大跨度屋蓋雷諾數效應及其修正方法研究

《大跨度屋蓋雷諾數效應及其修正方法研究》是依託哈爾濱工業大學，由孫瑛擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：大跨度屋蓋雷諾數效應及其修正方法研究
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：孫瑛

項目摘要

雷諾數相似是風洞試驗需要滿足的基本條件之一，但由於受到實驗設備的限制，雷諾數相似通常很難真正實現。因此，評估雷諾數效應對結構設計風荷載的影響，以及對雷諾數效應的風洞試驗修正，是當前結構風工程領域研究的難題之一。對於普遍具有複雜曲面形狀的大跨度屋蓋結構，雷諾數效應研究尤為重要。本項目擬採用風洞試驗、現場實測和數值模擬相結合的方法，對典型大跨度屋蓋結構形式進行雷諾數效應研究，考察不同幾何參數（包括形狀、尺度等）和流場參數（包括風速、湍流度等）對結構表面風壓分布及相關氣動力參數（包括升力係數、阻力係數和漩渦脫落頻率等）的影響規律，探討不同屋蓋結構風回響的雷諾數效應敏感程度，提出高雷諾數下的風洞試驗修正方法，並結合一實際工程的現場實測數據加以驗證。通過以上工作，旨在加深對雷諾數效應的認識，改進現有風洞試驗方法，提升大跨度屋蓋結構的抗風設計水平。

結題摘要

對於曲面屋蓋結構，其氣動參數隨雷諾數變化顯著，大跨度屋蓋結構大都處於大氣邊界層底層，其周圍氣流的繞流模式較為複雜，影響建築雷諾數效應的因素諸多，主要包括屋蓋幾何特徵、表面粗糙度和近地面高湍流度三個方面。本項目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、球面屋蓋為研究對象，採用風洞試驗、CFD數值模擬的方法重點探討了不同幾何特徵（包括長寬比、矢跨比）、來流湍流和表面粗糙度對曲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，為今後的相關研究方向提供一些建議。 雷諾數效應在形式上表現為不同雷諾數條件下流動狀態、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於再挖掘流場特點。基於此，本項目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，並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。幾何特徵是影響柱面屋蓋雷諾數效應的主要因素，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。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；增加表面粗糙度使得轉捩區間向低雷諾數區域平移，但值得注意的是升力係數值明顯減小，因此採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，有待於更深入研究。基於理想流體勢流理論，建立了考慮雷諾數效應的風壓係數模型，適用於不同矢跨比柱面與球面屋蓋；針對脈動風荷載，基於模糊神經網路技術，建立了大跨柱面屋蓋考慮雷諾數效應的脈動風荷載預測模型，可作為圍護結構抗風設計的有效輔助手段。