建筑立面风驱雨气动干扰特性的数值模拟研究

风驱雨(Wind-Driven Rain,简称WDR)是建筑立面最主要的水分来源之一,对结构耐久性和建筑温湿性能存在重要影响。目前,WDR分布特性的研究主要针对单体布局,考虑群体布局条件下建筑立面WDR受气动干扰影响的研究仍比较缺乏,并且基于立面区域性特征的WDR气动干扰研究更为缺少。基于欧拉多相流模型的CFD数值模拟方法,在利用某群布局建筑WDR实测数据验证数值方法的基础上,模拟分析某两串列布局建筑WDR场,通过对气动干扰不同影响因素的定量分析,获取不同影响因素下受扰建筑迎风面中线位置抓取率、测点抓取率比值、局部区域干扰因子的气动干扰变化规律。结果表明:受扰建筑迎风面WDR干扰效应受施扰建筑高度和风速变化影响较大,而受建筑间距和雨强变化影响相对较小。对于建筑WDR干扰研究,局部区域干扰因子能更好地反映气动干扰对立面WDR分布的影响。     

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。     

下击暴流作用下群体高层建筑风压干扰特性的数值分析

针对布局变化对高层建筑下击暴流场气动干扰特性研究的缺乏,采用RNG k-ε湍流模型封闭求解N-S方程的RANS方法模拟下击暴流场,在与已有单体高层建筑下击暴流场试验数据进行对比验证的基础上,模拟研究两幢高层建筑布局的下击暴流风效应场。考虑建筑布局距风暴中心距离变化以及布局纵横向间距变化时,施扰建筑对受扰建筑立面风压的影响,获取立面风压干扰规律与特性。结果表明:受扰建筑迎风面干扰因子随风暴中心距离的增大而增大,突出表现在较大距离区间(r2D),且干扰作用随布局纵横向间距的变化存在较明显差异;当距风暴中心较近时(r2D),布局纵横方向间距变化对受扰建筑干扰因子的影响较小;在径向最大风速位置处(r/D=1.0),临近施扰建筑的受扰建筑侧风面风压相对单体情况有所减小,其干扰因子随布局纵向间距的增大而减小,随横向间距的增大而增大。     

建筑立面突出阳台对风驱雨分布影响的数值分析

风驱雨(Wind-Driven Rain,简称WDR)是引起建筑外墙渗水、墙体材料劣化等现象的主要潮湿源之一,其对结构的耐久性和建筑温湿性能产生了重要影响。考虑到建筑立面局部突出对WDR存在影响,结合量大面广的带突出阳台的多层建筑,采用欧拉-欧拉多相流模型对其迎风立面WDR分布特性开展模拟研究。通过模拟不同风速、雨强条件下的WDR场,分析掌握该类建筑立面WDR分布特性及其受风速、雨强影响规律。同时,与无阳台的建筑立面WDR雨强CFD模拟结果、ISO模型预测结果进行比较。分析表明:建筑突出阳台对WDR场存在显著影响,其立面雨强分布与不带阳台建筑存在较大差异,因此无论采用何种预测方法均不能忽略突出阳台的影响。     

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。     

下击暴流作用下低层建筑立面开洞对内外风压分布影响的研究

采用基于Reynolds时均方法(RANS方法)模拟下击暴流风场,在与已有试验数据进行对比验证的基础上,模拟分析立面开洞对低层建筑内外风压分布的影响,侧重考虑建筑处于径向最大风速位置(r/D_0=1.0),风向、开洞位置、开洞面数和开洞率的变化对内外风压分布的影响。分析结果表明:与封闭建筑相比,单面开洞建筑屋面内外合风压系数明显增大,在0°风向作用下,7.5%的开洞率引起开洞建筑屋面内外合风压系数的最大增幅,总体平均增幅约为300%;开洞面数的变化对建筑内风压有显著影响,在0°风向作用下,相对于单面开洞建筑,三面开洞建筑各分区内风压系数降低的幅度最大,降幅的最大值约为150%;在侧面开洞时,位置变化对建筑内外表面风压均有较大影响,对比同一分区处各工况间风压变化,最大外风压系数差为0.4左右,出现在侧面靠近迎风转角区域(D1、E1),各分区内风压系数差均约为0.4;风向变化对建筑内压也产生一定影响,可导致其值发生正负改变。当风向为30°时,相较于0°风向,双面开洞建筑侧面靠近背风转角区域(D4)内风压变化最大,内风压系数由-0.2变为0.32。     

