风灾04 结构横风向风振.pdf

1 1 1 清华大学研究生课程灾害学 风风风风 灾灾灾灾 陆新征 清华大学土木工程系 2006 2 清华大学研究生课程灾害学 风洞 一个按照一定要求设计的管道体系内，采用动 力装置驱动可控制的气流，根据运动的相对性 和相似性进行各种气动试验的设备 风洞试验的优势 参数可控 测量方便 风洞试验的不足 相似比例设计困难 流场再现难度 3 清华大学研究生课程灾害学 风洞分类 直流式风洞 回流式风洞 直流式风洞优点 造价低 直流式风洞缺点 试验段气流品质受外界环境影响大 噪音大 4 清华大学研究生课程灾害学 北京大学的直流式风洞 5 清华大学研究生课程灾害学 直流式风洞 6 清华大学研究生课程灾害学 世界上主要直流边界层风洞 表 5-1 主要直流风洞一览表 试验段 收缩比 功率 速度 湍流度 长（m）宽（m）高（m） Hp m/s P. K. U. 32.00 3.00 2.00 41 175 116 1.0 C. S. U. 17.42 3.66 2.13 2.81 50 1.312 1.0 U. of W. Ontario 24.38 2.40 1.68 015.3 Oxford U.14.00 4.00 2.00 2.81 030 EPA 18.30 3.70 2.10 2.81 100 08 0.5 CPP 22.71 3.66 2.13 20 09.1 RWDI 13.00 2.40 1.90 P. K. U.北京大学；C. S. U. 科罗拉多州立大学；U. of W. Ontario 西安大略大学；Oxford U. 牛津大学；EPA 美国环保署；CPP，Cermak Petreka Petersen 风工程顾问公司；RWDI, Rowan Williams David Irwin 风工程 顾问公司 2 2 7 清华大学研究生课程灾害学 回流式风洞 8 清华大学研究生课程灾害学 同济大学的回流式风洞 9 清华大学研究生课程灾害学 回流式风洞 10 清华大学研究生课程灾害学 回流式风洞 11 清华大学研究生课程灾害学 风洞的主要组成 实验段 整个风洞的核心，长度应该是直径的1.5-2.5倍 调压缝 向风洞内补充空气 扩散段 减少气流速度，降低风洞耗能 导流片和整流装置 调整空气流的不均匀度，使气流的剖面和紊流度达到实际要 求 收缩段 产生需要速度的气流 动力段 12 清华大学研究生课程灾害学 风洞试验 风洞模型 量测方法 数据处理 风环境评价 3 3 13 清华大学研究生课程灾害学 风洞模型 几何相似 根据风洞试验段尺寸的要求以及大气边界层 厚度的模拟需要，在保证风洞中气流不堵塞 的条件下，把建筑物按一定比例缩小，加工 制作成实验模型，确保该建筑模型的外形尺 寸和几何形状与实际建筑物完全相似。 14 清华大学研究生课程灾害学 风洞模型 大气边界层相似 粘性大气流附着地面附近 时，因地面粗糙度的影 响，形成了很大的沿垂直 方向的风速梯度，其相对 增量因地表磨擦不同而 异，风洞实验必须按建筑 物所处环境的风速梯度的 规律模拟沿高度的变化。 此外大气边界层气流中具 有复杂的湍流结构，其湍 流强度随高度的变化及风 谱规律都应得到相似的满 足。 15 清华大学研究生课程灾害学 风洞模型 动力相似（雷诺数相似） 风洞模拟实验中的动力相似，是一个十分重要的相似 准则，动力相似主要指实物的雷诺数（Reynolds number）与模型的雷诺数要相等或接近。因为雷诺数 Re的大小直接影响到流体绕经光滑表面的分离位置， 也即从层流转换到湍流。 动力相似是风洞试验中非常重要也是非常困难的问 题，需要根据具体问题按经验选择合适的模拟方法。 ν LVref Re 16 清华大学研究生课程灾害学 大气边界层模拟 布置尖塔和粗糙源的目的可以促使总体气流大气边界 层的形成，在模型上游布满粗糙源可以诱使地表附近 初始速度亏损，最后在模型附近能形成一个具有接近 地面粗糙度的流场，使其风速剖面和大气湍流度剖面 达到要求。也即满足α指数和湍流度Iu的要求。 