大跨度柱面屋蓋氣動特性雷諾數效應研究.pdf

1、雷諾數效應一直是建筑工程抗風研究中的重要基礎性問題。近年來，各種造型新穎的大跨度屋蓋結構不斷涌現，隨著屋蓋跨度的增加和質量輕型化，抗風設計要求更為精細化，越來越多的學者開始關注大跨度屋蓋的雷諾數效應。眾所周知，對于曲面屋蓋結構，其氣動參數隨雷諾數變化顯著，但至今尚無系統(tǒng)研究這種雷諾數效應的影響。大跨度屋蓋結構大都處于大氣邊界層底層，其周圍氣流的繞流模式較為復雜，影響建筑雷諾數效應的因素諸多，主要包括屋蓋幾何特征、表面粗糙度和近地面高湍流

2、度三個方面。
　　本文基于經典圓柱繞流的風洞試驗，驗證了試驗方法的正確性，并探討了表征雷諾數效應的關鍵氣動參數及相應的識別方法；以大跨柱面屋蓋為研究對象，采用風洞試驗的方法重點探討了不同幾何特征（包括長寬比、矢跨比）、來流湍流和表面粗糙度對柱面屋蓋雷諾數效應的影響；在此基礎上，提出了考慮雷諾數效應的風荷載估計方法，為今后的相關研究方向提供一些建議。本文主要開展了以下幾個方面的工作：
　　（1）雷諾數效應在形式上表現為不同雷諾

3、數條件下流動狀態(tài)、邊界層分離和旋渦作用的差異，進而直接影響氣動參數，因而反過來從風洞測壓試驗獲得的氣動參數信息可以用于再挖掘流場特點。基于此，本文提出結合模型表面風壓分布來識別流動轉捩與邊界層分離的方法，利用譜正交分解法來識別旋渦作用，通過分析不同雷諾數下主導旋渦的作用特點，并定量評估其對脈動風壓場的能量貢獻，為結構抗風設計提供參考。
　?。?）柱面屋蓋與圓柱的差異主要體現在壁面邊界的影響上，為探究其影響規(guī)律，通過在圓柱前后設置導

4、流板的方式模擬了柱面屋蓋的邊界條件。研究發(fā)現，前導流板的主要作用是通過增加來流湍流度促使分離邊界層提前轉捩，后導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，使得來流中產生附加湍流，這是造成柱面屋蓋與經典圓柱雷諾數效應差異的根本原因。
　?。?）幾何特征是影響柱面屋蓋雷諾數效應的主要因素。針對不同長寬比和矢跨比柱面屋蓋的雷諾數效應展開系統(tǒng)的風洞試驗研究，通過分析模型氣動參數隨雷諾數的變化規(guī)律，獲得轉捩區(qū)間大致在6.9

5、×104~4.14×105范圍內，研究表明屋蓋長寬比的減小會推遲分離邊界層由層流向湍流的過渡，而矢跨比減小的影響則呈相反的變化趨勢。
　?。?）在利用格柵建立的不同湍流度均勻流場中對柱面屋蓋進行變雷諾數測壓試驗。研究表明，來流湍流對雷諾數效應的影響需要從湍流度和積分尺度兩方面進行考察，流場湍流度的增加會促使分離邊界層提前轉捩，而湍流積分尺度主要對脈動風荷載的雷諾數效應存在顯著影響，在雷諾數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，進而增加屋蓋頂面和尾流區(qū)的風壓脈動；系統(tǒng)研究了表面粗糙度（相對粗糙度 ks/D=3.0×10-4~7.5×10-4）對柱面屋蓋雷諾數效應的影響，增加表面粗糙度使得轉捩區(qū)間向低雷諾數區(qū)域平移，但值得注意的是升力系數值明顯減小，因此采用增加表面粗糙度來模擬高雷諾數的氣動特性時，需要對測量數值進一步修正，有待于更深入研究。
　　（5）針對平均風荷載，基于理想流體勢流理論