特性和表面风压的分布情况,4种湍流模型均能给出满足工程应用精度的结果。在迎风面时,与试验结果吻合良好;在侧风面和背风面时,数值模拟结果介于NPL与TJ-2试验结果之间。迎风面均受有正压力,在迎风面的2/3高度处为最大,两边及底下最小。建筑物的背风面和侧风面全部承受负压力。4种湍流模型的模拟结果之间差异较小,为高层建筑钝体绕流的研究提供了依据。

网格湍流CAARC模型风洞实验

对大气湍流边界层的真实模拟是风工程风洞模拟实验所要满足的基本条件之一。平均速度剖面 ,湍流度剖面 ,积分尺度和风谱是反映大气湍流边界层流动的四个最基本的因素。本文首先研究了不同孔隙率的均匀网格湍流场的流动特性 ,得到湍流度、积分尺度以及风谱的变化规律 ,然后在变化其中某一个因素而保持另外三个因素不变的条件下 ,研究了处于均匀网格湍流场中的CAARC模型风荷载响应的变化 ,从而确定每一个因素的独立变化对模型所受风荷载的影响。实验结果表明湍流度和积分尺度对结构物所受风荷载都有很重要的影响 ,在风洞大气湍流边界层模拟中应该予以充分的考虑 ,否则将会引起风荷载实验结果的偏差。

紊流积分尺度对CAARC模型表面风压特性的影响

常规风洞不能较好模拟紊流积分尺度,造成模型缩尺比与积分尺度不匹配。采用两种缩尺比CAARC(Commonwealth Advisory Aeronautical Research Council)模型在相应缩尺比的B类风场中进行同步测压试验,研究紊流积分尺度对平均风压系数、脉动风压均方根系数、脉动风压功率谱、风压水平和竖向相关系数、以及风压竖向相干函数的影响。结果表明:平均风压系数受紊流积分尺度影响较小,而脉动风压均方根系数随L_(u)^(x)/D的减小而减小,且脉动风压均方根系数偏小程度随L_(u)^(x)/D偏小程度的增大而增大;迎风面驻点的脉动风压功率谱,在低频区间,由准定常效应控制,基本保持一致,在高频区间,其衰减速度快于脉动风速功率谱,且衰减速度随紊流积分尺度的减小而加快;紊流积分尺度越小,宽面迎风时侧面与背面的脉动风压功率谱越大,迎风面外缘点和背面的漩涡脱落特征更明显;在迎风面,脉动风压水平相关系数和竖向相关系数随着L_(u)^(x)/D的减小而减小;在侧面,宽面迎风时脉动风压水平和竖向相关系数随着L_(u)^(x)/D的减小而增大,窄面迎风时脉动风压水平相关系数随着L_(u)^(x)/D的减小而减小,测点距离较近时,竖向相关系数随着L_(u)^(x)/D的减小而增大,测点距离较远时,竖向相关系数随着L_(u)^(x)/D的减小而减小;在背面,宽面迎风时,随着L_(u)^(x)/D的减小,水平相关系数减小,竖向相关系数增大,窄面迎风时,随着L_(u)^(x)/D的减小,水平相关系数减小,测点距离较近时,竖向相关系数增大,测点距离较远时,竖向相关系数减小;迎风面脉动风压竖向相干函数大于脉动风速相干函数。

CAARC标准高层建筑模型表面风荷载的数值模拟研究

基于FLUENT软件平台,对长边迎风和短边迎风时,CAARC标准高层建筑模型表面风荷载进行了时均模拟和大涡模拟,并与风洞试验结果进行对比。结果表明,数值模拟所得迎风面平均风压与试验值较为接近;在背风面和侧风面,仅大涡模拟可较准确地反映平均风压分布趋势。数值模拟与风洞试验所得脉动风压的差异大于平均风压。长边迎风时,脉动风压模拟值与试验值的较大差异存在于背风面;短边迎风时,两者的较大差异存在于侧风面。CAARC模型周边流场运动形态将直接影响其表面风压分布特性。在背风面,顶部环流和尾流涡对控制风吸力大小;环流区域和涡对尺寸减小,则背风面风吸力降低。在侧风面,长边迎风时,旋涡脱落运动致使侧面风压分布趋于均匀;短边迎风时,较宽的侧风面尺寸促使分离剪切层发生稳定再附并形成有组织的旋涡结构,其将诱导产生梯度变化的平均风吸力和较为突出的风压脉动。