17 清华大学研究生课程灾害学 大气边界层模拟 0.000.200.400.600.801.00 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 Z/Zref α U/Uref 0.24 Iu 0.0 5.010.0 15.020.0 25.0Iu U/Uref 18 清华大学研究生课程灾害学 风洞模型和测压孔 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 2930 31 32 33 34 35 36 37 38 39 4041 42 43 44 45 46 47 48 49 50 5152 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 7374 75 76 77 78 79 80 81 82 8384 85 86 87 88 89 90 91 92 93949596 east 4 4 19 清华大学研究生课程灾害学 风洞模型和测压孔 20 清华大学研究生课程灾害学 风压量测 HyScan2000 电子扫描阀电子扫描阀 测测 压压 孔孔 压力传感器压力传感器 ZOC2000 16位位A/D变换器变换器 SPC3000 气源驱动器气源驱动器 参考压力参考压力 Pref 计算机计算机 显示器 图形显示 显示器 图形显示 打印机 数据输出 打印机 数据输出 21 清华大学研究生课程灾害学 风速测量 热线风速仪是利用电流通过金属导线时会使导线温度 升高而当流体流经金属表面时会带走部分热量的原理 来量测流体的速度。当探针（probe）上探测元 （sensor）所在位置的电阻R值因温度的改变而改变 时，会使电桥失去平衡。 22 清华大学研究生课程灾害学 热线风速测量 23 清华大学研究生课程灾害学 建筑模型风洞试验 24 清华大学研究生课程灾害学 建筑模型风洞试验 5 5 25 清华大学研究生课程灾害学 全桥风洞试验 26 清华大学研究生课程灾害学 节段模型风洞试验 27 清华大学研究生课程灾害学 刚性节段模型风洞试验 28 清华大学研究生课程灾害学 弹性节段模型风洞试验 29 清华大学研究生课程灾害学 风洞试验结果 结构表面风压 结构体形系数 0.4 0.5 0.5 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3 0.2 0.1 0.3 0.3 0.4 0.4 0.4 0.5 0.4 0.2 0.4 0.1 0.1 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.3 0.3 0.10.2 0.2 0.3 0.1 0.4 0.5 0.5 0.4 0.4 0.3 0.20.2 0.2 0.2 0.3 0.4 0.4 0.4 0.5 0.4 0.4 0.40.2 0.4 0.4 0.4 0.4 0.2 -0.1 0.2 0.4 0.4 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.2 0.1 0.1 0.2 0.3 0.3 0.4 0.5 0.5 0.4 0.3 0.4 0.5 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3 0.2 0.1 0.1 0.1 0.0 0.1 0.40.50.50.4 0.4 0.3 0.2 0.2 0.2 0.2 0.3 0.4 0.4 0.4 0.5 0.4 0.4 0.4 0.2 0.4 0.4 0.4 0.4 0.2 -0.1 0.2 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.2 0.3 0.3 0.4 0.5 0.4 0.3 0.3 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.3 0.3 0.20.2 0.3 0.3 0.4 0.4 0.40.4 0.2 0.2 0.2 0.4 0.2 0.30.4 0.4 0.5 0.4 0.2 0.1 0.1 0.0 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.10.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.2 0.20.3 0.4 0.5 0.4 0.4 0.3 0.2 0.1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.4 0.5 0.5 0.3 0.4 0.4 0.5 0.4 0.4 0.3 0.2 0.1 west northeast A 30 清华大学研究生课程灾害学 动力风试验 由于风洞中模型尺寸过小，想实现动力 比相似是非常困难的， 可以采用近似的方法 测量结构上受到的风速时程 建立结构的计算模型 将实测风速时程施加到结构上，计算结构的 动力响应，推算结构受到的动力作用 6 6 31 清华大学研究生课程灾害学 风环境评价 风洞实验室所量测到各风向测点风速除以边界层厚度处风速使其成为无 量纲化风速。 