【摘要】：旋渦的交替脫落會在建筑的下游表面產(chǎn)生交替變化的低壓區(qū),并形成顯著的橫風(fēng)向氣動力。如果結(jié)構(gòu)的自振頻率與旋渦脫落頻率一致,結(jié)構(gòu)將發(fā)生大幅振動,并最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。因此,本研究是圍繞橢圓柱體繞流的流動特性及其旋渦脫落控制而開展的,通過對橢圓柱體的流場和旋渦脫落進行控制,從而解決土木工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計中的氣動問題,改善其抗風(fēng)性能。本文對4個雷諾數(shù)為6.90×10~4的橢圓柱模型(分別標(biāo)記為E1~E4模型)的氣動性能和流場特性進行測壓試驗和PIV(particle image velocimetry,粒子圖像測速)試驗研究。對于E1,E2和E3模型而言,它們的長軸與來流方向平行,但吸氣角位于不同的徑向角(其中E1模型位于90°和270°,E2模型位于130°和230°,E3模型位于50°和310°)。對于E4模型而言,它的短軸與來流方向平行,且吸氣角位于90°和270°。除此之外,3種氣動控制措施被用來控制橢圓柱體的旋渦脫落,它們分別是吸氣控制、被動氣動控制(表面粗糙度)和組合氣動控制(吸氣+表面粗糙度)。分別對有無氣動控制下的橢圓柱模型的表面風(fēng)壓系數(shù)分布、氣動力系數(shù)及其功率譜密度函數(shù)等參數(shù)進行分析和比較,從而討論不同試驗?zāi)Ｐ偷臍鈩有阅�。此�?基于PIV試驗結(jié)果,分析了有無氣動控制下的橢圓柱體的時均流線圖和瞬態(tài)流線圖、歸一化湍動能和渦旋強度,研究了橢圓柱體的流場特征。本文的主要工作包括以下4個方面:(1)吸氣控制被用于減小橢圓柱體的風(fēng)荷載,控制其旋渦脫落。分析了吸氣孔方位角(E1~E3模型)、吸氣流量系數(shù)(C_Q=0到C_Q=0.05)和模型放置方向(E1和E4模型)對橢圓柱體的氣動力和尾流特征的影響。結(jié)果表明:當(dāng)吸氣流量系數(shù)由零增加到較小量時,多數(shù)模型的平均阻力系數(shù)顯著減小,其中C_Q=0.01時,E1模型的平均阻力系數(shù)由0.689減為0.420,折減率為39.0%;C_Q=0.02時,E2模型的平均阻力系數(shù)由0.668減為0.109,折減率為83.7%;C_Q=0.01時,E4模型的平均阻力系數(shù)由1.563減為0.696,折減率為55.5%。此外,當(dāng)吸氣孔向下游移動時,即從50°(E3模型)到90°(E1模型),再到130°(E2模型),吸氣控制模型的平均阻力系數(shù)同樣劇烈減小,其中E2模型在C_Q=0.02時的平均阻力系數(shù)比相應(yīng)的E1模型和E3模型分別小72.5%和76.3%。最后,給出了上述吸氣控制模型的可視化流場,詳細(xì)解釋了不同氣動性能的原因。(2)對3種表面粗糙度(相對粗糙度分別為k_s/D=0,5.3×10~(-4)和1.15×10~(-3))的橢圓柱體的氣動特性和流場特征進行試驗研究,分析了表面粗糙度的影響。結(jié)果表明:增加表面粗糙度對減小氣動力系數(shù)具有顯著效果,其中相對粗糙度為k_s/D=1.15×10~(-3)的模型相對于光滑模型(k_s/D=0)而言,可減小平均阻力系數(shù)32.9%、脈動阻力系數(shù)26.2%,以及脈動升力系數(shù)19.8%,具有較好的氣動力控制效果。此外,PIV試驗結(jié)果也驗證了粗糙度能有效減小湍動能和控制旋渦脫落。(3)對不同組合氣動控制下(表面粗糙度+吸氣控制)橢圓柱體的氣動特性和流場特征進行試驗研究,分析了吸氣流量系數(shù)、吸氣孔位置和表面粗糙度的影響。結(jié)果表明:不同模型的平均阻力系數(shù)折減非常顯著,其中E1、E2和E3模型的阻力系數(shù)最大折減分別可達86.6%、100%和30%,證明了組合氣動控制比單純的吸氣控制或表面粗糙度措施更有效。(4)采用大渦模擬(LES)方法對橢圓柱體的吸氣控制進行CFD數(shù)值模擬,分析了不同吸氣孔位置(吸氣孔以10°為間隔從70°增加到110°,對應(yīng)的橢圓柱體被標(biāo)記為H1~H5模型)對氣動性能和流場特征的影響。采用風(fēng)洞試驗結(jié)果驗證本文LES方法的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明:吸氣孔位于模型背風(fēng)面時(比如H5模型)的吸氣控制效果明顯優(yōu)于吸氣孔位于模型迎風(fēng)時的(比如H1模型),吸氣控制下H5模型的平均阻力系數(shù)和脈動升力系數(shù)分別為H1模型的12.7%和56.0%,可見吸氣孔位置的影響非常顯著。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O355

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 謝壯寧;石碧青;倪振華;杜平;;深圳京基金融中心氣動抗風(fēng)措施試驗研究[J];建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報;2010年10期

2 明曉,戴昌暉;鈍體近尾流區(qū)的流動特性[J];空氣動力學(xué)學(xué)報;1988年01期

，

本文編號：2672546