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.

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。

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。

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.

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.

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。

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。

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。