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.     

雷暴冲击风下输电塔风振特性试验研究

基于自主开发的试验装置,在常规边界层风洞中实现了大比例稳态雷暴冲击风剖面的模拟,并以输电塔气弹模型为研究对象,采用非接触式位移测量仪测量模型的风振响应,分析了不同类型雷暴冲击风场下输电塔的平均位移特性,并与常规B类风场下的风振特性进行了对比。试验结果显示,输电塔的风振响应均以两个方向的一阶弯曲振型为主,扭转响应和高阶弯曲响应不显著。随风速增加,不同风场下输电塔位移响应均呈抛物线趋势增大,最大风速处于塔头部位的冲击风场引起的输电塔位移响应明显高于最大风速处于塔身中部冲击风下的响应值,B类风场下的响应介于两类冲击风场间,且不同风场下位移响应间的差距也随风速增加不断增大。     

不同风场下TNT炸药爆炸烟云的扩散模型及特性

为获取不同风场下TNT爆炸烟云扩散时空分布规律与高度变化模型，本文理论描述了爆炸烟云扩散过程与机理，开展了不同水平风速下烟云扩散的计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）仿真和外场时空分布实验，建立了不同水平风速下烟云高度随时间变化模型及烟云最终高度计算模型，分析了烟云扩散过程中形态、温度、密度、速度变化规律。研究结果显示:CFD方法仿真烟云分布结果与实验结果基本一致，大气稳定且无风条件下烟云高度随时间呈指数0.5的幂函数关系，最终高度与爆炸当量可拟合为指数0.47的幂函数模型；水平风会加快烟云与空气混合的速度，导致幂函数模型中指数参数随风速变大而呈线性减小规律，风速越大烟云上升速度衰减越快、上升时间越短、最终高度越低。     

群体建筑风环境的数值模拟及分析

群体建筑的布局优化及结构抗风设计都需要准确预测建筑群的风环境．针对风环境研究的必要性, 将气体流场数值模拟(CFD)方法引入建筑群风场效应的预测和研究中,侧重模拟分析了建筑群的布局改变而引起的风速及风压场的变化,获得了特定情形下较合理的气动布局;同时表明数值模拟方法可以作为风洞试验的前期预测手段,并为群体建筑的布局优化及结构抗风设计提供科学依据．     

下击暴流风场中格构塔风载荷特性研究

下击暴流引发的结构破坏在世界各地都有发生,而我国相关的设计规范尚未考虑这种强风载荷。针对下击暴流天气下角钢格构塔的风载荷特性问题,通过求解NS方程,获得了全尺度下击暴流风场的风速剖面分布;首次采用结构化网格生成技术,针对一个典型的角钢格构塔单元节段模型进行了网格划分;根据计算所得到的不同位置的风速剖面,研究了格构塔的风载荷特性,得到了角钢格构塔在下击暴流风场中0.5D+100m、0.5D+250m、0.5D+500m、0.5D+1000m、0.5D+2000m、0.5D+3000m、0.5D+4000m位置处所受风载荷的情况(其中D代表入口直径)。结果表明计算得到的风载荷体型系数与GB50009标准规定值吻合良好。本文验证了对于格构塔这种复杂结构外形采用结构化网格进行CFD数值模拟的可行性,为以后整体塔架的数值模拟奠定了基础。     

三维风场下的不同桥梁断面形式的气动特性数值分析

基于计算流体力学(CFD)方法,计算风对桥梁的静力作用。首先在二维和三维风场环境中,分别计算了同一桥梁断面的三分力系数,将其与风洞试验结果进行了对比。然后在三维风场下,分别以扁平箱梁、分离式双边箱梁和∏型梁三种经典桥梁断面为结构模型,建立-5°～+5°共11个风攻角下的流场模型,以剪切应力输运k-ω模型为湍流模型,提取不同攻角下的三分力系数,绘制了桥梁结构模型周围的风场特征图,包括压力云图、速度和旋涡的分布图,分析不同桥梁断面形式的抗风性能。结果表明,三维的计算结果更加接近试验值,其阻力系数和升力系数与试验值的误差分别为1.36%和0.054%。通过三维数值分析得到的数据可以初步确定抗风性能好的断面类型,能为大跨度桥梁的设计与研究提供重要参数。     

基于风压分布特性的折叠网壳结构形状优化研究

针对风敏感结构折叠网壳存在抗风不利区域和风压梯度变化较大的力学行为,为优化其在风荷载作用下的表面风压分布,降低结构的风致响应,基于流体动力学基本原理和大气边界层基本理论,运用Fluent软件对折叠网壳结构风压分布进行数值模拟的基础性研究,对比风洞试验结果,确定复杂体型结构数值模拟的计算域尺寸、计算域离散和湍流模型等关键参数的选取。在此基础上对8种折叠网壳结构形状优化方案进行分析,得到其分区体型系数和体型系数的标准差,对比结构初始形态表面风压,最终得到具有良好抗风性能的最优方案,化解了结构的不利风压分布。结果表明,CFD数值分析技术能够有效地解决风敏感结构在风荷载作用下的形状优化问题,为结构体型优化和研发新型野营房屋提供了一个设计方法和理论依据。     

基于数值模拟方法的自然通风器风载体型系数研究

基于Fluent软件平台,采用混合网格划分,选用Realizable k-ε湍流模型,对某自然通风器的风场进行三维数值模拟研究.选择0°、45°、90°、135°和180°等风向,每个风向考虑39m/s风速,此外对0°、180°两风向还考虑了57m/s风速.通过模拟,得到了主通风器导流片的风载体型系数.经计算,0°,180°两个风向的风场对导流片抗风影响较大,基于此对这两个风向的计算结果进行了详细分析.在数值模拟过程中引人多孔介质阶跃模型模拟次通风器导流片,在降低模型复杂程度和减少计算量的同时,保证了数值模拟结果的可靠性.分析表明,基于数值模拟方法得到的风载体型系数在不同风向和风速的情况下呈现一定的变化规律性,为确定自然通风器类结构的风载体型系数提供了合理依据.     

基于风时程模拟的高耸结构风致响应有限元分析

高耸结构柔性较大,对风荷载较为敏感,相比一般风的影响,台风作用下的高耸结构更易产生强烈的动力响应.考虑台风的基本特性,选取合适的台风风速谱,运用数值模拟方法,仿真得到了与结构竖向相关的18条脉动风载时程样本.采用有限元方法建立某高耸钢塔结构的三维有限元模型,并在时域内研究其在台风作用下的动力响应.侧重比较研究了结构线性与非线性对高耸钢塔结构风致动力响应影响,并与采用经典的Davenport谱的计算结果进行了比较.研究表明:同一种风谱计算的风载作用下,考虑几何非线性影响的高耸结构风致位移响应略大于线性情况下的计算结果,但差别不是太大;采用台风风谱计算风致结构动力响应的峰值和均方差比采用Davenport谱的计算结果大得多.     

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.