高層建筑風(fēng)荷載吸-吹氣控制的數(shù)值模擬研究.pdf

1、高強輕質(zhì)材料的廣泛應(yīng)用，使得（超）高層建筑向著越來越高、越來越柔、阻尼比越來越小的方向發(fā)展，逐漸成為風(fēng)敏感性結(jié)構(gòu)，抗風(fēng)設(shè)計已成為需重點考慮的關(guān)鍵因素。在強風(fēng)作用下，（超）高層建筑在強度、變形和舒適度等方面的設(shè)計面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，而且其圍護(hù)結(jié)構(gòu)也時常遭受破壞，造成巨大損失。因此，研究（超）高層建筑風(fēng)荷載的數(shù)值模擬技術(shù)，并進(jìn)而研究風(fēng)對（超）高層建筑的作用機(jī)理，探索采取空氣動力學(xué)措施來減小風(fēng)荷載和風(fēng)致響應(yīng)的策略和方法，具有十分重要的理論意義和

2、實用價值。
　　流動控制是指采取一定的局部控制措施來改變鈍體或流線體周圍的全局流場，從而實現(xiàn)控制流動分離、改善繞流性能、減小阻力和提高翼型的升阻比等目的的控制方法。流動控制被認(rèn)為是當(dāng)前空氣動力學(xué)最有發(fā)展?jié)摿Φ难芯款I(lǐng)域之一。近年來，主動流動控制方法已成為流體力學(xué)中不斷受人關(guān)注的課題，其中吸/吹氣控制方法已在航空航天、管道輸運和流體機(jī)械等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。
　　為減小高層建筑的風(fēng)致阻力，改善結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能，本文將均勻吸/吹氣控制

3、方法引入到建筑結(jié)構(gòu)中。在對吸/吹氣控制下三維后臺階的流動分離進(jìn)行數(shù)值驗證和確認(rèn)后，采用雷諾應(yīng)力方程模型（RSM）對側(cè)風(fēng)面全高或沿高度分段吸/吹氣控制下高層建筑模型的風(fēng)荷載減阻性能進(jìn)行了數(shù)值研究，闡明了吸/吹氣控制的風(fēng)荷載減阻機(jī)理。此外，本文還模擬了大氣邊界層中“真實”的入流湍流，并采用大渦模擬（LES）方法研究了 CAARC標(biāo)準(zhǔn)高層建筑剛性模型的脈動風(fēng)荷載，構(gòu)建了建筑結(jié)構(gòu)脈動風(fēng)荷載的數(shù)值模擬技術(shù)。
　　本文主要進(jìn)行了以下幾方面的工

4、作：
　　1、分別采用基于RSM的雷諾平均 Navier-Stokes（RANS）方法、基于動力Smagorinsky-Lilly模型（DSM）和動力動能亞格子模型（DKEM）的LES方法對均勻吸/吹氣控制下三維后臺階的流動分離進(jìn)行了定常和非定常數(shù)值模擬，并將數(shù)值結(jié)果與相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，確認(rèn)了基于RSM的RANS方法和基于DKEM的LES方法模擬吸/吹氣控制下鈍體繞流的可信度，為下文研究采用均勻吸/吹氣措施控制高層建筑風(fēng)荷

5、載的方法奠定基礎(chǔ)。
　　2、采用RSM湍流模型對側(cè)風(fēng)面全高均勻吸/吹氣控制下高層建筑模型的風(fēng)荷載減阻性能進(jìn)行了定常數(shù)值模擬，分析了吸/吹氣孔的幾何參數(shù)和流量參數(shù)對風(fēng)荷載減阻性能的影響，并通過展示流場結(jié)構(gòu)闡明了吸/吹氣控制機(jī)理。討論了吸/吹氣所消耗的功率及其產(chǎn)生的反作用力，并擬合了阻力折減系數(shù)CDR和順風(fēng)向基底彎矩折減系數(shù)CMR的經(jīng)驗公式，為全高吸/吹氣控制高層建筑的實際應(yīng)用提供參考。
　　3、為解決全高吸/吹氣高層建筑存在的

6、設(shè)備安裝困難、連續(xù)協(xié)同工作難以控制和影響建筑物的功能使用等缺點，采用RSM湍流模型對分段吸/吹氣高層建筑模型的風(fēng)荷載減阻性能進(jìn)行了數(shù)值研究，基于最大風(fēng)壓折減效率和最小吸/吹氣功率比較了分段吸/吹氣模型和全高吸/吹氣模型的減阻性能?；貧w了阻力折減效率ηDR和順風(fēng)向基底彎矩折減效率ηMR的經(jīng)驗公式，為分段吸/吹氣控制高層建筑的實際應(yīng)用提供參考。
　　4、從控制原理、控制參數(shù)和控制效果等方面比較了吸/吹氣控制實現(xiàn)高層建筑風(fēng)荷載減阻的異同

7、，討論了吸/吹氣控制方法在高層建筑抗風(fēng)設(shè)計中的應(yīng)用及其實施的可行性。
　　5、在“真實”地模擬了大氣邊界層中的入流湍流基礎(chǔ)之上，采用LES方法研究了 CAARC標(biāo)準(zhǔn)模型的脈動風(fēng)荷載特性，考察了數(shù)值模擬的多種參數(shù)對CAARC模型的表面風(fēng)壓分布特性、氣動力參數(shù)和功率譜的影響。將數(shù)值計算結(jié)果與相應(yīng)的風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，確認(rèn)了入流湍流邊界條件下LES方法模擬大氣邊界層中鈍體繞流的脈動風(fēng)荷載的可信度，從而為今后研究吸/吹氣方法控制高層建