依据各向异性分形理论的固定结合面椭圆弹塑性法向接触刚度建模及仿真分析

依据各向异性分形几何理论,将结合面微凸体拓展为椭球体,结合微凸体接触点面积大小分布函数以及概率论相关理论获得关于椭圆形接触点接触面积以及离心率的二维联合分布密度函数,应用椭球体的赫兹接触理论,进而建立了依据各向异性分形理论的结合面椭圆弹塑性法向接触刚度模型,并采用MATLAB软件对影响结合面法向刚度的相关因素进行了数值仿真及结果分析。结果表明：结合面椭圆形接触点离心率分布情形对结合面总刚度具有明显影响,结合面总刚度随形状参数 的增大而增大,却随着形状参数 的增大而减小;结合面法向刚度随法向载荷的增大而增大;在同一载荷作用下,结合面法向接触刚度随塑性指数增大而增大,随分形粗糙度的增大而减小,但是随分形维数的增大而先增后减。该模型对模型优化进而提高计算精度提供了一定的理论依据。     

西部山区双排抗滑桩的机理及设计研究

将公路、铁路桥梁多排桩计算的结构力学方法引入到双排抗滑桩的计算中。与其不同的是,滑动面以上存在滑坡体,而桥梁的最大冲刷线以上没有考虑这种土体的存在对滑动面以下m法的影响。本文提出了滑动面以下考虑滑坡体存在的修改m法一和修改m法二。本文还对滑动面以上前排桩桩后及后排桩桩前的土压力计算进行了实验分析研究,认为滑动面以上后排桩桩前的土压力可按静止土压力计算,滑动面以上前排桩桩后的土压力按静止土压力计算,但要增加排桩间土体的下滑力。同时,用有限杆单元法对双排桩的连梁刚度进行了分析,当满足不相互影响排桩间距的情况下,桩顶连梁与桩的刚度比不小于0.48是合适的,此时再增加连梁刚度无意义。本文认为双排桩节省费用,而且抵抗变形的能力强,值得在工程中研究和广泛应用。     

波浪与新型双排开孔圆筒防波堤相互作用三维数值模拟

双排开孔圆筒防波堤是基于圆筒、板式结构的一种复合式新型结构型式;基于不可压缩两相流模型建立三维数值波浪水槽,通过RNG k-ε湍流模型进行湍流封闭,并采用TruVOF方法捕捉自由液面,开展波浪与双排开孔圆筒防波堤相互作用数值模拟,探究相对排间距、开孔率对新型双排开孔圆筒防波堤消浪性能的影响,分析了后排开孔圆筒防波堤附近的复杂水动力现象和流动特性.结果表明,在本文研究工况范围内,沿程平均波高随相对排间距的增大先增大后减小,随开孔率的增大而增大,周期对沿程平均波高的影响没有明显规律;当B/D=9, e=23.11%时,新型双排开孔圆筒防波堤消浪效果最优,反射系数在0.4～0.46之间,透射系数在0.3～0.35之间,耗散系数在0.8～0.85之间;自由液面破碎、水气掺混、环状涡运动演化是新型双排开孔圆筒防波堤紊动耗能消波的主要原因;相对排间距会引起后排防波堤附近涡量分布以及剪切层形态的变化,从而导致不同的紊动特性,影响双排开孔圆筒防波堤消浪特性.研究结果可以为新型双排开孔圆筒防波堤工程设计与消浪机理研究提供理论支撑.     

双曲面屋盖的平均风压特点

通过风洞模拟实验对双曲面形屋盖的平均风荷载特点进行了研究.文中给出了屋盖的平均风荷载随风向角改变的变化特点和规律,特别讨论产生这些特点的原因及其流动机理.结果表明,在所有风向角下,双曲面屋盖除了在位于下游的边缘的挑檐位置外,都是负压分布.局部负压最大值主要出现在迎风挑檐的边缘部分.虽然屋盖的局部负压峰值随风向角改变,位置和数值变化都很大,然而,作为屋盖整体,平均风压平均值随风向角的变化很小.有关结果为类似建筑项目的风荷载设计和相应规范的制定和修改提供了有用的信息和材料.     