高层建筑围护结构风压系数的概率特征及其极值POT估计

为获得高层建筑围护结构设计风荷载,通常需要考虑其表面风压系数的概率特征,进而进行极值估计。针对当前基于超越阈值模型的风压系数极值估计方法存在阈值选取困难,需要较大样本的不足,基于高层建筑标准模型进行风洞试验,首先研究其表面风压系数的概率特征,结果表明迎风区测点接近高斯分布,分离区测点风压系数母体接近Gamma分布,风压系数极小值接近GEV(general extreme value,GEV)分布;提出一种改进的POT(peak over threshold,POT)极值估计方法进行表面风压系数极值估计,进而与几种传统极值估计方法进行对比,结果表明改进POT极值估计方法可实现小样本的风压系数极值估计,其估计结果与大样本容量的标准极值偏差小于5%,且稳定性较好;最后给出了标准高层建筑模型表面极值风压系数。

高层建筑测压风洞试验校准与不确定性的量化

高层建筑风洞试验可靠性常基于多家机构的CAARC标准高层建筑风洞试验结果进行对比检验,然而其风洞试验结果的不确定性难以量化。本研究对D类地貌下缩尺比为1∶400的CAARC标准高层建筑进行刚性模型测压风洞试验,首先研究了风洞试验参考位置对试验结果的影响,结果表明测压试验的参考位置宜选择受湍流影响较小的模型上方风洞顶部;其次,研究了采样次数对平均和极值风压系数的影响规律,为获得较稳定的极值风压系数,建议最小试验采样次数15次;最后,利用试验结果与国内外多家研究机构的结果进行对比分析,验证了本研究风洞试验的可靠性,量化了试验结果的不确定性,结果表明本研究高层建筑风洞试验的风压系数建模不确定性偏差为0.98,变异系数为0.14。

湍流积分尺度对高层建筑风荷载影响的大涡模拟

为研究湍流积分尺度对高层建筑风荷载大小和分布的影响,研究其合理取值,基于大涡模拟开展了B类地貌不同湍流积分尺度下CAARC(commonwealth advisory aeronautical research council)标准高层建筑模型绕流模拟,并将模拟结果与风洞试验进行了比较.研究结果表明:大涡模拟能较好地反映高层建筑周围风场绕流特性和表面风压分布.随着湍流积分尺度的增大,平均运动的变形率向湍流脉动输入能量,以致平均风速降低、湍流强度增大;侧面风压脉动性降低15%、分离流附着提前出现;基底扭矩谱和弯矩谱的峰值及高频段幅值均减小;层斯托罗哈数在0.4倍建筑高度以下基本相同,随高度的增加其值下降20%~30%;层平均阻力系数下降5%~10%;迎风面风压系数平均值下降2%~5%,侧面和背面下降12%~17%.湍流积分尺度对迎风面和侧面上风向的风压水平相关性、层升力和0.8倍建筑高度以下的层阻力相关性的影响可以忽略.随湍流积分尺度的增大,风压水平相关系数增大,背风面增大5%~10%,侧面下风向增大15%~25%,0.8倍建筑高度以上层阻力相关性系数增大25%~50%.B类地貌湍流积分尺度的调整系数为0.4时,计算得到的风荷载与试验结果趋于一致.

