湿下击暴流作用下建筑立面雨压分布特性的数值分析

下击暴流作用于建筑物将产生严重破坏,虽然其引起的风荷载已有较多研究,但均局限于无降雨的干下击暴流作用情况。目前,已有研究表明风雨环境下的建筑风驱雨(wind-driven rain,WDR)可能产生较显著的雨压荷载,因此对有降雨的湿下击暴流作用下建筑立面WDR雨压开展研究十分必要。基于建筑WDR数值模拟方法,引入欧拉多相流模型,采用RNG k-ε湍流模型封闭求解N-S方程,模拟求解湿下击暴流的建筑WDR场,侧重考虑建筑距风暴中心位置及雨强变化的情况,分析迎风面WDR雨压分布特性并与干下击暴流作用下的纯风压进行比较。结果表明:随着建筑远离风暴中心,雨压存在先增大后又减小的现象;迎风面沿竖直中心线上同处的雨压可达纯风压的20%,且迎风面较大风压、雨压均出现在建筑底部位置,因此湿下击暴流风压与雨压联合作用将比较显著,需要考虑其对建筑的影响。     

大跨度桥梁空间脉动风场的计算机模拟

针对现有Deodatis方法模拟大跨度桥梁空间脉动风场中存在的计算量问题,通过对谱分解矩阵引入插值近似,减少谱分解的次数,从而提高该谐波合成法的计算效率,并节省内存花费,实现了对三维空间脉动风场的有效模拟。改进方法模拟的脉动风速样本仍保持各态历经性,且逐渐收敛到目标功率谱。用改进的Deodatis方法模拟了润扬长江悬索桥桥面主梁上作用的纵向脉动风速。结果表明,该改进措施对Deodatis方法的应用效果非常明显,改进的Deodatis方法模拟脉动风速样本的相关函数与目标相关函数均吻合良好。尽管改进后的Deo-datis方法对谱分解矩阵采用了插值近似,但模拟的随机风速样本仍具有很好的精度。     

上海中心大厦脉动风荷载模拟研究

风荷载是超高层建筑设计的主要荷载之一,对超高层建筑进行风振时程分析能更准确和直观地了解结构风振响应的特性.为了进行风振响应时程分析,必须较为准确地模拟作用在结构上的脉动风荷载.首先,本文采用基于自回归(AR)模型的线性滤波法对上海中心大厦场地的脉动风速时程进行了数值模拟,通过检验模拟脉动风速的功率谱和相干函数平方根与目标值的吻合程度,验证了基于AR模型模拟超高层建筑脉动风速时程的可行性.然后,本文考虑了上海中心大厦外形向上扭转收缩的特点,由模拟的脉动风速时程计算生成作用在结构上的脉动风荷载.     

大跨悬索桥三维非平稳耦合抖振分析

基于Priestley(1967)演变功率谱模型，并采用Lin和Yang(1983)的建议，建立了脉动风速的非平稳功率谱模型。依据此模型，采用三维有限元法，建立了大跨桥梁非平稳耦合抖振运动方程。然后，将虚拟激励法和精细时程积分法相结合，建立了求解桥梁三维非平稳耦合抖振运动方程的快速算法。以某大跨悬索桥为例，分析了该桥的非平稳耦合抖振响应，并与平稳耦合抖振响应进行了比较。计算结果表明：随着脉动风速平稳部分持时的增大，非平稳抖振分析结果逐渐收敛于平稳抖振分析结果；但若脉动风速的平稳部分持时较短，非平稳抖振分析结果将低于平稳抖振分析结果。     

下击暴流移动对其水平风速及影响高度的作用

针对下击暴流整体移动对其水平风速的增大效应,采用数值模拟方法(CFD)得到全尺寸下击暴流不同径向位置的风剖面,并与线性叠加算法得到的水平移动下击暴流的风剖面进行对比,发现线性叠加方法在R/D≤1.1径向区间内不能准确体现下击暴流整体水平移动对沿其整体移动方向上的纵向风速剖面的影响。为此,本文提出了非线性预测方法,准确地得到了下击暴流不同水平移动速度条件下的不同径向位置风剖面;结合风剖面计算该公式与大气边界层风速分布,研究了地表粗糙度、10m高度参考风速、下击暴流初始出流速度等对下击暴流影响高度的作用。结果表明:整体水平移动下击暴流影响高度的最大值出现在R/D≤1.13范围;地面粗糙度增加明显降低了该影响高度;整体移动速度增大显著增加了下击暴流的影响高度。     

基于AR法的摩天轮结构脉动风速数值模拟

风荷载一般为高耸空间结构设计中的控制因素,而脉动风荷载是摩天轮结构动力效应研究的关键.结合功率谱与空间相关性,应用线性滤波法中的AR法(auto-regressive model)模拟摩天轮结构的脉动风速,通过对比模拟谱与目标谱的吻合程度,并结合摩天轮结构自身的特点,确定了适用于摩天轮结构的Davenport谱及其相关参数的取值.为摩天轮结构的风振响应分析奠定基础,并对相似结构的风工程应用方面具有参考价值.     

