大跨度柱面屋盖气动特性雷诺数效应研究

摘要

雷诺数效应一直是建筑工程抗风研究中的重要基础性问题。近年来，各种造型新颖的大跨度屋盖结构不断涌现，随着屋盖跨度的增加和质量轻型化，抗风设计要求更为精细化，越来越多的学者开始关注大跨度屋盖的雷诺数效应。众所周知，对于曲面屋盖结构，其气动参数随雷诺数变化显著，但至今尚无系统研究这种雷诺数效应的影响。大跨度屋盖结构大都处于大气边界层底层，其周围气流的绕流模式较为复杂，影响建筑雷诺数效应的因素诸多，主要包括屋盖几何特征、表面粗糙度和近地面高湍流度三个方面。
　　本文基于经典圆柱绕流的风洞试验，验证了试验方法的正确性，并探讨了表征雷诺数效应的关键气动参数及相应的识别方法；以大跨柱面屋盖为研究对象，采用风洞试验的方法重点探讨了不同几何特征（包括长宽比、矢跨比）、来流湍流和表面粗糙度对柱面屋盖雷诺数效应的影响；在此基础上，提出了考虑雷诺数效应的风荷载估计方法，为今后的相关研究方向提供一些建议。本文主要开展了以下几个方面的工作：
　　（1）雷诺数效应在形式上表现为不同雷诺数条件下流动状态、边界层分离和旋涡作用的差异，进而直接影响气动参数，因而反过来从风洞测压试验获得的气动参数信息可以用于再挖掘流场特点。基于此，本文提出结合模型表面风压分布来识别流动转捩与边界层分离的方法，利用谱正交分解法来识别旋涡作用，通过分析不同雷诺数下主导旋涡的作用特点，并定量评估其对脉动风压场的能量贡献，为结构抗风设计提供参考。
　　（2）柱面屋盖与圆柱的差异主要体现在壁面边界的影响上，为探究其影响规律，通过在圆柱前后设置导流板的方式模拟了柱面屋盖的边界条件。研究发现，前导流板的主要作用是通过增加来流湍流度促使分离边界层提前转捩，后导流板则抑制了尾流中的旋涡脱落。研究揭示了由于壁面边界的存在，使得来流中产生附加湍流，这是造成柱面屋盖与经典圆柱雷诺数效应差异的根本原因。
　　（3）几何特征是影响柱面屋盖雷诺数效应的主要因素。针对不同长宽比和矢跨比柱面屋盖的雷诺数效应展开系统的风洞试验研究，通过分析模型气动参数随雷诺数的变化规律，获得转捩区间大致在6.9×104~4.14×105范围内，研究表明屋盖长宽比的减小会推迟分离边界层由层流向湍流的过渡，而矢跨比减小的影响则呈相反的变化趋势。
　　（4）在利用格栅建立的不同湍流度均匀流场中对柱面屋盖进行变雷诺数测压试验。研究表明，来流湍流对雷诺数效应的影响需要从湍流度和积分尺度两方面进行考察，流场湍流度的增加会促使分离边界层提前转捩，而湍流积分尺度主要对脉动风荷载的雷诺数效应存在显著影响，在雷诺数和湍流度相同的情况下，小积分尺度湍流旋涡(0.18≤Lx/D≤0.33)更容易渗入到表面边界层和分离剪切流中，进而增加屋盖顶面和尾流区的风压脉动；系统研究了表面粗糙度（相对粗糙度 ks/D=3.0×10-4~7.5×10-4）对柱面屋盖雷诺数效应的影响，增加表面粗糙度使得转捩区间向低雷诺数区域平移，但值得注意的是升力系数值明显减小，因此采用增加表面粗糙度来模拟高雷诺数的气动特性时，需要对测量数值进一步修正，有待于更深入研究。
　　（5）针对平均风荷载，基于理想流体势流理论，建立了考虑雷诺数效应的风压系数模型，适用于不同矢跨比柱面与球面屋盖，同时结合风洞试验数据，还给出了考虑湍流度和矢跨比的风力系数模型；针对脉动风荷载，基于模糊神经网络技术，建立了大跨柱面屋盖考虑雷诺数效应的脉动风荷载预测模型，可作为围护结构抗风设计的有效辅助手段。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 雷诺数效应的研究现状

1.3 本文主要工作

第2章 经典圆柱绕流试验及雷诺数效应研究方法

2.1 经典圆柱雷诺数效应风洞试验

2.2 表征雷诺数效应的关键气动参数

2.3 经典圆柱雷诺数效应机理探讨

2.4 本章小结

第3章 加导流板圆柱雷诺数效应研究

3.1 加导流板圆柱风洞试验介绍

3.2 壁面边界对圆柱雷诺数效应影响机理分析

3.3 本章小结

第4章 柱面屋盖雷诺数效应研究

4.1 柱面屋盖雷诺数效应风洞试验

4.2 柱面屋盖雷诺数效应机理分析

4.3 长宽比和矢跨比对柱面屋盖雷诺数效应的影响

4.4 本章小结

第5章 改变柱面屋盖雷诺数效应的方法

5.1 变来流湍流度的柱面屋盖雷诺数效应风洞试验

5.2 来流湍流对柱面屋盖雷诺数效应的影响分析

5.3 变表面粗糙度的柱面屋盖雷诺数效应风洞试验

5.4 表面粗糙度对柱面屋盖雷诺数效应的影响分析

5.5 本章小结

第6章 考虑雷诺数效应的风荷载估计与预测方法

6.1 基于势流理论的平均风压系数模型

6.2 考虑湍流度和矢跨比的屋盖风力系数模型

6.3 基于模糊神经网络的脉动风荷载预测模型

6.4 本章小结

结论

本文主要创新点：

本文的不足及对今后研究的建议：

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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