利用无量纲风速和实际风场成比例的关系求得边界层高度的评估风速。 将边界层高度的评估风速代入各风向风速机率函数，求得各风向测点发 生机率。 最后将各风向测点发生机率分别累加，则各测点发生机率为所求。 相对舒适性 活动性 适用的区域 可容忍 不舒适 危险 快步 人行道 6 7 8 慢步 公园 5 6 8 短时间站立，坐 公园，广场 4 5 8 长时间站立，坐 室外餐厅 3 4 8 可接受代表性准则 1 次/1 周 1 次/1 月 16 1 00 ]/exp[ i ik icViVVpα i 风向 频率α（i）平均风速m/s cim/s ki 1NW 15.11 4.96 5.10 1.60 2NNW 13.40 4.75 5.00 1.74 3N 7.64 3.28 3.10 1.72 4NNE 7.55 2.70 2.45 1.51 33 清华大学研究生课程灾害学 风压数值模拟 土木工程结构尺度较大，风洞实验相似比复 杂，实验模拟难度较大 数值模拟可以较好地克服模型尺寸效应的影响 土木工程结构大部分为钝体，流体力学同样面 临很多困难 34 清华大学研究生课程灾害学 流体力学的基本方程 Navier-Stokes方程 对于牛顿流体 解法 直接数值模拟DNS 大涡模拟LES Reynolds平均法 1 ij jij i j i R xx p x u u t u ∂ ∂ − ∂ ∂ − ∂ ∂ ∂ ∂ ρ 35 清华大学研究生课程灾害学 DNS方法 直接对N-S方程进行数值求解 优点 无需对涡流进行任意假设，理论上可以得到 精确的结果 缺点 目前计算机水平无法实现 0.10.1m的流动区域内，高Reynolds情况 下涡流最小尺度10μm，计算网格要达到 1012量级，积分步长要小于100μs 36 清华大学研究生课程灾害学 LES方法 为了模拟湍流，要求计算域要大于最大 的涡流，网格要小于最小的漩涡 LES方法的基本思想 对漩涡进行分类 对大涡用直接法求解 对小涡用平均法求解 计算量大大减小，精度有效提高 目前还在研究阶段，很热 7 7 37 清华大学研究生课程灾害学 Reynolds平均法 不直接求解瞬时的N-S方程，而是求解平均化 以后的Reynolds方程 思路 建立平均意义上的湍流模型，例如湍流的动能和耗 散率等 将N-S方程作时域上的平均化处理，用湍流的平均 动能增加和平均能量耗散来建立Reynolds方程 联想钢筋混凝土有限元中不分别求解骨料和 砂浆，而是视作一种均匀材料 38 清华大学研究生课程灾害学 Reynolds平均法（续） 关键问题 构造合理的湍流模型，可以较好地模拟流体 的平均效果 构造合适的分析网格，得到合理的差分解 39 清华大学研究生课程灾害学 著名的流体计算软件 CFX 是一种实用流体工程分析工具，用于模拟流体流动、传热、多相 流、化学反应、燃烧问题。其优势在于处理流动物理现象简单而 几何形状复杂的问题。CFX采用有限元法，自动时间步长控制， SIMPLE算法，代数多网格、ICCG、Line、Stone和Block Stone解 法。能有效、精确地表达复杂几何形状，任意连接模块即可构造 所需的几何图形。 FLUENT FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场 占有率为60。举凡跟流体/热传递及化学反应等有关的工业均可 使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后 处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等 方面都有着广泛的应用。 