基于S变换的非平稳随机过程演变功率谱密度估计

提出了一种基于S变换的估计Priestley非平稳随机过程演变功率谱密度的方法。此方法的根本在于,相对于S变换的"变换核",Priestley非平稳随机过程的调制函数为慢变函数。因此,非平稳随机过程的S变换可视为相位修正后的另一非平稳随机过程。推导出了对应于特定频率点的S变换瞬时均方值和非平稳随机过程演变功率谱密度之间的关系式。将功率谱密度函数表达为有限个频率点的级数展开,通过求解一组代数方程,就能得到级数展开中每个频率点的时变系数,由此,可给出非平稳随机过程的演变功率谱密度。由于级数展开中的高斯形状函数不依赖于时间,因此,本文所提算法具有较高的计算效率。最后,给出了均匀调制和非均匀调制非平稳随机过程演变功率谱估计的算例。     

考虑非稳态风荷载斜拉索风雨激振响应分析

为研究自然风荷载对斜拉桥拉索风雨激振的影响，将数值模拟的非稳态风荷载作用到拉索振动微分方程中，对拉索振动响应进行了详细分析。首先，针对水线初始位置，使用最小二乘法拟合得到水线初始位置方程；接着，采用四阶Runge-Kutta法求解拉索振动响应。通过比较在非稳态风和稳态平均风作用下的拉索响应，发现在非稳态风荷载下拉索最大振幅的变化趋势并没有发生较大改变，皆是随着风速的增大先增大后减小；但拉索的整个振动过程发生了变化，伴随着节拍改变，其最大振幅也出现在不同振动周期内。此外，从风速-振幅曲线知，对频率为1 Hz，2 Hz和3 Hz的拉索，在一定风速范围内，考虑非稳态风荷载的拉索振幅反而更大，而且此时的风速范围也更大。     

下击暴流作用下双坡屋面建筑风荷载分布特性研究

采用RNG k-ε湍流模型模拟下击暴流场,在与已有建筑下击暴流场试验数据进行对比验证的基础上,模拟分析了下击暴流对双坡屋面建筑的风压作用;侧重考虑了建筑处于下击暴流径向最大风速位置(r/D_0=1.0)处,风向与坡角变化及有无挑檐对风压分布的影响。分析结果表明:风向与坡角的变化对表面风压有显著影响,坡角变化时,屋面风荷载体型系数最大增幅达到152.2%;随风向角增大,迎风面总体风荷载体型系数呈显著减小趋势,而背风面的负压绝对值则有较大提高,其系数变化幅度达到120.7%;因风向变化,侧风面风荷载体型系数出现261.4%的增幅;有无挑檐对建筑表面风压也产生影响,但主要表现在迎风面近挑檐区域的风压发生较大改变。     

大跨屋盖结构非高斯风场的快速模拟算法研究

针对屋盖结构风压场的非高斯特性,本文提出一种多变量平稳非高斯风压场模拟的新方法。文中首次采用四参数指数函数表达风压过程和高斯过程之间的转换关系,推导出关于指数函数所含参数的非线性方程组,利用双变量联合高斯分布的特性获得相关函数的转换关系。通过上述方法,将非高斯风压场表达为虚拟高斯过程的函数,从而采用谐波合成法生成风压时间序列。工程实例表明,本文算法计算效率和模拟精度高,适合实际工程应用。     

