风荷载作用下间隙流对高层建筑物绕流的影响规律研究

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高层建筑结构具有柔度大、质量轻、自振周期长以及阻尼小等特点,这使得风荷载逐渐成为高层建筑结构安全和舒适性的主要控制荷载。当流体流经高层建筑结构时,流体会在其结构表面发生流动分离、再附着漩涡脱落等现象,会在柱体结构周围形成不同的扰流区域及脉动力作用,从而会可能会导致结构损伤甚至破坏。另一方面,同一流场内的多结构绕流,其流动形态复杂多变,在流场中受到的气动力作用可能会大于单一结构绕流时的气动力作用。所以针对高层建筑结构中并列方柱及群柱绕流研究无论是在学术领域及实际工程应用中都有着极其重要的意义。本文基于大涡模拟LES方法,对并列方柱及等间距四方柱绕流规律进行数值模拟研究。通过分析其升力系数时程曲线、阻力系数时程曲线、斯特劳哈尔数St、瞬时涡量场、瞬时速度场和瞬时压力场随时间演化过程,从而获得并列方柱及等间距四方柱间的气动力特性、间隙流间歇性偏转规律、尾涡发展规律。通过对亚雷诺数Re=22000的六个不同间距比下并列方柱绕流进行数值研究,观察到三种流动形态:双频模态;过渡模态;耦合涡脱模态。详细研究了三种流动模态,如剪切层之间的干扰、间隙流偏转及旋涡相互作用等。发现间隙流的偏转主要动力来源是通过间隙的高动量流体产生的动力驱动和方柱后侧负压区压差驱动。在间隙流偏置流态下,速度场和压力场呈现非对称分布,窄尾流较宽尾流具有明显的速度优势和压力优势。不同模态下阻力系数及斯特罗哈尔数St大小排列顺序:CDGap<CDCouple<CDSingle;St Gap<St Couple<St Single。通过对等间距四方柱进行数值模拟,观察到的三种流动模式,在间距比为T/D=1时观察到“屏蔽模态”,在该模态下发现尾流具有双稳态性质,该性质随机发生不具有周期性;在间距比为T/D=1.5、2时观察到“撞击模态”;在间距比为T/D=3时观察到“共同涡脱模态”。由于四方柱的排布特点柱体间的干扰效应更加复杂,上游方柱阻力系数CD接近单一方柱阻力系数,“屏蔽模态”下游方柱出现负阻力系数。通过间隙的射流导致上游两并列方柱(Cy1与Cy2)平均升力系数相近但符号相反,两方柱之间存在吸引力。对速度场及压力场深入分析发现,在“屏蔽模态”下间隙流偏转会导致该侧具有明显速度优势与压力优势,而“撞击模态”下速度场和压力场分布紊乱。该论文有图53篇,表1个,参考文献67篇。
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