CAARC标准高层建筑模型风致效应及背风侧流场特性研究

通过风洞测压试验、PIV试验和动力响应计算,对比分析0°和90°风向下,CAARC模型围护结构风压、模型背风侧流场特性及主体结构风振响应。①对比了模型立面风压分布及整体风力,两种风向下,模型表面风压分布的较大差异存在于侧风面。相比于0°风向,90°风向下模型整体阻力和升力较小,但整体扭矩较大。②直观展现了模型背风侧的流场特性。两种风向下,模型后部水平面内均出现尾流涡对;竖直面内的显著旋涡仅出现在0°风向。相比而言,0°风向下,尾流涡对尺寸较大,逆向流速较高,周围流体横风向运动剧烈。③给出了模型顶部位移和加速度随折减风速变化的拟合方程,两种风向下,模型顶部顺风向响应与折减风速的2~2.6次幂成正比;横风向响应与折减风速的3~3.5次幂成正比。相比而言,90°风向下,模型顶部横风向位移和加速度随折减风速的增幅分别为0°风向下的2倍和2.6倍。

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.

高层建筑标准模型风效应的阻塞效应试验研究

对一组阻塞比为1.7%~10.9%的高层建筑标准模型在均匀低湍流强度风场和均匀高湍流强度风场中进行了多点同步测压试验,研究了不同风场下阻塞效应对高层建筑风致响应和等效静力风荷载的影响。结果表明:当阻塞比不大于4.5%时,可以忽略高层建筑风致响应和等效静力风荷载的阻塞效应;当阻塞比大于4.5%时,在均匀低湍流强度风场中,高层建筑的风致响应和等效静力风荷载均随阻塞比的增大而增大;在均匀高湍流强度风场中,湍流强度的增大不同程度地削弱了阻塞效应的影响。基于试验结果,提出了高层建筑顶部平均位移、位移均方根和加速度均方根的阻塞效应修正公式,可应用于修正等效静力风荷载,修正效果较好。

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。

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。

高层建筑标准模型脉动风荷载阻塞效应试验研究

在均匀低湍流度风场和均匀高湍流度风场中对阻塞比分别为1.7%、3.1%、4.5%、6.3%、8.6%和10.9%的高层建筑标准模型进行了多点同步测压试验,研究了不同风场下阻塞效应对高层建筑标准模型层脉动风力系数和基底脉动力矩系数的影响。结果表明:在均匀低湍流度风场中,当模型阻塞比不大于4.5%时,阻塞效应对高层建筑标准模型层脉动风力系数和基底脉动力矩系数的影响很小;当模型阻塞比大于4.5%时,随着阻塞比的增大,层脉动风力系数和基底脉动力矩系数均明显增大,横风向最为显著。在均匀高湍流度风场中,湍流度的增加增大了层脉动风力系数和基底脉动力矩系数,抑制了阻塞效应对层脉动阻力系数和顺风向基底脉动弯矩系数的影响,削弱了阻塞效应对层脉动升力、扭矩系数和横风向基底脉动弯矩系数、扭转向基底脉动扭矩系数的影响。基于试验结果,提出了高层建筑标准模型层脉动风力系数和基底脉动力矩系数的阻塞效应修正公式,可为相关试验结果的修正提供参考。

高层建筑脉动风力频域特性的阻塞效应试验研究

基于标准高层建筑模型的测压试验,研究了两种均匀湍流风场中阻塞效应对高层建筑标准模型层脉动风力及基底脉动力矩的功率谱、相关性和相干性的影响。结果表明:当阻塞比不大于4.5%时,可以忽略阻塞效应对高层建筑脉动风力频域特性的影响;当阻塞比大于4.5%时,在均匀低湍流度风场中,层脉动阻力功率谱在2倍旋涡脱落频率处出现尖峰;随着阻塞比的增大,层脉动升力和扭矩功率谱的峰值和斯托罗哈数均呈增大趋势;基底脉动力矩功率谱随阻塞比的变化规律与相应的层脉动风力类似。在均匀高湍流风场中,湍流的增加削弱了阻塞效应对高层建筑脉动风力频域特性的影响。