大跨度柱面屋蓋氣動(dòng)特性雷諾數(shù)效應(yīng)研究.pdf

1、雷諾數(shù)效應(yīng)一直是建筑工程抗風(fēng)研究中的重要基礎(chǔ)性問(wèn)題。近年來(lái)，各種造型新穎的大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，隨著屋蓋跨度的增加和質(zhì)量輕型化，抗風(fēng)設(shè)計(jì)要求更為精細(xì)化，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始關(guān)注大跨度屋蓋的雷諾數(shù)效應(yīng)。眾所周知，對(duì)于曲面屋蓋結(jié)構(gòu)，其氣動(dòng)參數(shù)隨雷諾數(shù)變化顯著，但至今尚無(wú)系統(tǒng)研究這種雷諾數(shù)效應(yīng)的影響。大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)大都處于大氣邊界層底層，其周?chē)鷼饬鞯睦@流模式較為復(fù)雜，影響建筑雷諾數(shù)效應(yīng)的因素諸多，主要包括屋蓋幾何特征、表面粗糙度和近地面高湍流

2、度三個(gè)方面。
　　本文基于經(jīng)典圓柱繞流的風(fēng)洞試驗(yàn)，驗(yàn)證了試驗(yàn)方法的正確性，并探討了表征雷諾數(shù)效應(yīng)的關(guān)鍵氣動(dòng)參數(shù)及相應(yīng)的識(shí)別方法；以大跨柱面屋蓋為研究對(duì)象，采用風(fēng)洞試驗(yàn)的方法重點(diǎn)探討了不同幾何特征（包括長(zhǎng)寬比、矢跨比）、來(lái)流湍流和表面粗糙度對(duì)柱面屋蓋雷諾數(shù)效應(yīng)的影響；在此基礎(chǔ)上，提出了考慮雷諾數(shù)效應(yīng)的風(fēng)荷載估計(jì)方法，為今后的相關(guān)研究方向提供一些建議。本文主要開(kāi)展了以下幾個(gè)方面的工作：
　?。?）雷諾數(shù)效應(yīng)在形式上表現(xiàn)為不同雷諾

3、數(shù)條件下流動(dòng)狀態(tài)、邊界層分離和旋渦作用的差異，進(jìn)而直接影響氣動(dòng)參數(shù)，因而反過(guò)來(lái)從風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)獲得的氣動(dòng)參數(shù)信息可以用于再挖掘流場(chǎng)特點(diǎn)?；诖耍疚奶岢鼋Y(jié)合模型表面風(fēng)壓分布來(lái)識(shí)別流動(dòng)轉(zhuǎn)捩與邊界層分離的方法，利用譜正交分解法來(lái)識(shí)別旋渦作用，通過(guò)分析不同雷諾數(shù)下主導(dǎo)旋渦的作用特點(diǎn)，并定量評(píng)估其對(duì)脈動(dòng)風(fēng)壓場(chǎng)的能量貢獻(xiàn)，為結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。
　?。?）柱面屋蓋與圓柱的差異主要體現(xiàn)在壁面邊界的影響上，為探究其影響規(guī)律，通過(guò)在圓柱前后設(shè)置導(dǎo)

4、流板的方式模擬了柱面屋蓋的邊界條件。研究發(fā)現(xiàn)，前導(dǎo)流板的主要作用是通過(guò)增加來(lái)流湍流度促使分離邊界層提前轉(zhuǎn)捩，后導(dǎo)流板則抑制了尾流中的旋渦脫落。研究揭示了由于壁面邊界的存在，使得來(lái)流中產(chǎn)生附加湍流，這是造成柱面屋蓋與經(jīng)典圓柱雷諾數(shù)效應(yīng)差異的根本原因。
　　（3）幾何特征是影響柱面屋蓋雷諾數(shù)效應(yīng)的主要因素。針對(duì)不同長(zhǎng)寬比和矢跨比柱面屋蓋的雷諾數(shù)效應(yīng)展開(kāi)系統(tǒng)的風(fēng)洞試驗(yàn)研究，通過(guò)分析模型氣動(dòng)參數(shù)隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律，獲得轉(zhuǎn)捩區(qū)間大致在6.9

5、×104~4.14×105范圍內(nèi)，研究表明屋蓋長(zhǎng)寬比的減小會(huì)推遲分離邊界層由層流向湍流的過(guò)渡，而矢跨比減小的影響則呈相反的變化趨勢(shì)。
　?。?）在利用格柵建立的不同湍流度均勻流場(chǎng)中對(duì)柱面屋蓋進(jìn)行變雷諾數(shù)測(cè)壓試驗(yàn)。研究表明，來(lái)流湍流對(duì)雷諾數(shù)效應(yīng)的影響需要從湍流度和積分尺度兩方面進(jìn)行考察，流場(chǎng)湍流度的增加會(huì)促使分離邊界層提前轉(zhuǎn)捩，而湍流積分尺度主要對(duì)脈動(dòng)風(fēng)荷載的雷諾數(shù)效應(yīng)存在顯著影響，在雷諾數(shù)和湍流度相同的情況下，小積分尺度湍流旋渦(

6、0.18≤Lx/D≤0.33)更容易滲入到表面邊界層和分離剪切流中，進(jìn)而增加屋蓋頂面和尾流區(qū)的風(fēng)壓脈動(dòng)；系統(tǒng)研究了表面粗糙度（相對(duì)粗糙度 ks/D=3.0×10-4~7.5×10-4）對(duì)柱面屋蓋雷諾數(shù)效應(yīng)的影響，增加表面粗糙度使得轉(zhuǎn)捩區(qū)間向低雷諾數(shù)區(qū)域平移，但值得注意的是升力系數(shù)值明顯減小，因此采用增加表面粗糙度來(lái)模擬高雷諾數(shù)的氣動(dòng)特性時(shí)，需要對(duì)測(cè)量數(shù)值進(jìn)一步修正，有待于更深入研究。
　?。?）針對(duì)平均風(fēng)荷載，基于理想流體勢(shì)流理論