龙卷风风场特性的CFD数值模拟

基于计算流体动力学方法建立了龙卷风发生装置的数值计算模型,对具有单涡结构的龙卷风风场特性进行了研究.分析了切向风速沿径向和高度的分布规律,并将切向速度沿径向的分布与Rankin涡模型和参数化气旋模型理论公式进行对比,验证龙卷风风场数值模拟结果的合理性.进一步研究了入口风速和入口角度改变对龙卷风风场特性的影响,并给出了各个数值计算模型近地面核心半径、最大切向风速和涡流比,进而可以获得不同尺度和不同强度的龙卷风风场.该方法为龙卷风风场模拟提供了新的研究途径,并可应用于建筑物的抗龙卷风设计研究.     

考虑桥塔风效应的斜拉桥时域抖振分析

大跨度桥梁频域及时域抖振分析中通常仅考虑主梁的脉动风效应.本文根据大跨度斜拉桥结构形式及振动型态的特点,结合自然风的相关特性,对大跨度斜拉桥三维脉动风场进行简化,从而基于谱解法同时模拟了主梁及桥塔的脉动风速场.基于模拟的随机风场对结构风荷载进行时域化,进而建立系统运动控制方程.由于自激力的存在,结构的运动控制方程为非线性方程,本文提出了一种迭代方法来考虑由自激力引起的运动方程的非线性.为考察桥塔脉动风速场的影响,分别进行了考虑桥塔风场和不考虑桥塔风场两种情况下桥梁抖振响应的分析,两种方法的分析结果表明,考虑桥塔风场将显著增大桥塔横桥向抖振响应.     

雷暴冲击风荷载的大涡模拟

雷暴冲击风具有同常规的大气边界层风完全不同的风场特征.为研究雷暴冲击风场中建筑物的风荷载,采用大涡模拟(LES)方法对方形截面高层建筑进行了雷暴冲击风场数值模拟,获得了高层建筑在雷暴冲击风作用下的风荷载参数.同时,对雷暴冲击风场进行了数值模拟,所得结果与理论结果吻合良好,验证了方法的可靠性.     

球壳型屋盖在冲击风作用下的抗风设计参数及CFD分析

雷暴冲击风具有和大气边界层显著不同的风场特性。为与抗风设计习惯一致,提出了与大气边界层风场类似的冲击风水平风荷载下静力风荷载表达式,并给出了相应的风压高度变化系数和体型系数的计算方法。以球壳型大跨屋面为具体研究对象,采用CFD数值模拟方法,研究其在冲击风作用下随结构参数和冲击风参数改变的冲击风体型系数变化规律,并将结果与大气边界层风洞实验中的结果进行比较。最后还给出了球壳屋面位于冲击风正下方时,屋面体型系数及风压高度变化系数的取值。     

降雨对桥梁主梁静力特性的影响

针对大跨桥梁主梁风雨联合作用现象,从静力学角度出发,分析风雨联合作用下桥梁主梁荷载的三个组成成分———风雨致静力三组分,以及桥梁主梁风雨致静力相对于纯风作用下风致静力增量,并给出了测试方法,通过在大气边界层风洞中搭建风雨联合作用试验系统,以一开槽双箱桥梁主梁节段模型为试验研究对象,完成节段模型在风雨联合作用下的静力特性试验,进而获取降雨对桥梁主梁风致静力作用的影响规律。试验结果显示:在较大的负攻角下,雨的冲击力对桥梁主梁风致阻力分量影响较大;在较小的负攻角及正攻角下,空间雨滴和主梁表面水膜附着引起的风场改变对桥梁主梁风致阻力分量影响较大。雨的质量、冲击力以及空间雨滴和主梁表面水膜附着引起的风场改变对桥梁主梁风致升力均有一定影响。空间雨滴和主梁表面水膜附着引起的风场改变对桥梁主梁风致扭矩影响最大,其次是雨的质量作用,最后是雨的冲击力作用。试验结果表明:降雨对桥梁结构的风致静力的影响主要取决于空间雨滴和主梁表面水膜附着引起的风场改变。     

