环状结构涡激振动的数值模拟和风洞试验研究.pdf

西南交通大学
硕士学位论文
环状结构涡激振动的数值模拟和风洞试验研究
姓名：苗艳钊
申请学位级别：硕士
专业：结构工程
指导教师：李明水
201104
摘要西南交通大学硕士研究生学位论文第近二十年来，超高、大跨度和轻质建筑物中，结构对风作用的敏感性大大增强，风荷载成为此类建筑物控制设计的主要荷载之一。如何计算风对建筑物的作用已成为理论与工程晃关注的热点问题。伴随着计算机软硬件技术的迅速提升，数值模拟技术以其显著的优势和展现出的良好前景在结构风工程领域的研究中引起了越来越多的关注，并承担起越来越重要的角色。由于现代建筑体型日趋复杂，各国荷载规范所能提供的风载体型系数及风振情况又十分有限，国内外一般都通过风洞试验的方法来确定体型系数及其风振情况。本文依托软件平台，对常州东经线肮鬯こ探行了涡激振动相关方面研究。本文首先详细阐述了际跫捌浠±砺郏芙岢鲇τ眉扑懔魈辶ρ砑对钝体建筑物绕流风场进行模拟时其计算流域、网格划分、边界条件、湍流模型以及计算参数等的确定原则及方法。其次，针对该工程做了风洞试验相关研究。风洞试验进行了紊流场和均匀流场两种情况的分析工作，研究作用于建筑物上的风荷载及风致振动特性，为结构设计提供依据。气动弹性模型试验的主要目的是获得风可能引起的涡激振动、抖振、驰振等风致振动，从而对其抗风特性进行全面评价，并得到规范要求的风振系数。再次，对该塔出现涡激振动现象进行了数值模拟。数值模拟分为二维和三维模型进行模拟。分别用弧旰蚅两种湍流模型进行计算，用软件所得数据推导换算涡激振动频率值。最后，利用软件所得数据推导换算涡激振动频率数值与风洞试验进行了比较，最后详细分析了计算值与试验值间存在差别的原因。通过具体工程分析表明数值模拟是可靠的，采用计算流体动力学方法进行建筑物涡激振动研究是可行的。关键词湍流模型；计算风工程；风洞试验；涡激振动；数值模拟
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印戋偶觚蜘一庋兴隔鹦戋一庑趑眦ァ篢生枇ο凳、岛：ヒ升力系数：烈弧ⅲィ憾◇肔ぞ叵凳第绪论风的特性及风对建筑物的作用∑舻∑矿筑物来说，平均风荷载主要指作用在建筑物上的风力，包括顺风向力阻力横风向力嗔、竖风向力尼、顺风向弯矩愀擦、横风向弯矩。∑矿舱西南交通大学硕士研究生学位论文风是由于空气的压力差而形成的，风是一种资源，‘可以为人类所用，但是，当风速和风力超过一定限度时，它也可以给人类带来巨大灾害。年月牛琓在斗缱饔孟碌贾虑琶嬲鄱隙谷肷焦取牛K科代表性建筑乌克兰饭店塔楼被大风吹垮。年月号，北京首都国际机场航站楼屋顶的铁皮被风吹翻，延误航班嗉艽巍Ｕ庋脑趾褂泻芏啵绾卧诮筑设计时有效考虑风荷载是工程师要十分注意的问题之一。空气从气压大的地方流向气压小的地方形成风，对人们生产生活息息相关的是大气边界层的自然风，自然风具有湍流性，湍流风是由于风吹过地表，遇到摩擦力而产生的。湍流见在时间上、空间上都有复杂性和随机性，目前只有用统计学的方法来描述。位于地球表面的风速随高度的增加还不同，表示风速变化的图形称为风剖面。各类地表的不同风剖面也不同。大气边界层内的风由平均风和脉动风两部分组成。在大气边界层有两个特征长度尺度，在边界层下部，最重要的尺度是地面粗糙度，在上层接近自由边界处，边界层高度为重要尺度。下面的对数风剖面只考虑了地表粗糙度，只适用于近地面，大约在米以内。考虑大气边界层高度时，一般会对对数风剖面做一定的修正，如大于米／秒时，修正对数律在近地滓阅诘慕峁较准确的。规范给出的也是在大量实测与经验基础上给出的风剖面。由于自然风的湍流特性，风速可分成准定常的时均风速和非定常的脉动风速，因此，作用在建筑物上的风荷载包括平均风荷载和动态风荷载两部分。对于建岵嗔和扭矩。顺风向力、横风向力、竖风向力、顺风向弯矩、横风向弯矩和扭矩可用无量纲系数来表示当风以一定速度向前运动遇到阻碍时，将对阻碍物产生压力，在建筑物结构设．
圭∥结构风工程研究现状巍西南交通大学硕士研究生学位论文第计时，可以将平均风荷载的大小用风压来表示的。当速度为矿的气流流经建筑物上时，作用在其单位面积上的风的动压殖品缪梗谎沽可表示为为了统一方便起见，提出了基本风压的概念，基本风压是以当地比较空旷平坦地面上，离地叨却ν臣频暌挥龅膌平均最大风速1曜迹瓷鲜郊扑愕姆压。各地基本风压可据规范查得。静力风载由基本风压可以得高，除了静力风载外，建筑物还会受到动力风载作用，如果不加以控制，有可能引起动力失稳或引起其振动超出