基于CFD和PIV技術(shù)的大跨屋蓋表面流動(dòng)結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、大跨空間結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、柔性大、阻尼小等特點(diǎn)決定了其對(duì)風(fēng)荷載十分敏感，同時(shí)其往往相對(duì)低矮，在大氣邊界層中處于風(fēng)速梯度大、湍流度高的區(qū)域，其結(jié)構(gòu)表面及周圍的空氣動(dòng)力作用和繞流運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，屋蓋表面將形成各種尺度旋渦，其中最具顯著流動(dòng)特征且破壞性較強(qiáng)的旋渦為分離泡和錐形渦，它們能在屋面迎風(fēng)拐角和分離區(qū)內(nèi)誘導(dǎo)形成強(qiáng)勁風(fēng)吸力，致使該區(qū)域首先發(fā)生局部破壞，這也是引起屋蓋最終破壞的元兇。鑒于此，本文以大跨平屋蓋和馬鞍屋蓋為研究對(duì)象，以旋渦在屋面上的三維流動(dòng)

2、形態(tài)及其誘導(dǎo)下風(fēng)吸力產(chǎn)生機(jī)理為研究目標(biāo)，開(kāi)展了一系列研究:
　　1.針對(duì)大跨屋蓋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究了其CFD模擬的關(guān)鍵技術(shù);運(yùn)用邊界層理論推導(dǎo)出網(wǎng)格劃分時(shí)首層網(wǎng)格近似高度公式;對(duì)三種不同湍流入口的LES結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明:建議流域上游、下游長(zhǎng)度不宜小于8h和16h（h為模型高度），流域?qū)捀呷。?6h～18h）和10h為宜，遞增系數(shù)取1.15。Realizable k-ε模型在平均風(fēng)壓和旋渦流線方面預(yù)測(cè)精度最高。依據(jù)不同湍流模

3、型限定的y+值確定的首層網(wǎng)格高度可提高模擬的準(zhǔn)確度和計(jì)算效率。三種脈動(dòng)入口生成方法中，隨機(jī)生成法與風(fēng)洞結(jié)果吻合最理想，接近真實(shí)湍流狀態(tài)，線性濾波法和渦量擾動(dòng)法模擬結(jié)果均整體偏大。
　　2.通過(guò)PIV試驗(yàn)觀察了均勻流、格柵紊流下平屋蓋和馬鞍屋面分離泡現(xiàn)象，從時(shí)均、瞬態(tài)特征分析了渦核運(yùn)動(dòng)軌跡的異同，揭示出屋面的三維分離泡流動(dòng)結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明:①對(duì)于平屋蓋，兩種來(lái)流下當(dāng)風(fēng)向垂直于迎風(fēng)前緣時(shí)形成典型的分離泡。均勻流下，旋渦總體在順風(fēng)向是扁橢

4、圓形，幾乎橫跨整個(gè)屋面，在屋面的中部區(qū)域分離泡渦核位置最高，往兩側(cè)邊緣高度在不斷降低，且離迎風(fēng)前緣距離也在減小;格柵紊流下，分離泡的體積明顯小于均勻流，渦核高度較低，渦核位置離迎風(fēng)前緣距離較近。湍流度增大導(dǎo)致旋渦再附長(zhǎng)度變短，但并不能使其渦量峰值有所改變。湍動(dòng)能峰值主要集中在分離泡旋渦中心，之后以橢圓環(huán)形向外逐漸減小，隨著來(lái)流向下游發(fā)展，渦量將逐漸耗散。②對(duì)于馬鞍屋蓋，均勻流下僅在迎風(fēng)高點(diǎn)至迎風(fēng)中點(diǎn)區(qū)段形成扁的橢圓形分離泡，旋渦橫跨整個(gè)

5、屋面，在迎風(fēng)中點(diǎn)至低點(diǎn)區(qū)域則無(wú)法形成旋渦;格柵紊流下分離泡形成區(qū)域同均勻流相同，但旋渦橫截面積明顯小于均勻流，且渦核位置離迎風(fēng)前緣更近。隨著矢跨比的增大，渦核離迎風(fēng)前緣的距離及旋渦的橫截面積均在增大，而矢跨比對(duì)分離泡渦核高度影響較小。
　　3.通過(guò)PIV試驗(yàn)觀察了均勻流、格棚工況下平屋蓋和馬鞍屋面錐形渦現(xiàn)象，利用CFD技術(shù)分析了不同及同一風(fēng)向角下錐形渦的空間演化規(guī)律，推斷出錐形渦的三維形態(tài)特征，結(jié)果表明:①對(duì)于平屋蓋，15°風(fēng)向僅