风机叶片涂层雨蚀研究

研究了风电叶片在雨水冲击下的失效过程,利用有限元方法建立雨水冲击的数值模型,分析了雨滴的冲击角度、直径、涂层性能等对涂层受力的影响,并对双雨滴及四雨滴耦合模型进行了研究。结果表明:风雨耦合流场中叶片最大载荷在叶尖处,涂层的冲击受力与雨滴冲击角度和雨滴直径的大小呈正相关。低模量涂层能大幅降低涂层受冲击时的拉伸应力,小幅增加其压缩应力。同一平面内的双雨滴耦合时,拉伸应力受影响的范围较大,压缩应力受影响的范围较小。不同高度差下的双雨滴耦合中,随着高度差的增大,材料拉伸和压缩应力都呈现先增后减的趋势,其中压缩应力随高度差的变化幅度明显大于拉伸应力。四雨滴耦合时压缩应力对间距的变化更加敏感。涂层失效的过程主要为:涂层表面拉应力疲劳产生微裂纹;液压渗透引起裂纹扩展,涂层质量减少,表面粗糙度增加;表面小范围破坏后形成的凹面结构促进涂层的失效。     

大跨度双曲屋盖结构表面风驱雨压力分布研究

强风来临时常常伴有强降雨,雨滴在风荷载的作用下会对结构产生较大的撞击力,并产生了风驱雨作用,加剧了结构所受荷载。但荷载规范中对大跨度屋盖结构的抗风雨设计值尚未给出明确规定。本文采用数值模拟的欧拉-欧拉方法,研究了正方形、矩形、圆形、椭圆形等四种常见大跨度双曲屋盖表面在风驱雨作用下的平均压力分布,并与已有风荷载作用的风洞实验结果进行了对比。研究发现:风雨作用下最不利双曲屋盖投影形状为正方形,其次为矩形;在风雨联合作用下双曲屋盖表面平均压力受到雨压力、风吸力、风压力共同作用,且都是屋盖前端处平均压力系数较大,变化梯度较大。研究得到了不同双曲屋盖风驱雨作用下的平均压力系数及其变化规律,为类似结构的抗风雨设计提供了参考。     

雷暴冲击风风洞设计及流场测试

鉴于雷暴冲击风试验装置的特殊性以及与低速直流风洞的共通性,参考低速直流风洞的设计方法设计完成了试验装置的洞体结构,并制作了具有调节功能的平板来模拟地面.通过调节平板,该装置能够同时改变冲击风强度、直径、射流高度、入射倾角等冲击风参数.试验测得稳态条件下射流口下竖向风速分布,以及沿竖向分布和水平分布的水平风速,研究了水平距离、高度及冲击风参数的影响.研究结果表明:最大水平风速出现的高度与其水平位置有关;射流速度V_(jet)与射流直径D_(jet)在一定范围内对试验结果影响不大;射流高度h与入射倾角α对冲击风的流场有明显影响.     

Numerical simulation of flow over an airfoil in heavy rain via a two-way coupled Eulerian–Lagrangian approach

Airfoil performance degradation in heavy rain has attracted many aeronautical researchers’ eyes. In this work, a two-way momentum coupled Eulerian–Lagrangian approach is developed to study the aerodynamic performance of a NACA 0012 airfoil in heavy rain environment. Scaling laws are implemented for raindrop particles. A random walk dispersion approach is adopted to simulate raindrop dispersion due to turbulence in the airflow. Raindrop impacts, splashback and formed water film are modeled with the use of a thin liquid film model. The steady-state incompressible air flow field and the raindrop trajectory are calculated alternately through a curvilinear body-fitted grid surrounding the airfoil by incorporating an interphase momentum coupling term. Our simulation results of aerodynamic force coefficients agree well with the experimental results and show significant aerodynamic penalties at low angles of attack for the airfoil in heavy rain. An about 3° rain-induced increase in stall angle of attack is predicted. The loss of boundary momentum by raindrop splashback and the effective roughening of the airfoil surface due to an uneven water film are testified to account for the degradation of airfoil aerodynamic efficiency in heavy rain environment.     

Modeling vortex-shedding effects for the stochastic response of tall buildings in non-synoptic winds

This study derives a model for the vortex-induced vibration and the stochastic response of a tall building in strong non-synoptic wind regimes. The vortex-induced stochastic dynamics is obtained by combining turbulent-induced buffeting force, aeroelastic force and vortex-induced force. The governing equations of motion in non-synoptic winds account for the coupled motion with nonlinear aerodynamic damping and non-stationary wind loading. An engineering model, replicating the features of thunderstorm downbursts, is employed to simulate strong non-synoptic winds and non-stationary wind loading. This study also aims to examine the effectiveness of the wavelet-Galerkin (WG) approximation method to numerically solve the vortex-induced stochastic dynamics of a tall building with complex wind loading and coupled equations of motions. In the WG approximation method, the compactly supported Daubechies wavelets are used as orthonormal basis functions for the Galerkin projection, which transforms the time-dependent coupled, nonlinear, non-stationary stochastic dynamic equations into random algebraic equations in the wavelet space. An equivalent single-degree-of-freedom building model and a multi-degree-of-freedom model of the benchmark Commonwealth Advisory Aeronautical Research Council (CAARC) tall building are employed for the formulation and numerical analyses. Preliminary parametric investigations on the vortex-shedding effects and the stochastic dynamics of the two building models in non-synoptic downburst winds are discussed. The proposed WG approximation method proves to be very powerful and promising to approximately solve various cases of stochastic dynamics and the associated equations of motion accounting for vortex shedding effects, complex wind loads, coupling, nonlinearity and non-stationarity.     

