超高层建筑表面脉动风压空间相关特性试验研究

通过对某超高层建筑模型同步测压风洞试验,分别从时域和频域对模型各表面典型测点脉动风压水平和竖向空间相关性系数、以及水平和竖向相干函数进行了全面深入分析。与相关参考文献中提出的经典风速相干函数表达式进行了比较,给出了侧风面脉动风压相干函数考虑涡旋脱落影响的新的数学模型,拟合了公式参数,得到的结果可为建立更为精细的气动力模型所参考。     

基于近海海面观测的台风黑格比风特性研究

根据在博贺海洋观测站测得的0814台风黑格比三维风速时程,首先探讨了实测数据质量的判别准则及处理方法,进而研究了平均风场特性:风剖面、风攻角、梯度风高度以及脉动风场特性:湍流强度、阵风因子、时间尺度、积分尺度、脉动风速谱等。研究结果表明:近海海面指数律风剖面指数a远小于建筑结构荷载规范推荐值;台风风场结构本身存在3°～7°正攻角;在近海海面上阵风因子均值为1.23;顺风向湍流强度平均值为0.10,三向湍流强度的比值为1∶0.80∶0.43;水平向时间尺度基本上均小于30s,竖向时间尺度均小于10s;纵向和横向积分尺度较为接近,大于竖向积分尺度;不同区域的实测风速谱与各经验风速谱均存在一定差异,与von Karman谱吻合相对较好。     

润扬悬索桥桥址区实测强风特性的对比研究

2005年8月与9月期间,台风"麦莎"和"卡努"分别袭击江苏,润扬悬索桥健康检测系统(WASHMS)记录了经过桥址区的两个强风样本.通过对实测风速风向数据的分析,得到了平均风速和风向、湍流强度、湍流积分尺度、湍流功率谱密度函数等强风特性.分析结果表明,桥址区实测"卡努"台风的湍流强度比"麦莎"台风的要高,且二者均高于规范建议值;二者水平湍流功率谱密度函数与Kaimal谱均吻合得不太理想,低频段偏低,高频段偏高.最后对实测的脉动风谱离散数据进行了非线性最小二乘法拟合,得到拟合自谱曲线及相应的拟合参数,为该桥的抗风研究提供参考.     

关于风洞中用尖劈和粗糙元模拟大气边界层的讨论

尖劈和粗糙元广泛地应用于风洞试验中的大气边界层模拟，该技术成功模拟了不同地貌特征的平均风速和湍流度剖面。随着风工程研究的深入，了解尖劈和粗糙元模拟过程中的作用机理有助于准确地模拟各种大气边界层湍流功率谱和尺度特性。试验表明：尖劈利用其迎风平板的分离流产生湍流涡旋，迎风板的宽度决定了涡旋的大小和湍流脉动强度，同时迎风板阻塞比沿高度递减产生近似线性的风速剖面；粗糙元用于模拟实际地面的摩擦效应，调整平均风速和湍流度的剖面分布。遗憾的是，尖劈下宽上窄的结构特点决定了该技术模拟的湍流功率谱和积分尺度的高度变化律与实际大气边界层相反。基于对模拟机理的认识，异型尖劈上部形状有助于模拟大比例模型试验要求的湍流风场。     

海上采油平台锚泊状态和拖航状态海面上大气边界层模拟以及海面表层中海流模

在702所02风洞中完成的流花11-1海上采油平台锚泊状态和拖航状态的海面上大气边界层模拟和海面表层50米内海流模拟的风洞试验，得到了上述三种状态模拟流场的数据。每种状态的模拟流场有左、中、右、前、后五个风速和湍流度分布剖面。从相应每五个剖面的数据一致性来看，模拟流场的均匀性是好的。风速剖面与要求值之间的偏差一般不超过10%，绝大部分在6%左右并符合指数律分布。湍流度剖面也基本达到了期望的数值范围和分布规律。因此试验数据是可信的，风洞模拟是成功的。可以进一步用上述模拟流场分别进行流花11-1海上采油平台水上结构部分和水下结构部分的气功力试验研究。     