6、在主要迎風(fēng)前緣形成單側(cè)錐形渦，30°和45°風(fēng)向在迎風(fēng)前緣兩側(cè)出現(xiàn)一對(duì)錐形渦結(jié)構(gòu)。從總體上看，旋渦是以迎風(fēng)拐角處分離點(diǎn)為頂點(diǎn)，往后發(fā)展旋渦橫截面積在不斷增大的橢圓錐體結(jié)構(gòu)，且渦流緊貼于屋蓋表面。均勻流下的渦核橫截面積和渦核高度均大于格柵紊流，紊流下渦軸位置更加靠近迎風(fēng)前緣。渦量在迎風(fēng)前緣附近和旋渦周圍達(dá)到最大，湍動(dòng)能峰值主要集中在錐形渦旋渦中心。②對(duì)于馬鞍屋蓋，當(dāng)來(lái)流以馬鞍低點(diǎn)為迎風(fēng)點(diǎn)時(shí)，在低點(diǎn)處發(fā)生流動(dòng)分離并未形成錐形渦;當(dāng)來(lái)流以馬鞍

7、高點(diǎn)為迎風(fēng)點(diǎn)時(shí)，15°風(fēng)向下，旋渦在順風(fēng)向分布范圍較廣同時(shí)兼顧錐形渦和分離泡特征。隨著風(fēng)向角的增大，兩側(cè)迎風(fēng)前緣逐漸形成一對(duì)錐形渦結(jié)構(gòu)，旋渦形態(tài)從扁的橢圓錐體逐漸演變成圓錐體，且渦軸也開(kāi)始向迎風(fēng)前緣靠近。均勻流下隨著風(fēng)向角的增大，兩類矢跨比(1/12，1/6)馬鞍屋面渦核與迎風(fēng)前緣的距離及渦核高度均在不斷減小，而馬鞍的迎風(fēng)墻面高度對(duì)旋渦位置影響較小。無(wú)論來(lái)流是均勻流還是格柵紊流，曲率較大馬鞍屋蓋形成的偏轉(zhuǎn)角較大，隨著風(fēng)向角的增大，偏轉(zhuǎn)角

8、幾乎成直線下降趨勢(shì)，相比均勻流，紊流下錐形渦偏轉(zhuǎn)角更小。
　　4.利用模型風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)，研究了均勻流、格柵紊流和B類地貌工況平屋蓋、馬鞍屋蓋在典型風(fēng)向下屋面的風(fēng)壓特性，揭示了在旋渦作用下各測(cè)點(diǎn)間的互相關(guān)性和脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜特性，結(jié)果表明:①分離泡誘導(dǎo)下平屋蓋迎風(fēng)前緣區(qū)平均、脈動(dòng)風(fēng)壓均達(dá)到最大，隨著與迎風(fēng)前緣距離的增加屋面風(fēng)壓逐漸減弱。三種來(lái)流下屋蓋順風(fēng)向各測(cè)點(diǎn)間互相關(guān)性為指數(shù)衰減，順風(fēng)向測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓譜從迎風(fēng)前緣中低頻脈動(dòng)過(guò)渡到屋蓋后方的

9、高頻脈動(dòng)。②錐形渦誘導(dǎo)下平屋蓋最大平均、脈動(dòng)風(fēng)壓出現(xiàn)在下三角區(qū)的迎風(fēng)頂點(diǎn)附近，30度時(shí)錐形渦誘導(dǎo)的平均、脈動(dòng)風(fēng)壓均達(dá)到最強(qiáng)。隨著風(fēng)向角的增加，錐形渦的作用范圍逐漸減小。渦軸方向迎風(fēng)點(diǎn)附近測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓譜譜峰值與其對(duì)應(yīng)的屋面風(fēng)吸力成正比例關(guān)系。③分離泡誘導(dǎo)下馬鞍屋蓋迎風(fēng)低點(diǎn)附近平均、脈動(dòng)風(fēng)壓達(dá)到最大。迎風(fēng)高點(diǎn)處前緣測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓譜以低頻為主導(dǎo)，迎風(fēng)低點(diǎn)處從低頻到高頻譜能量不斷增加，在高頻段達(dá)到最大。④錐形渦誘導(dǎo)下馬鞍屋蓋隨著風(fēng)向角的增大更加凸顯其鐘形

10、分布特征。矢跨比較大時(shí)其渦軸的擺動(dòng)范圍、頻率均顯著增大，且渦軸是作偏向迎風(fēng)邊緣做非等頻率的搖擺運(yùn)動(dòng)。錐形渦形成發(fā)展階段低頻脈動(dòng)占優(yōu)，往屋蓋后方發(fā)展時(shí)中頻段譜峰值逐漸增大。
　　5.基于大跨平屋蓋和馬鞍屋蓋風(fēng)洞試驗(yàn)實(shí)測(cè)值，利用面積時(shí)程法得到全風(fēng)向下平屋蓋和馬鞍屋蓋最不利的局部體型系數(shù)，并將計(jì)算結(jié)果與各國(guó)荷載規(guī)范進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)引入Davenport峰值因子法、Hermite矩模型理論分別計(jì)算高斯區(qū)、非高斯區(qū)峰值因子，得到屋蓋表面最