大跨度平屋盖表面的特征湍流研究

首先介绍建筑特征湍流的含义及其表现的几种形式。然后重点对一种典型的特征湍流形式——锥形涡进行了探讨,给出了通过风压信息识别其特征参数的方法。最后,结合一大跨度平屋盖缩尺模型风洞测压试验,对锥形涡的涡心位置、作用范围以及运动模式等特征参数进行研究,并给出了定量结果。这些工作有助于更好地总结屋面风压分布的一些共性规律,并进一步提出符合屋面绕流特点的阵风荷载模型或脉动风压功率谱。

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。

基于动力学模态分解的大跨度平屋盖风压场研究

采用经过嵌入维数改进的动力学模态分解(DMD)方法和本征正交分解(POD)方法对大跨度平屋面的随机风压场进行分析。结果表明:利用Takens嵌入定理来增加原始快照矩阵的空间维数,能够挖掘风洞试验数据集中隐藏的模糊动态特征;POD和DMD的模态分布均能够反映脉动压力场典型漩涡的主要特征,但POD的每个模态包含多个频率的信息,这在一定程度上让POD的模态成为多个频率段脉动的耦合,而DMD方法分解模态是单频模态并且可以得到每个模态的稳定性。相同比例的POD模态所占的能量比例大于DMD模态结果,但当使用相同比例的模态进行脉动风压场重构时,DMD方法比POD方法的重构结果更能够描述和契合原始脉动压力场的局部特征,这是由于DMD方法是直接对压力场进行重建,而POD方法主要是重建能量场,因此在揭示随机风压场时空演化特征,DMD方法更具优势。

高阶振型对大跨度平屋盖结构风振响应的影响

通过对屋盖的风振响应计算,分析了竖向脉动风和水平脉动风作用下高阶振型对大跨度平屋盖结构风振响应的影响。研究结果为大跨屋盖结构设计和研究提供有意义的参考。

开孔对椭圆形大跨度屋盖表面风压特性的影响

通过对开敞式椭圆形大跨屋盖进行刚性模型风洞试验,研究了不同风向角、不同开孔位置对大跨度平屋盖风荷载特性的影响,对比分析了屋盖外中内缘典型测点及开孔前后的风压系数云图及脉动风压谱。研究结果表明:开孔前后屋盖表面风压分布基本一致,均以负压为主,且负压极值位于迎风前缘处;外檐开孔削弱了屋盖迎风前缘气流分离作用,减少的风吸力最大,因此在几种开孔位置中外檐开孔的减风效果最为明显。通过各区域典型测点的脉动功率谱对比可知,屋盖前缘区测点较中后缘区域的谱值大,从前缘到外檐,逐渐由低频向中频转移,在高频区域屋盖后缘的典型测点谱值高于屋盖前、中部典型测点的谱值。

大跨平屋盖表面锥形涡流动模型研究

基于大跨平屋盖表面旋涡流动显示试验,对兰金涡模型进行改进,在其涡核区与势流区之间添加过渡区,建立简化的二维锥形涡流动模型,给出旋涡上部流速、旋涡内部流线曲率以及屋面涡核吸力之间的定量关系。据此流动模型分析表明,旋涡内部流线曲率越大,旋涡转速越快,旋涡强度越高,且后者的影响更为显著。根据流动显示试验结果,量化各风向下大跨平屋盖表面锥形涡强度。通过考虑旋涡效应对准定常理论进行修正,给出旋涡涡核吸力的计算式,并将计算值与大跨平屋盖刚性模型风洞测压试验数据进行对比,验证锥形涡流动模型对于预测旋涡涡核吸力的有效性。