典型山地地形竖向风速分布特征

采用风洞试验与数值模拟相结合的方法,研究典型山地地形竖向风速的大小与分布。在风洞中模拟B类地貌边界层流场,采用眼镜蛇风速测量仪,测定了具有一定山脉长度的典型陡坡单山迎风坡竖向风速剖面,获得了离地10m高处竖向风速分布。对照试验结果对典型山地地形进行CFD模拟,研究了不同山体高度、山体坡度、山脉长度以及顺山脉(0°)和垂直山脉(90°)风向角下竖向风速的分布规律。通过上述研究发现:CFD结果与试验结果吻合良好;竖向风速在迎风坡离地10m高度处可达来流顺风向风速的60%;最大竖向风速出现在迎风坡2/3山高以上的区域;垂直山脉风向角下,迎风坡与山顶的最大竖向风速均随山脉长度递增;顺山脉风向角下,迎风坡最大竖向风速随山脉长度递减,山顶最大竖向风速受山脉长度变化影响较小。研究认为:在1/3山高以上的迎风坡位置应当考虑竖向风速,且在山高与山底直径之比大于1∶5时,需要考虑山顶位置的竖向风速。     

正弦型来流条件下大气表面层特性的研究

导出了正弦来流条件下的大气表面层平均风速及湍流强度的计算式。在环境风洞中使用粒子图像速度仪（PIV）对正弦来流条件下的大气表面层平均风速廓线和湍流强度进行了测量。结果表明：正弦型来流条件下所模拟的大气表面层在不同高度上风速均呈正弦规律波动,测量得到平均风速与导出计算式结果一致,相当于在定常风速廓线基础上叠加一个周期与主流风速一致、振幅随高度变化的正弦波动函数。每一个相位的湍流强度沿高度的分布均与定常来流条件下的湍流强度有着相似的变化规律,且湍流强度的大小随相位变化呈现一定的波动性。     

润扬大桥悬索桥桥址风环境的长期监测与分析

基于结构健康监测系统记录的2006年桥址日常持续风环境数据,开展了润扬大桥悬索桥桥址平均风特性及湍流脉动特性的分析研究,给出了湍流度、阵风因子、湍流积分尺度及脉动风功率谱密度函数的推荐值或公式,进一步研究了平均风速与上述湍流特征参数的相关性以及湍流特征参数之间的相互关系.分析结果表明:①湍流度、阵风因子和湍流积分尺度的实测统计值均高于规范推荐值;②纵向风谱拟合模型与Simiu谱较为接近,但横向风谱拟合模型则与之相差较多,并且都存在拟合模型中湍流动能往高频偏移的现象;③湍流度、阵风因子和湍流积分尺度之间存在较为明显的相关性,并且与平均风速也存在一定的相关性.     

近海岸强风风场特性现场实测研究

基于近海岸100m测风塔获取的近海面地貌条件5个不同高度风速数据。以10m标准高度平均风速大于10m/s为强风标准,选取台风和季风风场强风样本,应用Bootstrap统计分析法,对强风条件下近地层平均风剖面、湍流强度剖面、湍流特征参数进行分析,探讨了台风和季风条件下这些参数的差异,并将实测结果与风荷载规范规定值进行比较,检验风载荷规范的适宜性。分析结果表明:近地边界层的平均风剖面符合指数律或对数律,台风和季风风剖面指数分别约为0.12和0.06;近地平均湍流度剖面符合指数律,台风风场各高度平均湍流度与现行规范相接近;台风风场各高度阵风因子均值较风荷载规范推算值要大,但季风风场阵风因子均值与规范推算值相接近。     

沿海复杂地形台风登陆过程风场多尺度数值模拟

我国沿海地区的台风风场研究与预报具有显著的经济和社会效益.多尺度风场数值模拟方法是将WRF中尺度数值气象模拟同小尺度风场大涡模拟结合的数值模拟方法,可实现台风影响下沿海复杂地形风场的精细化研究.本文以2012年台风启德为背景,通过WRF模式有效再现了台风中心路径和近地平均风速风向的24?h时程;采用循环入流方法,将WRF得到的平均风剖面中加入高频风速成分,并作为复杂地形风场大涡模拟的入口条件,模拟近地风场的时间和空间分布.研究表明,台风登陆后受到沿海复杂地形的影响,近地流向湍流强度较海面上增强1倍左右,风速高频成分显著增强,并出现了0.73?m/s向下的竖向平均速度,对局部地区的抗风安全产生较为不利的影响.     