Numerical simulation and analysis of the effect of rain and surface property on wind-turbine airfoil performance

The performance of wind turbines is significantly affected by the atmospheric condition of their operating environment. Because rain is a common phenomenon in many parts of the world, understanding its effect on the performance of wind turbines provides valuable information in determining the site for a new wind farm. We developed a multiphase computational fluid dynamics (CFD) model to estimate the effect of rain by simulating the actual physical process of rain droplets forming a water layer over the blades by coupling the Lagrangian Discrete Phase Model (DPM) and the Eulerian Volume of Fluid (VOF) models. We applied our model to a wind-turbine blade airfoil and studied the effect of rain for different rainfall rates in addition to the effect of surface tension and surface property of the airfoil. We observed that, at low rainfall rates, the performance of the airfoil is highly sensitive to the rainfall rate. However, if the rainfall rate is high enough to immerse most of the airfoil surface under water, a further increase in the rainfall rate does not have a substantial effect on the performance of the airfoil.     

随机风场下高层结构振动隔震与TMD混合控制研究

针对风荷载作用下高层建筑结构振动控制问题,基于建筑隔震和调谐质量阻尼器振动控制原理,利用ANSYS软件分别建立高层结构带隔震层和带调谐质量阻尼器(TMD)的单一控制策略以及两者相结合的混合振动控制策略。根据Davenport脉动风速谱,采用自回归模型(AutoRegressive,AR)法,考虑竖向相关性、平稳的多变量随机过程以及它的互谱密度矩阵模拟生成具有随机性的脉动风速时程曲线和风速谱的功率谱密度,并用于20层钢结构Benchmark结构模型。系统比较三种振动控制策略在顺风向脉动风载作用下的控制效果,结果表明隔震与TMD混合振动控制方法可以有效地抑制结构风振响应,控制效果很好地弥补了单一振动控制的缺陷。本文方法可应用于大尺度高层结构振动控制中,实现高层建筑结构风振响应的可靠控制。     

Experimental investigation on non-stationary wind loading effects generated with a multi-blade flow device

Overcoming the spatial constraints of the small-scale wind tunnel at Northeastern University, a multi-blade flow device (MBFD) has been installed within the facility’s test chamber to generate ramps in measured wind velocities by redirecting horizontally driven flows. As a continuation feasibility study, this paper analyzes the aerodynamic loads imparted on a building model from these simulated non-stationary outflows. Base forces are recorded with a high-frequency force balance sensor (HFFB) and compared to digital simulations using a modified quasi-steady aerodynamic load approach. Under certain conditions, the forces obtained from both physical and numerical procedures coincide well with each other, although differences arise due to assumptions and deficiencies in the modeling. Nonetheless, results indicate that altering horizontal flows with this device is suitable for replicating non-stationary aerodynamic loads, within the confines of a small-scale wind, “straight” tunnel.     

随机风-浪一体化降维建模及风机结构可靠度研究

基于随机脉动风场和随机波浪力场的谱表示降维模拟方法，采用脉动风速Davenport谱与波浪P-M谱对风、浪谱参数进行一体化构造，并应用相同的基本随机变量来保障风、浪模拟的概率信息一致，实现了随机风-浪一体化降维建模。进一步，基于ANSYS有限元软件建立了近海风机塔架数值计算模型，并以顶点位移为指标，进行了三种工况下结构的动力可靠度分析。数值算例验证了随机风-浪一体化降维建模方法的有效性。结构动力分析结果表明，风荷载对风机塔架顶点位移响应的影响占主导地位，同时波浪荷载的作用亦不可忽略。此外，随机风-浪一体化降维方法生成的代表性样本概率信息完备，可与概率密度演化理论结合实现海工结构在风浪共同作用下的精细化动力响应及可靠度分析。