正交弹性材料中双周期裂纹反平面问题的封闭解

研究了无限大正交弹性材料中含双周期裂纹的反平面问题,其基本胞元含有三条裂纹,且三条裂纹的中心恰好位于一等腰三角形顶点。运用椭圆函数、保角变换理论、施瓦兹公式获得了该问题应力场的封闭解,并得到了裂纹尖端处的应力强度因子。该问题结果取特殊情形退化对应于单排共线周期裂纹的解答。通过数值算例,分析了双周期裂纹归一化的应力强度因子随双周期裂纹的横向间距和纵向间距之比/b a 分别取10、5、2、1时的变化曲线。结果表明：对于一定的横向间距,应力奇异因子随纵向间距的增大而减小,但随着纵向间距的增大,纵向间距对应力奇异因子的影响变得不明显;对于一定的纵向间距,应力奇异因子随横向间距的减小而减小,但随着横向间距的减小,横向间距对应力奇异因子的影响变得不明显。     

风向角对超高层建筑横风向效应的影响

随着建筑高度的增加,结构自振周期延长,抗侧刚度相对变小,风荷载效应增大。本文以200m高的高层建筑为研究对象,基于风洞试验所得的横风向风压时程数据对其结构进行了计算。试验模型缩尺比为1／400。试验取风向角从0°到45°,每级风向角增量为5°,模拟了两种地面粗糙度。对试验数据进行了迎风面和背风面气动效应的分析。考虑结构第一模态振型发生的位移,由振型分解法按Duhamel积分获得了结构顶点位移和顶点加速度,探讨了结构响应最大值和标准差与风向角、结构自振基频、地面粗糙度等因素的关系。研究表明：风荷载效应与风向角有密切的联系,结构最大响应一般发生在0°。     

钢桥塔斜拉索锚固区壁板的多孔应力集中特性

针对钢桥塔斜拉索锚固区连续布置椭圆形过索孔易产生的应力集中现象,对开任意多个椭圆孔无限大平面的力学模型建立了复应力函数,采用最小二乘边界配点法对应力场进行了求解,并与单个椭圆孔的理论解相比较,误差小于1%。结果表明:孔边应力集中系数随孔洞纵向间距增大而增大,随孔洞横向间距增大而减小,并最终都趋于定值。基于有限元分析,讨论了板件长宽比、开孔率、孔洞间距等参数对开单排和双排连续椭圆孔有限大板应力集中系数的影响情况;进一步在无限大平面计算结果基础上引入板宽修正系数,给出了便于工程应用的应力集中系数计算公式。     

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采用CFD数值模拟技术,对处于C类地貌风场中由3栋建筑形成的单列 建筑群进行静力风荷载和风场的数值模拟. 数值模拟采用良好适应性的非结构化四面体单元 进行网格划分,侧重模拟分析了各风向角下建筑间距的改变引起面平均风压系数的改变,由 此得到了此类群体建筑表面风压系数干扰因子在各风向角下随建筑间距变化的分布规律和特 征.     

直剪试验过程中剪切面上法向应力变化规律分析

首先推导出不同剪切位移下试样截面惯性矩表达式，然后计算得到试样剪切面上归一化最大、最小法向应力随剪切位移变化的关系曲线，发现两法向应力及其差值随剪切位移的增大而增大，随试样剪切面直径或剪切边长的增大而减小。当试样剪切面直径和边长相同时，圆形试样剪切面上的法向应力要比方形上均匀些。当试样剪切面为矩形，沿矩形长边方向剪切时，其上法向应力的分布要比沿短边方向剪切时均匀些。建议尽量使用剪切面为圆形的大样进行直剪试验。     