风力机对大气边界层近地层影响的数值模拟

为研究风力机运行对大气边界层近地层的潜在影响,采用 Gambit 软件建立风力机及风场模型,应用 UDF加载边界层速度分布函数作为流场入口边界条件,基于尾流特性及湍流理论,应用 Fluent 软件模拟单台风力机运行对大气边界层近地层的影响,通过分析风力机下游不同位置处的速度及湍动能以及其随高度的变化情况来进行分析研究。模拟结果表明风力机的运行会造成近地层内原本均匀分布的大气流场发生明显变化。与初始速度分布相比,流体流经风力机后,轮毂处风速迅速降低,随后逐渐增加,但随着向下游的延伸,速度增加的梯度逐渐降低,且在距离风力机17倍风轮直径后仍未增至来流速度;在竖直方向上速度分布呈现出逐渐增加的趋势,但在风轮位置处明显下降,随着空气继续向后流动,影响面积在扩大,但是趋势逐渐变缓。同时湍动能也发生较大变化,在近风轮处,由于轮毂区域的风速与周边的风速存在较大差异,所以造成近风轮处的湍动能迅速增大,随着流体向下游的延伸,与周边流体逐渐混合扩散,湍动能逐渐降低;湍动能在竖直高度上的分布在近尾迹区呈现出由地面至高空先减小后增大,再减小再增大的趋势;而远尾迹区域则先减后增,不过在到达一定高度后几乎都不再变化。由于大气各种通量的变化等也与风速、湍动能相关,所以风力机会对对其周边环境造成影响而不仅仅局限于近地层的风速、湍动能。     

考虑模型抖振力跨向不完全相关性效应的气动导纳识别

首先通过考虑节段模型上抖振力跨向不完全相关性效应推导了节段模型风洞试验中作用在模型断面上的分布抖振力谱和由底支式天平测到的模型总抖振力谱之间的关系。然后,以准平板断面为例,进行了格栅湍流场节段模型的测力和同步测压试验,获得了模型总抖振力谱以及模型抖振力跨向相关性函数。接着,采用等效导纳法以及抖振力自谱和抖振力脉动风速交叉谱综合残量最小二乘法分别识别了准平板节段模型等效气动导纳和六分量气动导纳,讨论了模型抖振力跨向不完全相关性效应对气动导纳识别结果的影响,并把识别得到的准平板断面气动导纳与平板断面气动导纳的理论结果——Sears函数进行了比较。结果表明：忽略抖振力跨向不完全相关性效应（即假设节段模型分布抖振力沿跨向完全相关）而直接采用平均抖振力作为断面上分布抖振力的传统方法会导致气动导纳识别结果偏小,并且,其偏小程度会随着频率的增加而增加;此外,相对于抖振升力和扭矩相关的气动导纳分量而言,由于抖振阻力的跨向相关性比抖振升力和扭矩的跨向相关性显得更弱,因此抖振力跨向不完全相关性效应对阻力相关气动导纳分量识别结果的影响更大;利用识别得到的六分量气动导纳反算的作用在模型上的分布抖振力谱与试验中实测结果非常接近,经抖振力跨向不完全相关性效应修正后的竖向脉动风速对应的升力和扭矩气动导纳分量的识别结果与Sears函数也比较接近,从而验证了用于六分量气动导纳识别的自谱-交叉谱综合最小二乘法的可靠性。     

垂直轴风力机桨叶气膜加热的数值研究

为观察风力机叶片在前缘开孔和不开孔两种情况下旋转叶片表面成膜情况,基于双向多流管理论模型,采用 MATLAB 软件编写程序及 Fluent 进行数值模拟,将程序计算结果与数值模拟结果进行比对,基于数值模拟分析两种模型在不同孔射流速度下的气动特性及流场情况。结果表明,数值模拟能够很好地反映流场特性,在来流风速及转速一定的条件下,孔射流速度过大会极大地削弱旋转叶片的气动性能,过小又不能形成很好的气膜保护。研究结果对 H 型垂直轴风力机防除冰叶片的设计具有一定的参考意义。     

