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。

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。

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。

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。

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.

阻塞比对风洞试验结果的影响及修正研究

风洞试验中,阻塞比的大小对于试验结果有着重要的影响,本文通过不同比例的模型测试研究,得到了阻塞比对建筑表面正负压的分布的影响,供试验参考。

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。