导流板在超高层建筑气动优化中的应用

摘要

气动优化方法是抗风设计的重要措施。目前，气动优化措施主要是永久性地改变建筑外形，包括对建筑截面进行切削角、凹角、开设通风走廊或使建筑沿高度扭转、收缩等。但此类传统措施也可能带来不利的影响，如干预建筑外型设计、造成建筑空间利用率的损失、增加设计与施工的困难等。基于上述原因，本文结合一种适风设计思想，将导流板应用于高层建筑抗风，实现可调节的气动优化。而以往对导流板在高层建筑中应用的研究却非常少。因此，本文设计了多种导流模型，并以Ⅰ型、Ⅱ型两种具有代表性的方案作为研究对象，对导流板的应用可行性进行较为深入的研究。本文主要研究内容与结论如下:
　　首先阐述导流板在高层建筑抗风中的应用方法，提出导流板与强风预警配合应用，在强风状态下伸出实现气动优化，在常态风下则收回恢复原貌。同时建议导流板的设计应符合可操作、尺寸合理与全风向有效性三个限制条件。
　　通过高频天平试验，本文测试了不同尺寸参数的导流模型与方形截面标准模型的气动力，研究导流板对气动力的影响与导流板尺寸参数对导流效果的影响。通过对比，发现导流板可以削弱高层建筑横风向荷载，且对顺风向荷载改变不大。同时，导流板的导流作用对其尺寸非常敏感，过小或过大的导流板都可能不利于其应用，当尺寸合理时，对横风向气动力的降幅可达20％左右。粗略地说，以A方案为例，本文建议导流板的宽度宜保持在1/10建筑截面尺寸左右;其高度H控制在1/5～1/3截面尺寸左右;其开启角度α控制在45°左右。以B方案为例，本文建议其导流板宽度宜保持在1/10截面尺寸左右;其导流板与立面距离保持在1/10截面尺寸左右。
　　通过二维数值模拟技术，本文采用非定常模拟的方式计算对比研究了Ⅰ型导流截面与方形截面的绕流特性，得到动力系数时程与流场信息。对比后发现导流截面能够有效降低截面升力系数幅值，同时也降低阻力系数均值。同时，与天平试验结果类似，当导流板的尺寸逐渐增大为1/10，其降幅也逐渐增大。通过对比流态，本文发现导流板设置后使得截面绕流更加趋于流线型，这可能是升动力得以降低的原因。
　　通过气动弹性模型试验，对三种高宽比的导流模型与方形标准模型进行测试，在不同风速条件下得到基底力。对比后发现导流板在较高约化风速范围内能够降低基底响应，且Ⅰ型导流板的效果更优于Ⅱ型导流板，在一些情况下降幅可达30％。并且导流板的设置对顺风向响应改变不大，甚至可能降低顺风向响应。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 引言

1．2 风工程中的主要试验技术

1．3 国内外关于高层建筑横风向气动力特性的研究

1．4 国内外关于高层建筑气动外型优化的研究

1．5 国内外关于方形截面绕流数值模拟的研究

1．6 存在的问题与本文主要工作

第2章 导流板在高层建筑中的应用

2．1 从适风设计概念到导流板的应用

2．2 导流板的设计思路

2．2．1 限制条件

2．2．1 导流板选型

第3章 基于高频天平测力试验研究导流板应用可行性

3．1 引言

3．2 风洞试验技术与风场设置

3．2．1 风洞试验设备

3．2．2 高频天平测力系统

3．2．3 大气边界层模拟

3．3 试验模型与工况

3．3．1 试验模型

3．3．2 Ⅰ型导流方案各模型尺寸参数设置

3．3．3 Ⅱ型导流方案各模型尺寸参数设置

3．3．4 试验总体概况

3．4 风洞试验结果

3．4．1 Ⅰ型导流模型试验结果

3．4．2 Ⅱ型导流模型试验结果

3．5 本章小结

第4章 应用风洞数值模拟技术研究导流截面绕流特性

4．1 引言

4．2 数值模拟方法的介绍

4．3 求解器的设置

4．4 所研究的绕流截面

4．5．1 计算域设置

4．5．2 网格划分

4．5．3 边界条件等参数设置

4．6 数值模拟的结果与分析

4．6．1 各截面流态的模拟结果对比

4．6．2 升阻力系数与斯托罗哈数

4．6．3 阻力系数对比

4．6．4 升力系数对比

4．7 本章小结

第5章 基于摆式气动弹性试验研究导流板应用可行性

5．1 引言

5．2 模型设计与制作

5．2．1 气动弹性模型的相似准则

5．2．2 气动弹性模型的设计

5．2．3 气动弹性模型的动力特性测试

5．2．4 气动弹性模型各参数汇总

5．2．5 风洞试验的风向定义

5．3 试验结果与讨论

5．3．1 风向角对标准模型的基底弯矩方差值的影响

5．3．2 风向角对Ⅰ、Ⅱ型导流模型的基底弯矩方差值的影响

5．3．3 各模型间横风向基底弯矩方差对比

5．3．4 风向角对模型基底弯矩平均值的影响

5．3．5 不同约化风速下各模型间顺风向基底弯矩平均值对比

5．3．6 横风向基底弯矩功率谱对比

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 本文的主要研究与结论

6．2 不足与展望

参考文献