实测下击暴流作用下大跨斜拉桥抖振响应分析

为研究大跨斜拉桥在下击暴流作用下的抖振响应,以赤石大桥桥址处实测下击暴流风时程数据为基础,采用小波变换法提取下击暴流时变平均风速,得到随时间变化的调制函数,以Kaimal谱为目标谱,采用谐波叠加法模拟桥址区脉动风速并加以调制,实现了桥址区下击暴流风时程模拟。在此基础上,分别进行下击暴流风场和大气边界层风场作用下的大跨度斜拉桥施工状态静风响应和非线性时域抖振响应计算。结果表明:模拟下击暴流风速时程与实测下击暴流风速时程吻合较好。下击暴流风场模拟脉动风时变功率谱的幅值明显大于大气边界层B类风场模拟脉动风时变功率谱幅值。当桥面高度处下击暴流风与大气边界层风速相同时,考虑下击暴流时变平均风效应计算得到的桥梁主梁梁端静风效应的最大值,约为采用10min常值平均风计算的桥梁主梁梁端静风效应最大值的1.20倍左右;下击暴流风作用下桥梁主梁梁端、桥塔塔顶抖振响应均方根(RMS)值分别比大气边界层风场作用下的计算值大,最大比值约为2.8。     

大气湍流中的悬索桥颤振时域分析

综合考虑结构几何非线性、不同来流条件下气动力等因素对悬索桥气动稳定性的影响,利用风洞试验得到的颤振导数和对随机风场的时程模拟来计算桥梁的自激气动力和抖振力,对均匀流和大气湍流中大跨度悬索桥颤振问题进行了时域分析,结果与风洞试验结果基本一致,证明了本方法的可行性.分析表明:湍流将降低大跨度流线形主梁断面悬索桥的颤振稳定性;计算自激气动力时应当考虑随时间和空间随机变化的脉动风速的影响.     

超大型双曲冷却塔风荷载特性风洞试验研究

结合韩城第二电厂冷却塔风洞试验，在模拟大气边界层和周边地貌的情况下，研究了不同风向角下，超大型冷却塔风荷载特性及高大地面建筑群的影响。给出了风荷载高度变化系数、风压分布特性及其三维效应区域、地面附着物影响和风荷载体形系数，与《建筑结构荷载规范》中B类地貌上述参数有较明显差异，对双曲冷却塔、特别是超大型双曲冷却塔工程结构设计，有重要的参考价值。     

冲击风作用下大跨屋盖多模态随机风致响应研究

雷暴冲击风是一种近地面短时产生的瞬态强风,它与传统的边界层风场特征具有明显的差别,冲击风将会引起屋盖的强烈振动,甚至发生破坏.本文根据混合随机模型,详细研究了冲击风风场的数值模拟方法.应用Wood竖直风剖面方程与Holmes经验模型模拟平均风场,使用稳态高斯随机过程模拟脉动风场,模拟的风场与实际的雷暴冲击风较为一致.结合多阶模态加速度法和等效风荷载原理,详细推导了大跨屋盖随机风致响应的计算方法.结合边界层风洞试验,比较冲击风产生的表面风压特性,计算得到屋盖冲击风致动力响应时程,并研究了冲击风作用下大跨屋盖荷载风效应系数和位移风效应系数的分布特点.研究结果可作为评估大跨屋盖冲击风致响应的一种参考.     

