线性剪切湍流来流对结构风荷载的影响机理探讨

工程论文哪里有？本文采用主动风洞测压试验和FLUENT软件数值模拟的方法，在不同剪切参数（β=0.000、0.018、0.054、0.090）、不同湍流强度（uI=2%、3%、6%、9%）和亚临界雷诺（Re=3.2104）条件下，对单圆柱的气动力分布特性进行了研究。

第1章 绪论

1.3 国内外研究进展

本课题的主要目的是研究线性剪切湍流入流对结构风荷载的影响机理，由于以往关于线性剪切来流的研究都忽略湍流作用，关于一致来流下湍流作用的影响机理研究较多。因此，下面就分别从一致来流下结构风荷载的影响机理研究现状、线性剪切来流下结构风荷载的影响机理研究现状和来流湍流模拟技术发展现状三个方面进行简要回顾，并结合研究内容进行简单论述。考虑到大跨空间结构、大跨度桥梁以及超高层建筑等结构的形式独特，相对来说其结构的风荷载分布也更加复杂，因此，本文将以圆柱为案例展开研究。

1.3.1 一致来流下结构风荷载的影响机理研究现状

1.3.1.1 不考虑湍流

在来流不考虑湍流的情况下，一致来流下结构风荷载的作用机理研究国内外学者开展过很多风洞试验与数值模拟研究。其中最具有代表性之一的实例就是圆柱绕流[11]。已有的研究[12]表明随着雷诺数由低逐渐向高变化，圆柱体的绕流会依次出现许多的流动形态，圆柱体表面风荷载也会随之发生变化。1972年，Achenbach[13]研究了均匀流中在高雷诺数下经典光滑球体的风荷载。2001年，王亚玲等[14]利用N-S方程，未采用任何湍流模式，对固定圆柱绕流进行了三维模拟，研究了沿柱长方向不同断面的升阻力系数变化。

第3章 风洞试验结果与分析

3.2 试验模型及试验工况

本试验为线性剪切湍流来流下圆柱模型测压试验，在同济大学TJ-5风洞进行，工作位置断面尺寸为1.5m×1.8m×10m。试验模型采用有机玻璃材料加工，保证足够的刚度，直径D=0.09m，模型长度L=1.2m，沿圆柱模型展向布置3圈测点，分别用大写字母A、B、C表示，其距模型中心的距离分别为0mm、180mm（2D）、450mm（5D），模型示意图如图3-1所示，每圈36个测点，共108个测点，测压孔的位置由周向角θ表示，模型周向测点布置图如图3-2所示。圆柱模型地面底座相连并通过抗风丝加固竖直摆放在主动风洞中，在试验风速作用下不会出现明显的变形和振动。

在第2章中，通过同济大学多风扇主动风洞，对线性剪切湍流的风场进行了调试，最后调试得到15组试验工况，具体的试验工况设置如表3-1所示，其中β为无量纲的剪切参数。本试验雷诺数Re由模型直径D和来流平均速度UC确定，在改变剪切参数和湍流强度的过程中UC始终保持不变，使得雷诺数始终为3.2×104。本试验阻塞率小于5%，所以未进行阻塞率修正。

第5章 数值模拟结果与对比分析

5.2 计算模型建立

5.2.1 计算区域

对于圆柱绕流，之前的研究者已经做过大量的研究工作，时忠民[68]通过三步有限元方法研究了计算域的选取对圆柱绕流问题计算结果准确性的影响，结果表明，对于二维圆柱绕流，应该使上下左右四个边界距圆柱中心的最小距离要大于25D，这样才能避免边界对计算结果的影响。叶辉[69]采用FLUENT取计算区域为20D10DπD，模拟了静止情况下的三维圆柱绕流情况，计算结果良好。詹昊[70]采用FLUENT软件取计算区域为26D11D4D，模拟了不同雷诺数下的三维圆柱绕流气动力特性。端木玉[71]使用OpenFOAM开源工具包，取计算区域为15D10DπD，计算了雷诺数为3900时的三维圆柱绕流。还有很多其他研究者也展开过相关研究。

为后续进一步开展更多的相关研究，拟建立初步数值模型，通过数值模拟结果结合风洞试验成果开展更加系统的研究。同时参考前人的数值模拟经验确定计算域[70]。取圆柱直径D为特征长度，圆柱体高πD，在垂直于圆柱的平面上，计算区域取为20D和45D，在沿着来流方向上，圆柱前方15D，圆柱后方30D。X正向为来流方向，圆柱底部圆心点为坐标原点。

5.3 网格无关性验证

网格的质量和数量是影响数值模拟结果的重要因素，为了得到较好的计算结果，我们需要尽可能的消除网格的影响，因此，选取了5个不同的网格对同一种工况进行计算，在圆周向进行了不同的网格划分，采用同样的边界条件、初始条件、求解方法等。通过计算后的结果，比较不同网格所得到的阻力系数和斯特劳哈尔数。计算工况为来流速度u0=8m/s的均匀流，具体的网格信息及计算结果见表5-1和图5-4。

通过观察不同的网格计算结果可以发现，2号网格所得结果在1号网格的基础上有2.9%左右的提升，3号网格相对于2号网格所得结果有2.1%左右的提升，而4号网格相对于3号网格所得结果仅有0.5%的变化，可以认为结果几乎一致，5号网格与4号网格所得结果几乎相同，故认为计算结果已不随网格数量的变化而变化了，而且也有研究表明在圆柱表面设置超过128个节点以达到网格无关性的结果。结合所持有的计算结果以及计算效率的考虑，在后续的模拟中采用4号网格进行进一步的计算和分析。

第6章 结论与展望

6.2 工作展望

对线性剪切湍流来流下结构风荷载的影响机理研究目前处于基础阶段，在研究过程中发现还有一些需要改进及进一步研究的工作，主要有以下几个方面：

（1）本文仅对剪切参数和湍流强度圆柱中心处的气动力的影响进行了研究，而剪切参数和湍流强度对圆柱沿展向不同横截面处的气动力特性的影响并没有进行研究，因此，在此基础上，今后应考虑线性剪切湍流来流对圆柱展向不用位置处的气动力特性的影响。

（2）本文仅对亚临界区雷诺数下和一定范围剪切参数下圆柱中心气动力特性进行了研究，风洞试验的研究方法是可行的，因此，今后可对临界区雷诺数和大剪切参数下在此来流下进行气动力特性研究。

（3）本文数值模拟的结果不理想，但数值模拟的研究方法是可行的，今后应对其网格、算法、时间步长等进行优化，兼顾计算效率的同时更要注意计算精度，保证计算的准确性。

参考文献（略）