哈工大結(jié)構(gòu)風工程課后習題復習資料

1、結(jié)構(gòu)風工程課后思考題參考答案二、大氣邊界層風特性1對地表粗糙度的兩種描述方式：指數(shù)律和對數(shù)律將公式寫上.2非標準地貌下的風速換算原那么 P14和方法P15公式.3脈動風的生成：近地風在流動過程中由于受到地表因素的干擾,產(chǎn)生大小不同的渦旋,這些渦旋的迭加作用在宏觀上表現(xiàn)為速度的隨機脈動.在接近地面時, 由于受到地表阻力的影響,導致風速減慢并逐步開展為混亂無規(guī)那么的湍流.脈動風的能量及耗散機制：而湍流運動可以看做是能量由低頻脈動向高頻脈動 過渡,并最終被流體粘性所耗散的過程.在低頻區(qū)漩渦尺度較大,向中頻區(qū)慣 性子區(qū)、高頻區(qū)耗散區(qū)漩渦尺度逐漸減小,小尺度渦吸收由慣性子區(qū)傳遞 過來的能量,能量最終被流

2、體粘性所耗散.4 Davenport譜的特點：先寫出公式通過不同水平脈動風速譜的比擬：（1） D譜不隨高度變化,而其他譜如 Kaimal譜、Solari譜、Karman譜那么 考慮了近地湍流隨高度變化的特點；D譜不隨高度變化,在高頻區(qū)符合-5/3律, 沒有考慮近地湍流隨高度變化的特點；（2） D譜的譜值比其它譜值偏大,會高估結(jié)構(gòu)的動力反響,計算結(jié)果偏于保 守.（3） Su0=0,意味著Lu=0,與實際不符.5湍流度隨高度及地面粗糙程度的變化規(guī)律：隨地面粗糙度的增大而增大,隨高 度的增加而減小.積分尺度隨高度及地面粗糙程度的變化規(guī)律：大量觀測結(jié)果說明,大氣邊界層 中的湍流積分尺度是地面粗糙度的減

3、函數(shù),而且隨著高度的增加而增加.功率譜隨高度及地面粗糙程度的變化規(guī)律： 隨著高度增大和粗糙度的減小,能 量在頻率上的分布趨于集中,譜形顯得高瘦；隨著高度減小和粗糙度的增大,能 量在頻率上的分布趨于分散,譜形顯得扁平.相干函數(shù)隨高度及地面粗糙程度的變化規(guī)律：隨地面粗糙度的增大而減小,隨高度的增加而增大.6陣風因子與峰值因子的區(qū)別：陣風因子 G=U /U是最大風速與平均風速的比值；峰值因子g=Umax/ u是最大脈動風速與脈動風速均方根的比值.聯(lián)系：二者可以相互換算：G=U +gu/U ' =1+g/U' =1+gI.三、鈍體空氣動力學理論1鈍體繞流的主要特征有：1粘性效應：氣體粘

4、性隨溫度升高而增大,液體粘性隨溫度升高而減小.(2)邊界層的形成：由于粘性效應,使靠近物體外表的空氣流動速度減慢,形成氣流速度從外表等于零逐漸增大到與外層氣流速度相等,形成近壁面流動現(xiàn)象.(3)邊界層別離：如果邊界層內(nèi)的流體微粒速度因慣性力減小到使靠近外表 的氣流倒流,便出現(xiàn)了邊界層別離.(4)再附：在一定條件下,自建筑物前緣別離的邊界層會偶然再附到建筑物 外表,這時附面層下會形成不通氣的空腔,即別離泡.每隔一段時間別離泡破裂 產(chǎn)生較大的風吸值,產(chǎn)生一個風壓脈沖.(5)鈍體尾流：對于細長鈍體,漩渦脫落是在其兩側(cè)交替形成的.漩渦脫落 時導致建筑物出現(xiàn)橫向振動的主要原因.(6)下沖氣流：由于受到迎

5、風面的建筑物的阻擋作用,使局部氣流轉(zhuǎn)向下方形成漩渦,從而在地面上出現(xiàn)反向氣流 2流體與固體在本構(gòu)特性上的差異：牛候流林工剪威力與變序 謔度呈域性關(guān)素.善軍陵施悻工M應力與斐 器速度呈季桃惺美事.理色海傅r沒青骨曲力作 用便可產(chǎn)生任青受形.速度增大而增大.流體與變形速度緊密相關(guān),而固體在 彈性階段剪應力不隨變形速度變化而 變化.(1)固體：彈性體與變形速度無關(guān), 理想彈性體在到達屈服應力后隨變形理想流體.(2)液體：牛頓液體、非牛頓液體、粘性流體中,不僅產(chǎn)生剪應力,還會產(chǎn)生附加的法向應力.基于牛頓流體的本構(gòu) 關(guān)系：P43 N-S方程中各項及反響的物理意義.P4P5瞬態(tài)項：即局部導數(shù),代表同一位置