40 清华大学研究生课程灾害学 ANSYS软件中的流体计算 FLOTRAN模块 收购了CFX， FLUENT公司，加强在该方 面的能力 可以分析二维、三维，层流、湍流，稳 态、瞬态流动问题 可以考虑流体和固体的相互作用 41 清华大学研究生课程灾害学 ANSYS中的湍流模型 Standard k-ε model （简称SKE模型） Re-Normalized Group Turbulence model（简称RNG模型） k-ε Model due to Shih （简称NKE模型） Nonlinear Model of Girimaji （简称GIR模型） Shih, Zhu, Lumley Model （简称SZL模型） k-ω Turbulence Model（简称SKW模型） Shear Stress Transport Turbulence Model 简称SST模型 42 清华大学研究生课程灾害学 不同湍流模型计算效果比较 H H α 8 8 43 清华大学研究生课程灾害学 正方形屋面风压 44 清华大学研究生课程灾害学 方形柱体绕流 H H -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 01234567 相对距离D/H 相对速度V/V0 SKERNG NKEGIR SZLSKW SST 风洞试验 45 清华大学研究生课程灾害学 圆柱绕流 α -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 0306090120150180 角度α 相对压力P/P0 SKERNG NKEGIR SZLSKW SST 实验 46 清华大学研究生课程灾害学 建筑物风压模拟 47 清华大学研究生课程灾害学 流固耦合分析 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 SKERNGNKEGIRSZLSKWSSL 模型名称 相对误差 最大位移误差 振动频率误差 E3.5GPa ρs1200kg/m3 L1m d10mm U10m/s U L d 48 清华大学研究生课程灾害学 对不同湍流模型的评价 SKE RNG NKE GIR SZL SKW SST 正方形房屋风压分布 △ △ 正方形柱体绕流 △ 圆柱体绕流（压力分布） △ 圆柱体绕流（流场分布） 带隔板流固耦合 △ 符号说明较好；△一般；较差 9 9 49 清华大学研究生课程灾害学 Fluid in a damper 50 清华大学研究生课程灾害学 CFRP索流固耦合风振分析 模型参数 E200GPa,ρ1400kg/m3, L100m, R0.1m 预应力 500MPa 200MPa 100MPa 平稳风压 51 清华大学研究生课程灾害学 Animations 52 清华大学研究生课程灾害学 计算结果 500MPa预应力 0 5 10 15 20 25 30 35 00.511.52 时间 s 相对变形dX/D Steel CFRP 0 5 10 15 20 25 30 00.20.40.60.811.2 时间 s 相对位移dX/D SZL RNG 53 清华大学研究生课程灾害学 风压作用 500MPa预应力 535 540 545 550 555 560 565 570 00.511.52 时间 s 压力 Pa 0 5 10 15 20 25 30 相对位移 dX/D 正面风压 相对变形 540 545 550 555 560 565 570 00.511.5 时间 s 压力 Pa -5 0 5 10 15 20 25 30 相对位移 dX/D 正面风压 相对变形 RNG SZL 54 清华大学研究生课程灾害学 计算结果 200MPa预应力 0 10 20 30 40 50 60 70 80 01234 时间 s 相对变形dX/D CFRP_200 CFRP_500 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 01234 时间 s 相对变形dX/D Steel_200 CFRP_200 1010 55 清华大学研究生课程灾害学 风压作用 200MPa预应力 迎风面风压 侧面风压 530 535 540 545 550 555 560 565 570 575 580 01234 时间 s 压力 Pa 0 10 20 30 40 50 60 70 80 相对位移 dX/D 正面风压 相对变形 -630 -620 -610 -600 -590 -580 -570 01234 时间 s 压力 Pa 0 10 20 30 40 50 60 70 80 相对位移 dX/D 侧面风压 相对变形 56 清华大学研究生课程灾害学 Water in TLD LTLD2m