1000kV特高压钢管构架雷暴冲击风致振动响应研究

1000kV钢管构架属于风敏感结构,风与结构的相互作用十分复杂,风荷载常常是设计的主要控制荷载。本文以某一特高压钢管构架为工程背景,详细研究了冲击风风场的数值模拟方法,应用Wood竖直风剖面方程与Holmes经验模型模拟平均风场,以及使用稳态高斯随机过程模拟冲击风脉动风场,使得模拟的风场与实际的雷暴冲击风较为一致。利用精确的有限元模型,获得了结构的自振动力特性,在时域内得到了构架风致振动响应时程。研究了结构位移平均值、位移均方根值和加速度均方根值的分布特点,同时计算比较了不同风场时构架典型节点的风振系数。通过研究,揭示了1000kV钢管构架的风致振动特性,结果可作为构架结构抗风设计的参考。     

西堠门大桥桥位处风场特性实测分析

利用安装在西堠门大桥上的超声风速仪和螺旋桨式风速仪对西堠门大桥桥址区风场特性进行了长期连续现场观测。基于现场实测结果,对季风气候下桥位处的脉动风湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度、脉动风速功率谱密度、平均风速剖面以及脉动风速空间相关性等参数进行了分析。这些观测结果可为我国沿海地区风场特性研究提供借鉴和参考,并为其他相似大跨度桥梁设计和施工提供借鉴。     

水泥工厂窑尾塔架风荷载风洞试验研究

为获得窑尾塔架在实际风场下的真实风荷载，本文通过风洞实验对水泥厂窑尾塔架在大气边界层流场中的风荷载进行了研究，并详细介绍了风洞试验中的风场模拟、模型设计、测量方法和数据处理方法。试验结果合理可靠。本研究为实际窑尾塔架的结构设计提供了更真实的风载系数并为水泥厂窑尾塔架的优化设计，减少工程造价提供了详实的依据。     

一维钝体竖向拍振非线性涡激力识别

基于Scanlan经验非线性模型,推导一维钝体竖向涡激振动拍振响应.借鉴Wilkinson涡激力相关性函数,探讨节段模型拍振状态下气动参数、涡激力识别方法,分析相关性对涡激力识别的作用.以一大跨度桥梁主梁断面为例,识别气动参数及其非线性涡激力,结果表明在节段模型试验分析中考虑相关性作用后,可更准确地识别其非线性涡激力.     

非高斯风场作用下桥梁抖振响应研究

为研究非高斯风场作用下桥梁结构的抖振响应特性，以太洪长江大桥为例，基于Hermite多项式模型，模拟了非高斯脉动风场时程，计算了不同平均风速下不同非高斯特性脉动风场的抖振响应。结果表明：非高斯风场作用下结构响应的幅值和均方根值均比高斯风场更大，非高斯特性越强，均方根值越大；随着平均风速的增加，风场峰度对结构响应均方根的影响逐渐明显。因此，对于非高斯风场，高斯过程假定低估了实际的响应情况。此外，不同非高斯特性脉动风场作用下，结构响应的偏度和峰度均趋近高斯过程的结果。     

桥梁断面气动导纳风场依赖特性的数值研究

基于二维不可压非定常RANS模型,分别计算了平板断面、箱梁断面、双边肋断面在简谐脉动来流和宽频湍流中的非定常气动力,并识别出各自的气动导纳函数。在此基础上,通过考察断面在三种不同脉动幅值来流作用下的气动导纳,研究了不同脉动幅值对各类断面气动导纳的影响。结果表明,在竖向简谐脉动来流下,平板断面的气动导纳与Sears函数吻合良好,证明数值识别气动导纳的可行性;湍流作用下,平板断面识别的导纳函数有着实质性的不同,表现出很强的随机跳跃性。与平板断面类似,箱梁断面的气动导纳接近Sears函数。在不同幅值的简谐脉动来流下,平板断面和流线型箱梁断面识别的气动导纳基本一致,表现出了流线型断面对来流特性的不敏感性。计算结果表明,具有显著分离流的双边肋断面,其气动导纳具有明显的来流风场依赖性,表明钝体断面的气动导纳并不能定性为断面的函数,而是由断面与来流风场特性共同确定。     

