運用零質量射流控制超高層建築風荷載的實驗研究

《運用零質量射流控制超高層建築風荷載的實驗研究》是依託中南大學，由王漢封擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：運用零質量射流控制超高層建築風荷載的實驗研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王漢封
• 依託單位：中南大學

項目摘要

鈍體尾流及其氣動力的控制是流動控制領域的研究熱點，但當前的相關研究工作主要集中於二維鈍體，所得到的研究成果能否直接運用於工程中常見的三維鈍體仍存疑問。本研究擬針對超高層建築等具有自由頂端的有限長正方形截面鈍體，發展一種運用零質量射流控制其尾流與氣動力的方法。本研究將通過風洞實驗的方法，綜合運用熱線風速儀、壓力掃瞄器、高頻風洞天平、高速攝影系統等多種流體力學測試設備，深入研究鈍體表面剪下流在零質量射流作用下的發展與演化，及其對鈍體尾流的影響規律，並在此基礎上揭示該方法的控制機理。在開環主動控制條件下，系統的研究零質量射流所布置的位置、角度以及其他各控制參數對鈍體氣動力控制效果的影響規律。研究該控制方法在湍流大氣邊界層條件下的效果，以及控制參數的最佳化方案。本研究將為三維鈍體尾流控制理論提供重要的基礎數據，並為發展工程中可運用的三維鈍體尾流與氣動力的控制方法提供理論依據。

結題摘要

本項目通過風洞實驗與數值模擬的方法對不同高寬比的方形、圓形等典型截面超高層建築簡化模型的尾流與氣動力特性開展了系統的研究，並通過在方形柱體不同位置施加局部吹、吸氣對其尾流與氣動力的控制效果進行了研究。風洞實驗結果發現，懸臂圓形截面柱體雷諾數效應在均勻流與湍流邊界層中有明顯的差異。對於處於均勻流中的長徑比為3、5和7的圓柱體，越接近自由端流動進入臨界區所對應的臨界雷諾數越小，而在湍流邊界層中這一現象會消失。在均勻流中，風洞實驗與大渦模擬結果均發現方形柱體氣動力與尾流存在雙穩態現象。當展向渦類似於卡門渦街交替脫落時，柱體升力出現大幅周期性波動，且對應的阻力也相對較大；而當展向渦對稱脫落時，柱體升力無明顯周期性波動，且對應阻力較小。而當方柱處於湍流邊界層中，上述雙穩態現象基本消失，展向渦主要以卡門渦街形式出現，此時柱體脈動升力與阻力均遠大於均勻流中的對應值，即湍流邊界層有消除對稱展向渦的趨勢。本項目還通過風洞實驗系統的研究了圓形、方形等典型截面有限長柱體的氣動力與風壓分布隨高寬比、雷諾數、表面粗糙度（圓柱）的變化規律。基於上述研究結果，通過風洞實驗系統的研究了在柱體不同位置施加狹縫吹、吸氣主動控制方法對柱體氣動力與尾流的影響規律。柱體頂部的吸氣會加強柱體下游的下掃流，同時平均阻力與脈動升力最多可分別減小約5.4%和37.8%，且發現氣動力的抑制效果隨吸氣流量係數的增大而增大，但吸氣流量達到一定值後，氣動力基本不再變化。類似的，柱體兩側的吸氣也能明顯減小柱體阻力約30.6%。柱體背風側中部的狹縫吹、吸氣對柱體氣動力影響相反。類似於二維方柱，背部的吹氣可顯著降低阻力、抑制脈動升力；而背部吸氣則效果相反。通過風洞實驗發現，頂部與兩側吸氣控制中，均存在吸氣流量最優值，而背部吹氣控制下則吹氣量越大控制效果約好。 本項目主要採用風洞實驗的方法，系統的研究了有限長主體尾流與氣動力特性，並嘗試了在均勻來流條件下柱體不同位置施加局部吹、吸氣的主動控制方法，已基本完成了項目計畫書中的研究內容。由於風洞實驗工作較為複雜，部分實驗與數據處理工作仍在進行當中，未來1-2年內仍會有取得進一步的成果。目前，本項目相關成果已發表論文22篇，其中SCI論文2篇，Ei論文7篇，國際會議論文7篇；授權實用新型專利2項，申請發明專利2項；完成碩士研究生論文3篇。