6、處,由于時間變化而引起的速度變化,反 映了場的非定常性.對流項：即變位導數(shù),代表同意瞬時,由于空間位置變化引起的速度變化,反 映了場的非均勻性.源項：與原始壓力有關(guān),且一直都存在.耗散項：涉及動力粘性系數(shù),與粘性有關(guān),為非線性項.4擬定常假定以及基于該假定的脈動風壓系數(shù)推導 ：P4P55氣動導納的作用：是結(jié)構(gòu)形狀、尺寸以及來流湍流特性的函數(shù),用于描述風速 譜與氣動力譜之間的頻率傳遞關(guān)系,作用是用準定常的氣動力來表達非定常的氣 動力.它是通過氣動導納函數(shù) 2來實現(xiàn),將一個真實物體的外表風壓修正到完 全相關(guān)的理想狀態(tài).氣動導納隨折減頻率的變化規(guī)律：隨頻率的增加而減小,說明高頻率的小尺度渦 更易喪失

7、相關(guān)性.6以圓柱繞流為例,表達亞臨界、超臨界和高超臨界區(qū)的流動特性 附著層：層流 別離點：打=防 尾流區(qū)：清流I很寬 阻力臬數(shù)：匚廣14諛涓現(xiàn)落:周期明星的井層：層流T清流 分高點：-120* 尾迸區(qū):*流(戟審)阻力系品C“ = O3 激渦就解：It機(1)亞臨界區(qū)(3X102<Re<3X105) : (2) 附帶層：清流 分高點：10/尾流區(qū)：清流 眼力系tt：匚=.產(chǎn)出410°) 青清底琴：期 + 引發(fā)1財HA中發(fā)力關(guān)注超臨界區(qū)(3X105<Re<3,5 X06) : (3)高超臨界區(qū)(3X106<Re)：7表達幾種改變雷諾數(shù)效應的方法:(1)提升

8、外表粗糙度和來流湍流度均可減小臨界雷諾數(shù),提升最小阻力系數(shù).其根本在于促進了轉(zhuǎn)撥的提前發(fā)生.(2)采用尖角方柱.尖角方柱的阻力系數(shù)基 本不隨Re變化,別離點位置固定在迎風尖角處.(3)改變壓力或溫度.(4)改變流場介質(zhì).8斯托拉哈數(shù)及其隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律(以圓柱為例進行說 明)：斯托拉哈數(shù)是流體慣性力與粘性力的比值,擺出公式.隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律：(1)在亞臨界區(qū),漩渦周期性脫落,St約等于0.19,根本保持不變；(2)在超臨界區(qū),漩渦隨機脫落,St突增至0.4以上,并隨Re的增大而減??； (3)在高超臨界區(qū),漩渦規(guī)那么脫落,St跳躍至0.2以下,約為0.190.30,并隨Re的增大而增大四、結(jié)

9、構(gòu)風振響應分析與等效靜力風荷載確定高八1頻響函數(shù)隨頻率比的變化中=丁!=一.規(guī): D7al77- n_嗎律： 當B<1時,H隨B增大而略呈增大趨勢；當B在1附近時,結(jié)構(gòu)將發(fā)生共振增強,H忽然增大,當B =1寸H到達峰值1/4 2k2;當B >1 后,H隨B增大而減小.2在剛性結(jié)構(gòu)中背景響應與共振響應哪個更顯著 3陣風荷載因子法與慣性力法的區(qū)別：(1)根本思想不同：陣風荷載因子法根本思想：用峰值響應與平均響應的比值(陣風荷載因子) 來反映結(jié)構(gòu)對脈動風的放大作用.慣性力法根本思想：從結(jié)構(gòu)動力平衡方程出發(fā),研究峰值響從結(jié)構(gòu)動力平衡 方程出發(fā),研究峰值響應對應的真實最不利荷載.(2)計算思

10、路不同：陣風荷載因子法：通過極值動力響應得到陣風荷載因子, 求出等效靜風荷載, 并得到結(jié)構(gòu)在等效靜風荷載作用下的靜力響應.慣性力法：結(jié)構(gòu)在脈動風荷載作用下的動力響應,可以看作在廣義外荷載作 用下的靜力響應.結(jié)合特征值方程,僅考慮第1階振型的慣性力作用求得最大靜力等效荷載和總靜風荷載.(3)適用條件不同：陣風荷載因子法：適用于剛度較大的結(jié)構(gòu).慣性力法：適用于結(jié)構(gòu)剛度較小 的結(jié)構(gòu).4等效靜風荷載的計算中需要注意的事項：(1)結(jié)構(gòu)在脈動風荷載作用下的動力響應,可以看作在廣義外荷載作用下的靜力響應.(2)僅考慮第1階振型的慣性力作用(3)計算結(jié)構(gòu)其它響應時(如高層結(jié)構(gòu)的各高度處的剪力和彎矩),將有可能