拟合带间歇性的人工风速序列

研究生成既满足给定的工程谱特性，又具有间歇性结构的风速序列作为结构气动计算的输入。生成大气边界层紊流的人工风速序列是做结构风振计算的重要步骤，目前的方法都是生成高斯序列；实际的大气边界层紊流具有多尺度多层次的非高斯结构，集中体现在所谓“间歇性”上。利用余振苏与Leveque提出的对数泊松律模型产生各尺度的小波系数，可以在拟合目标风速谱的同时引入湍流间歇性，通过小波逆变换生成单条风速序列，再用拟合周期图的思路扩展为多重相关序列。     

大型回流边界层风洞的气动与结构设计

大型边界层风洞是开展风工程研究的必备装备。以浙江大学ZD-1边界层风洞的研制为背景,详细介绍了大型回流边界层风洞气动设计和立式结构设计中的关键问题,在风洞气动设计时采用了收缩比为4∶1的单回路单试验段气动轮廓,在试验段中设置了0．22°的当量扩散角,对拐角导流片外形作了特殊处理,并采用钢结构与混凝土结构相结合的立式结构。流场校验结果表明,大型回流边界层风洞的气动与结构设计能满足设计要求,某些指标甚至达到航空风洞的标准,在试验段中设置扩散角有利于降低轴向静压梯度,立式结构设计对提高试验段气流的水平均匀性有一定的作用,可为今后类似风洞的研制提供参考。     

菜园坝长江大桥主拱节段风洞试验及分析

中承式拱桥属于柔性空间结构,主拱上承受的脉动风荷载相互干扰。以重庆菜园坝长江大桥为研究对象,进行了湍流下的主拱单拱及双拱节段模型风洞试验。对模型表面脉动压力的功率谱、相关系数、水平和竖向相干函数进行了细致分析,讨论了双拱间距宽度比对脉动压力频域特性的影响。当间距宽度比大于5时,后拱风荷载受到前拱的干扰作用。当两拱间距宽度比小于5时,前后拱风荷载特性类似于组合截面。随间距宽度比变小,主拱涡脱落折算频率和压力功率谱逐渐增大,前后拱迎风面和背风面的相关系数及相干系数均逐步降低。     

FL-12风洞突风试验装置研制

论述了在FL-12风洞研制的垂直和水平两种突风发生器,两者都是通过电机驱动凸轮、凸轮带动连杆使叶片摆动,改变电机的转速和凸轮的偏心距来产生叶片不同的频率和振幅,同时还介绍了两种突风发生器的优缺点、安装方法以及减振隔振措施。通过突风流场的测量,得出：突风区域内左右和上下位置突风流场变化较小,前后位置突风流场变化规律为离叶片越近,正弦规律越明显,突风流场越纯正;离叶片越远,正弦风速受干扰越大,突风流场越不纯正;正弦突风流场的风速幅值与来流风速、叶片个数、叶片摆动频率和测点距叶片的风洞轴向距离有关,并且都是正相关的关系。最后简要介绍了突风响应及减缓两期试验,试验结果表明：突风发生器能产生均匀的垂直和水平突风流场,突风频率和强度均可满足弹性模型突风试验要求,FL-12风洞具备了突风响应试验研究技术。     

基于低矮建筑物实测数据的改进湍流物理模型

要准确模拟低矮建筑物壁面上分离涡位置的平均风压比较困难,这些区域在绕钝体流动中也是很关键的部位.本文在Spalart-Allamaras湍流物理模型的基础上,根据钝体绕流流场特性,结合低矮建筑物上的实测数据,调试并选取合适的参数,提高涡粘预测的准确性,提出了改进的S-A湍流物理模型.通过对6m立方体和Silsoe低矮建筑模型进行稳态数值模拟,由改进S-A湍流模型得到的屋面、背风和侧风面上平均风压结果,比目前公认的模拟钝体绕流效果较好的SST湍流模型有较大改善,比风洞实验更接近实测结果.由此可以看出,本文改进湍流模型的方法,将是一条提高预测建筑物表面平均风压精度很有效的途径.