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高层建筑风荷载吸/吹气控制的数值模拟研究

郑朝荣  
【摘要】: 高强轻质材料的广泛应用,使得(超)高层建筑向着越来越高、越来越柔、阻尼比越来越小的方向发展,逐渐成为风敏感性结构,抗风设计已成为需重点考虑的关键因素。在强风作用下,(超)高层建筑在强度、变形和舒适度等方面的设计面临着严峻的挑战,而且其围护结构也时常遭受破坏,造成巨大损失。因此,研究(超)高层建筑风荷载的数值模拟技术,并进而研究风对(超)高层建筑的作用机理,探索采取空气动力学措施来减小风荷载和风致响应的策略和方法,具有十分重要的理论意义和实用价值。 流动控制是指采取一定的局部控制措施来改变钝体或流线体周围的全局流场,从而实现控制流动分离、改善绕流性能、减小阻力和提高翼型的升阻比等目的的控制方法。流动控制被认为是当前空气动力学最有发展潜力的研究领域之一。近年来,主动流动控制方法已成为流体力学中不断受人关注的课题,其中吸/吹气控制方法已在航空航天、管道输运和流体机械等领域中被广泛应用。为减小高层建筑的风致阻力,改善结构的抗风性能,本文将均匀吸/吹气控制方法引入到建筑结构中。在对吸/吹气控制下三维后台阶的流动分离进行数值验证和确认后,采用雷诺应力方程模型(RSM)对侧风面全高或沿高度分段吸/吹气控制下高层建筑模型的风荷载减阻性能进行了数值研究,阐明了吸/吹气控制的风荷载减阻机理。此外,本文还模拟了大气边界层中“真实”的入流湍流,并采用大涡模拟(LES)方法研究了CAARC标准高层建筑刚性模型的脉动风荷载,构建了建筑结构脉动风荷载的数值模拟技术。本文主要进行了以下几方面的工作: 1、分别采用基于RSM的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法、基于动 力Smagorinsky-Lilly模型(DSM)和动力动能亚格子模型(DKEM)的LES方法对均匀吸/吹气控制下三维后台阶的流动分离进行了定常和非定常数值模拟,并将数值结果与相应的实验数据进行了比较,确认了基于RSM的RANS方法和基于DKEM的LES方法模拟吸/吹气控制下钝体绕流的可信度,为下文研究采用均匀吸/吹气措施控制高层建筑风荷载的方法奠定基础。 2、采用RSM湍流模型对侧风面全高均匀吸/吹气控制下高层建筑模型的风荷载减阻性能进行了定常数值模拟,分析了吸/吹气孔的几何参数和流量参数对风荷载减阻性能的影响,并通过展示流场结构阐明了吸/吹气控制机理。讨论了吸/吹气所消耗的功率及其产生的反作用力,并拟合了阻力折减系数CDR和顺风向基底弯矩折减系数CMR的经验公式,为全高吸/吹气控制高层建筑的实际应用提供参考。 3、为解决全高吸/吹气高层建筑存在的设备安装困难、连续协同工作难以控制和影响建筑物的功能使用等缺点,采用RSM湍流模型对分段吸/吹气高层建筑模型的风荷载减阻性能进行了数值研究,基于最大风压折减效率和最小吸/吹气功率比较了分段吸/吹气模型和全高吸/吹气模型的减阻性能。回归了阻力折减效率ηDR和顺风向基底弯矩折减效率ηMR的经验公式,为分段吸/吹气控制高层建筑的实际应用提供参考。 4、从控制原理、控制参数和控制效果等方面比较了吸/吹气控制实现高层建筑风荷载减阻的异同,讨论了吸/吹气控制方法在高层建筑抗风设计中的应用及其实施的可行性。 5、在“真实”地模拟了大气边界层中的入流湍流基础之上,采用LES方法研究了CAARC标准模型的脉动风荷载特性,考察了数值模拟的多种参数对CAARC模型的表面风压分布特性、气动力参数和功率谱的影响。将数值计算结果与相应的风洞试验数据进行了比较,确认了入流湍流边界条件下LES方法模拟大气边界层中钝体绕流的脉动风荷载的可信度,从而为今后研究吸/吹气方法控制高层建筑的脉动风荷载和横风向的旋涡脱落特性奠定了基础。


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