并列仿生鱼自主游动的数值模拟研究

采用自适应浸没边界方法,数值模拟了两条并列仿生鱼在不同间距下的同相位和反相位自主游动。通过与相同游动参数下单条仿生鱼自主游动的比较,可以得到结论:(1)并列自主游动的速度小于单条鱼游动的速度,并且随着间距减小而减小。相同间距下,反相位并列游动时的速度大于同相位;(2)并列游动时的阻力均大于单条鱼,且随着间距减小而增大;(3)反相位游动时功率消耗随间距减小而增大,但同相位游动则相反;(4)当间距大于0.5个身长时,推进效率都略有增大。所以,在综合考虑了游动速度和推进效率两方面的因素后认为,鱼群中并列相邻的两条鱼应当以反相位摆动,且侧向间距保持在0.5个身长以上,这与自然界中观察的结果是一致的。     

并列仿生鱼自主游动的数值模拟研究

采用自适应浸没边界方法,数值模拟了两条并列仿生鱼在不同间距下的同相位和反相位自主游动。通过与相同游动参数下单条仿生鱼自主游动的比较,可以得到结论：（1）并列自主游动的速度小于单条鱼游动的速度,并且随着间距减小而减小。相同间距下,反相位并列游动时的速度大于同相位;（2）并列游动时的阻力均大于单条鱼,且随着间距减小而增大;（3）反相位游动时功率消耗随间距减小而增大,但同相位游动则相反;（4）当间距大于0.5个身长时,推进效率都略有增大。所以,在综合考虑了游动速度和推进效率两方面的因素后认为,鱼群中并列相邻的两条鱼应当以反相位摆动,且侧向间距保持在0.5个身长以上,这与自然界中观察的结果是一致的。     

多层建筑屋顶风场的数值模拟

基于计算流体动力学软件Fluent17.2,以浙江温州大学某栋带女儿墙的多层试验教学楼为研究对象,采用RNG k-ε湍流模型对其进行数值模拟。通过对不同风向角下的数值模拟结果进行对比分析,探究屋顶风场与未受扰来流风场的区别,屋顶不同高度风场的差异,以及不同风向角来流情况下近屋面风场的分布特点、变化规律。结果表明:在离屋面高8m以下,屋顶风速变化剧烈混乱,屋面前沿、中部、后方区域的风速会随高度增加发生变化,并与未受扰来流风场相比存在较大差别;在女儿墙高度1.2m以下,屋面四周区域风速小于中部区域;在离屋面高1.2m~8m时,同一高度屋面前沿区域风速却要大于中部区域及后方区域;在不同的风向角来流下,当来流与建筑迎风面垂直时,屋顶风场沿中线对称分布。本文所得结论可为屋顶各类设备的抗风设计提供一定的参考依据。     

大跨度开合屋盖的风致干扰效应研究

采用计算流体力学(CFD)方法,研究了在不同开合情况下,受单体干扰建筑影响时大跨度开合屋盖结构的风压分布规律及风致干扰效应.首先采用TTU试验数据和风洞试验数据验证了CFD方法的准确性;然后研究了施扰建筑在不同条件下,目标大跨度开合屋盖表面的风压分布规律.研究结果表明:随着干扰建筑物与大跨度开合屋盖间距增大,结构表面的...     

垂向双蝠鲼变攻角滑翔水动力性能研究

为了探究垂向间距和攻角对双蝠鲼在沿垂向分布集群滑翔时的水动力性能影响,根据蝠鲼的实际外形建立了蝠鲼计算模型,设置了4种间距排布即0.25, 0.5, 0.75, 1倍体厚排布以及9种攻角状态即-8°～8°,随后借助Fluent软件进行了双蝠鲼变攻角、变垂向间距的集群滑翔数值模拟,结合流场压力云图以及速度云图对集群系统平均升/阻力以及集群中各单体的升/阻力进行了分析.数值计算结果表明:双蝠鲼沿垂向分布在攻角范围为-8°～8°进行集群滑翔时系统平均阻力均高于单体滑翔时所受阻力.单体在集群滑翔过程中获得减阻收益,当双蝠鲼以负攻角集群滑翔时,下方蝠鲼阻力减小,且垂向间距越小,减阻效果越明显;当以正攻角集群滑翔时,上方蝠鲼获得减阻收益.当双蝠鲼以负攻角滑翔时,系统平均升力大于单体滑翔时所受升力;当双蝠鲼以负攻角滑翔时,系统平均升力小于单体滑翔时所受升力,系统平均升力几乎不受垂向间距影响.下方蝠鲼升力始终大于上方蝠鲼升力,但随着垂向间距的增大,升力差距逐渐减小.