横风向响应的气动弹性模型风洞试验研究

应用国际通用的CAARC模型进行了多自由度气动弹性模型在模拟风场中响应的试验,分析了结构在不同风速与不同风向角下的横风向响应变化规律,其结果可供高层建筑结构风振响应理论研究参考。

高层建筑标准模型风洞测压和测力试验研究

CAARC高层建筑标准模型是国际上通用的风工程标准模型之一,用来检验各个模拟自然风的风洞试验结果,以确保风洞试验测量数据的可信度。本研究使用缩尺比为1:300的CAARC模型,在同济大学TJ-2建筑风洞中进行了B类和D类地面粗糙度风场下的刚性测压试验和高频动态天平试验。在刚性测压试验中测量了建筑模型表面在不同风速和风向角下的平均风压系数,并与国外风洞机构的试验数据进行了对比分析。在高频动态天平试验中,不同风向角下的结构气动力系数和顶点位移被给出,并同样与国外风洞机构进行了对比。风洞试验结果表明:TJ-2风洞能较好地模拟大气边界层风场,且风场品质较好;试验技术可靠,所测得的试验数据具有较高的精度。

风洞试验数值模拟中的若干问题研究

利用计算流体动力学(CFD)原理在计算机上模拟建筑结构周围风场的变化,可以求解结构表面的风压。计算流体动力学中,无论采用何种湍流模型,给定适当的边界条件都是一个相当重要的问题。湍流边界条件主要涉及两个重要的物理量:湍动能k和湍动能耗散率ε,而二者的表达式中涉及两个系数:k0和L0u。对于不同的大气边界层假设,k0和L0u有不同的取值。但究竟哪组值最准确,目前尚无定论,还有很多地方值得进一步研究。详细探讨了如何确定最合适的系数k0和L0u:针对CAARC标准模型,对k0和L0u取不同的值和不同的组合,经过试算和比较,从中选取最合适的值及其组合。

均匀风场中高层建筑平均风力的阻塞效应

以联邦航空咨询委员会协调人会议(CAARC)高层建筑标准模型为例,在同济大学TJ-2建筑风洞中进行了矩形单体高层建筑的阻塞效应试验研究.对阻塞度为4.1%、6.1%、8.4%、10.1%的建筑刚性模型在均匀风场中进行了测压试验.主要研究了阻塞效应对模型平均风力特性的影响.研究结果表明:在均匀来流中,建筑各层的平均阻力系数随着阻塞度的增加而增大,但阻力系数沿高度的分布规律没有显著变化;顺风向平均基底弯矩系数随着阻塞度的增大显著增大.最后,基于试验结果提出了平均阻力系数和顺风向平均基底弯矩系数的阻塞效应修正公式.

地貌条件对建筑风压影响的研究

高层建筑表面的风压大小及分布是结构设计风荷载的主要依据,其考虑的因素很多。本文应用国际通用的CAARC刚性模型进行测压试验,主要研究分析紊流条件与平滑流条件下的模型表面的风压分布规律,同时分析了这两种条件下体型系数随风向角的变化规律,其结果对结构的抗风设计有一定参考价值。

利用汽车行驶风测试建筑风压系数的跑车试验方法研究

参照风洞试验和现场实测的试验方法,结合车辆行驶能产生风的特点,提出了一种理想道路条件下利用汽车行驶风测试建筑风压系数的跑车试验方法。采用理论推导和现场试验的方法,构建了跑车试验的基本理论,设计和组装了跑车试验的物理试验平台,搭建了软件测试系统,研究了测试数据的处理方法,运用该方法对CAARC标准模型典型测点的平均风压系数进行测试。研究了不同车速对平均风压系数的影响,并分析了同一车速多次重复测试平均风压系数结果的差异。研究结果表明:提出的跑车试验理论公式正确,构建的软硬件系统合理,标准模型测点的平均风压系数跑车试验测试结果与相关文献的风洞试验结果吻合很好,同一车速下多次重复测试结果偏差很小,不同车速影响平均风压系数程度小,验证了该方法在理想道路条件下的可行性。

