矩形截面超高层建筑风荷载雷诺数效应的风洞试验研究

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在风洞试验的缩尺效应中,雷诺数效应是世界公认的最经典最著名的难题。由于在风洞中无法模拟结构在实际风场中的高雷诺数,雷诺数效应引起的风洞试验误差一直是结构风工程研究关注的重点之一。长期以来,由于对雷诺数效应认识不足以及重视程度不够,人们通常都忽略矩形截面建筑物表面风压场的雷诺数效应。但既有的研究表明,矩形等有尖锐棱角的截面建筑物表面风压场存在不同程度的雷诺数效应。本文主要针对矩形截面超高层建筑风荷载的雷诺数效应,以刚性模型测压、测力风洞试验为基本手段完成了以下研究:1.通过改变风洞试验风速及模型尺寸,在均匀流场内,研究了不同长宽比的矩形及有切角模型表面风压以及模型三分力系数的雷诺数效应;总结了一些对风洞试验有指导意义的结论。2.利用格栅制造紊流,通过改变风洞试验风速及模型尺寸,在5%和15%均匀紊流场中,分析了不同长宽比的矩形及有切角模型表面风压以及模型三分力系数随雷诺数的变化特点,并在此基础上研究了增加来流紊流对抑制表面风压和三分力系数雷诺数效应的可行性。研究表明,一定程度上增加紊流度可以降低雷诺数效应。3.采用尖劈与粗糙元模拟B、D类地貌,研究B、D类地貌下模型表面风压及模型三分力随雷诺数变化的特征。通过对B类地貌下矩形截面模型测力风洞试验数据的分析,研究了B类地貌下矩形截面模型一阶广义力的雷诺数效应。4.利用粗糙条增加模型表面粗糙度,研究表面粗糙度对抑制表面风压和三分力系数雷诺数效应的可行性。研究表明,在低雷诺数风洞中,当表面相对粗糙度达0.02时,某些物理量(如阻力系数和模型背面风压)可得到与高雷诺数下相似的特性。5.对不同长宽比矩形截面模型顺、横风向风力谱的雷诺数效应进行研究;研究不同长宽比矩形截面模型St数随雷诺数变化的趋势;进而发现矩形截面模型风力谱频域分布特征以及斯脱罗哈数随雷诺数的增加变化不明显。总之,矩形截面雷诺数效应非常复杂,对试验条件要求很高,因时间和试验条件所限,本文仅在一定雷诺数范围内对此问题进行研究,取得了阶段性成果,为风工程界深入研究矩形截面高层建筑雷诺数效应提供一定参考。
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