【摘 要】
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方柱结构在实际工程中较多存在,如高层建筑、桥墩和桥塔等。对方柱结构角部进行优化处理可以控制流动分离来减弱结构的风荷载与风致振动,圆角化是控制流动分离最常用的办法之一。针对圆角方柱气动特性研究参数不足,气动特性的流场机理研究不充分的现状,基于刚性模型测压风洞试验和大涡模拟相结合的方法,对圆角方柱气动特性及流场机理进行了细致研究。主要工作及结论如下:(1)基于刚性模型测压风洞试验的研究方法,研究了雷诺
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方柱结构在实际工程中较多存在,如高层建筑、桥墩和桥塔等。对方柱结构角部进行优化处理可以控制流动分离来减弱结构的风荷载与风致振动,圆角化是控制流动分离最常用的办法之一。针对圆角方柱气动特性研究参数不足,气动特性的流场机理研究不充分的现状,基于刚性模型测压风洞试验和大涡模拟相结合的方法,对圆角方柱气动特性及流场机理进行了细致研究。主要工作及结论如下:(1)基于刚性模型测压风洞试验的研究方法,研究了雷诺数为1.2×10~5时,不同风向角下标准方柱与圆角率(定义为R/D,其中R为圆角半径,D为方柱特征尺寸)为0.1、0.2、0.3和0.4的圆角方柱气动力特性、风压分布特性和旋涡脱落特性,分析了圆角率和风向角对方柱气动特性的影响。发现,随着风向角的增大,标准方柱和不同圆角率圆角方柱的平均阻力系数均先减小后增大再趋于平稳,平均升力系数和斯托罗哈数均先增大后减小。随着圆角率的增大,平均阻力系数减小,斯托罗哈数增大。当α≤10°时,圆角方柱的脉动升力系数较标准方柱小,而当α>10°时,圆角方柱的脉动升力系数较标准方柱大。(2)基于大涡模拟的数值计算方法,得到了不同圆角率和风向角下的平均流线图、平均风速场、平均风压场和湍动能场。从流场角度分析了风向角和圆角率对方柱气动特性的影响机理。结果表明,随着风向角的增大,标准方柱和圆角率为0.1的圆角方柱先后出现“前角点分离流态”、“分离泡流态”和“附着流流态”,而圆角率为0.2、0.3和0.4的圆角方柱在不同风向角下均表现为“附着流流态”。分离泡的形成会使得方柱尾流变窄,涡脱频率增大。与标准方柱相比,圆角方柱的剪切层会更加贴近壁面,气流分离点向下游移动。迎风面正压区的减小和尾流区剪切流扩散角度的变窄是造成圆角方柱阻力较小的原因。
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