北京某国际金融大厦风荷载与火灾流场的数值模拟

对北京金融大厦风荷载进行了计算机数值模拟，给出院 风洞中模型表面风荷载随风向角变化的一般规律并和文献[1]的实验结果进行了比较。给出了实验模型周围的流动图画和气流参数的分布规律，另外，分析了构成该建筑的四栋相邻近的建筑之间发生火灾后的流动特性，提出了比其它建筑结构更易于扩大火灾发展的原因和补救措施。     

Π形板梁分离流扭转颤振机理数值研究

采用离散涡方法及流场可视化技术识别桥梁Π形板梁断面的旋涡脱落机制.流场可视化显示,来流绕过振动的Π形板梁断面时,在主梁断面前缘下部分离泡形成并发展为主涡结构,主涡结构沿主梁断面下表面漂移并经断面后缘下端进入尾流,主涡结构的形成时间及沿主梁断面的漂移过程对气动力起直接的主导作用;计算结果也表明恰当地布置稳定板能将颤振形态从单自由度扭转颤振转化为两自由度弯扭耦合颤振,颤振临界风速可明显提高.     

上海地区台风风特性Monte-Carlo随机模拟研究

收集和整理了1949年至2005年台风年鉴统计资料和上海崇明岛侯家镇气象站逐时(连续)气象观测记录.对于上海近年来两次强台风(麦莎0509和卡努0515)进行了案例分析,表明台风风场的强变异性不容忽视,台风风环境评价采用可靠度分析理论具有相当的优势.Monte-Carlo台风随机模拟结果亦表明极值风速样本分布具有偏态性,由此建议了极值风速估算保证率系数的合理取值.采用Monte-Carlo台风风场随机模型和敏感度分析方法计算了不同场地条件风环境随机参数对于台风极值风速的贡献程度,并对上海地区的台风风场参数合理取值进行了优化.最后,以越界峰值法和广义Pareto分布探讨了工程场地目标重现期内极值风速预测过程,再现了几类典型工程场地台风风环境的梯度风高度、平均风剖面、极值风速和阵风因子取值特点,并与建筑结构荷载规范进行了对比.     

华南地区台风全局化结构及风场特征实测研究

基于探空气球、雷达风廓线仪等设备长期观测数据,对影响华南地区热带气旋的全局化结构及风场特征进行了实测研究.以典型台风为例,考察了系统水平及垂直主结构特征,揭示了台风双眼壁结构、眼壁置换现象以及登陆后结构的轴非对称变化特征.提出了台风气压场水平轴非对称模型和垂直剖线模型,分析了台风气压场两关键参数(最大风速半径及Holland-B)数值分布特征及其与其他参数间的内在关系.采用复合分析技术,对不同来流状况下台风边界层风场特征进行研究,考察了风速剖线低空急流和风向随高度偏转的特征及其随径向距离和来流地貌的变化规律,建立了以低空急流为特征的台风垂直剖线经验模型,为精确化评估高层建筑风荷载提供数据和技术支撑.相关研究成果有助于深化对华南地区热带气旋全局化结构及风场特征的认识,并为合理评估该地区台风风灾害及构筑物台风风效应提供参考.     

基于气动参数之间关系的桥梁断面气动导纳识别

气动导纳的准确估计对大跨桥梁抖振分析具有重要意义.目前在识别方法、试验技术等方面均有诸多进展,但尚未建立识别全部气动导纳函数的方法.针对这一问题,基于气动导数与气动导纳之间的关系,结合根据紊流风场中的抖振响应同时识别桥梁结构气动导数和气动导纳这一思路,首先采用随机子空间法识别得到紊流风场中桥梁结构的气动导数,然后利用气动导数与气动导纳之间的近似关系获取与竖向脉动风分量对应的气动导纳函数,最后根据抖振力谱和脉动风速谱来确定与水平向脉动风分量对应的气动导纳函数.实例研究表明,本文方法对流线型断面气动导纳的识别是可行的.