高层建筑标准模型绕流数值模拟

选用Standard k-ε、RNG k-ε和Realizable k-ε3种高雷诺数湍流模型,对高层建筑标准模型(commonwealth advisory aeronautical research council,CAARC)在不同网格划分方案、不同风场环境及不同风向条件下的流场特征进行了模拟,并用风洞试验数据验证模拟效果,得到以下结论:建筑物边界层网格模型的细密程度会对模拟结果产生明显影响,当选用最细密的网格模型进行模拟时,RNG k-ε模型与风洞试验数据的均方根误差要比选用最稀疏的网格模型时小50%~70%,其余两种模型则大约相差40%~50%。在B类、D类两类风场环境下,RNG k-ε模型所得平均风压系数的变化区域及变化趋势基本一致,无明显差别,而其余两种模型在不同风场环境下的变化趋势及变化范围均有较大不同,差别主要表现在建筑物的侧风面和背风面上。0°风向下,RNG k-ε模型在建筑物侧风面和背风面处的平均误差要比其余两种模型小10%左右;90°风向下,RNG k-ε模型在侧风面处的平均误差比其余两种模型小大约5%。总体来说,在多种模拟条件下,RNG k-ε模型所得结果的准确性、稳定性及规律性均要高于其余两种模型。

干扰风作用下超高层建筑风谱特性研究

以CAARC标模为研究对象,通过采用刚性模型同步测压试验和高频覆面积分计算方法(HFPI),展开单一施扰情况下施扰建筑高度、位置对受扰建筑静力和动力风荷载特性的影响研究。研究结果表明:当施扰建筑处于受扰建筑上游正前方时,表现出遮挡效应;当施扰建筑处于侧向时,静力干扰系数均在1.0~1.1之间;施扰建筑对顺风向基底弯矩谱的影响较小,对横风向基底弯矩谱起到一定程度的削弱作用,且随着施扰高度增加,削弱程度会增加。

CAARC高层建筑标准模型风洞试验研究

在湖南大学教育部建筑安全与节能重点实验室的HD-3大气边界层风洞中开展了CAARC高层建筑标准模型的风洞试验研究。对缩尺比为1∶300的CAARC模型,分别进行了D类地面粗糙度风场下的刚性测压试验和高频动态天平试验,并将所得到的试验结果与国外风洞研究机构的试验数据进行了对比分析。结果表明:HD-3大气边界层风洞能够有效地模拟大气边界层风场,其模拟方法是可行的;风洞实验室的设备(电子扫描阀系统和高频测力天平系统)及其测试技术、自编数据处理程序是可靠的,其试验所测量得到的数据是值得信赖的,可以承担建筑物刚性测压及动态测力方面的试验研究。建议其他风洞实验室也开展标准模型的风洞试验对比研究。

高层建筑标准模型脉动风压特性大涡模拟适用方法研究

为提高钝体建筑结构绕流模拟结果的精度,基于两种大涡模拟(large eddy simulation, LES)入口湍流生成方法,分别为NSRFG(narrow band synthesis random flow generation)方法和CDRFG(consistent discretizing random flow generation)方法,进行CAARC(commonwealth advisory aeronautical research concil)高层建筑标准模型绕流的数值模拟比较研究。以风洞试验结果为参照,在对大气边界层湍流风场进行模拟验证的基础上,详细对比分析采用上述两种方法模拟得到的建筑表面平均和脉动风压系数、绕流场湍流结构、风压系数概率密度分布特性等的差异,并着重从脉动风压非高斯特性角度进行探讨,检验采用上述两种方法模拟钝体建筑结构绕流的适用性和准确性。结果显示:在受来流直接作用的建筑迎风面,采用两种方法模拟的脉动风压基本都符合高斯特性;而在受分离流和尾流作用的侧风面和背风面,采用NSRFG方法能更好地反映建筑表面脉动风压的非高斯特性。极值风压分析表明,为了满足99.38%的保证率,CAARC标准模型迎风面极大与极小峰值因子需分别取为3.0和2.5,侧风面和背风面极大和极小峰值因子需分别取为2.5和4.0。