11、低 估結(jié)構(gòu)響應.(4)該方法適用于結(jié)構(gòu)剛度較小的結(jié)構(gòu).5如何根據(jù)結(jié)構(gòu)的響應特點判斷響應類型；(1)按響應方向判斷：A假設(shè)為順風向響應,那么一般為順風向抖振；B假設(shè)為橫風 向響應,那么為一般為渦激振動或橫風向彎曲馳振；C假設(shè)既有順風向又有橫風向響 應,那么為橫風向與順風向振動的組合.(2)根據(jù)失穩(wěn)方式判斷：A假設(shè)為彎曲或扭著的單自由度氣彈失穩(wěn),那么為馳振；B假設(shè)為彎扭耦合的氣彈失穩(wěn),那么為顫振.(3)按響應性質(zhì)判斷：A假設(shè)為由來流的速度脈動引起的結(jié)構(gòu)隨機振動,為抖振；B因結(jié)構(gòu)自身或其它結(jié)構(gòu)形成的渦旋引起的結(jié)構(gòu)受迫振動,為渦激振動；C在某些情況下,鼓勵局部可以產(chǎn)生負阻尼成分,當風速到達某值時負阻尼

12、大于正阻尼, 此時振幅增大,直到產(chǎn)生失穩(wěn)式破壞,那么為自激振動.6針對不同的風振響應類型,可采取哪些舉措來提升結(jié)構(gòu)的抗風性能(1)順風向抖振振動,提升結(jié)構(gòu)的抗風性能舉措：可以通過增大結(jié)構(gòu)或構(gòu)件剛 度,或減小質(zhì)量,從而增大結(jié)構(gòu)基頻,使得橫風向共振響應區(qū)后移,增大背景響 應區(qū)所占比例,從而減小順風向抖振響應.(2)橫風向渦激響應的限制舉措：A增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件.最常用的是在結(jié)構(gòu)中增加 拉索式構(gòu)件或增強層.B安裝耗散材料或裝置.C設(shè)置調(diào)頻阻尼器.(3)橫風向彎曲馳振的限制舉措：安裝調(diào)質(zhì)阻尼器 (TMD)提升結(jié)構(gòu)阻尼比以提 高臨界風速；對矩形截面采用倒角的方法以降低升力系數(shù)的負斜率的絕對值,從而提升臨界風速

13、；加大結(jié)構(gòu)剛度,提升基頻；加大結(jié)構(gòu)的密度和阻尼架空輸電導線的馳振舞動的限制舉措：選擇合理的線路走向,避開舞動 多發(fā)地區(qū)及微氣象、微地形區(qū)域；適當提升線路的機械及電氣強度,以提升線路抗舞動的水平；對敏感區(qū)段加裝防舞裝置.通過改變導線特性抑制舞動；通過 提升導線系統(tǒng)的自阻尼抑制舞動；通過擾亂沿檔氣流來抑制舞動；采取有效的防 覆冰舉措抑制舞動.4顫振響應的限制舉措：A預防各種固有頻率互相接近.對于彎扭顫振來講,應通過改變系統(tǒng)的剛度與質(zhì) 量的大小與分布,預防頻率比接近1,使扭轉(zhuǎn)振動與彎曲振動不合拍.B提升結(jié) 構(gòu)或構(gòu)件彎曲剛度與扭轉(zhuǎn)剛度；C合理降低結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重心.7橫風向渦激共振P11與馳振臨界風速P

14、15計算.五、風洞試驗技術(shù)與數(shù)據(jù)分析1直流風洞與回流風洞的優(yōu)劣分析 P22簡述哈工大風洞的主要性能指標：哈爾濱工業(yè)大學風浪聯(lián)合實驗室是一座閉口回流式矩形截面風洞,風洞電機額定功率為907千瓦.有大小兩個試驗段,小試驗段尺寸為 4.0m寬、3.0m高、 25m長；大試驗段為風浪聯(lián)合試驗段,單獨作為風洞試驗段時其尺寸為 6.0m寬、 3.6m高、50m長,水槽的尺寸為5.0m寬、4.5m高、50m長,水槽段有一個5.0 寬,5.0長,22m深的深井,在同類邊界層風洞中目前僅加拿大西安大概大學和 香港科技大學擁有造波系統(tǒng),是國內(nèi)唯一能夠?qū)崿F(xiàn)風浪聯(lián)合作用結(jié)構(gòu)試驗的大型 試驗平臺.同時在大試驗段安裝了人

15、工模擬降雨系統(tǒng),可進行風-雨聯(lián)合試驗以及風-雨-浪聯(lián)合試驗.試驗風速范圍從3m/s50m/s 小試驗段和3m/s30m/s 大試驗段連續(xù) 可調(diào),流場性能良好,試驗區(qū)流場的速度不均勻性小于 1%、湍流度小于0.46%、 平均氣流偏角小于0.5度.在小試驗段安裝了兩個用于邊界層建筑結(jié)構(gòu)模型試驗的自動轉(zhuǎn)盤系統(tǒng).兩個轉(zhuǎn)盤的直徑均為彈性模型.類 型：單回流閉口雙實驗段風洞平面尺寸：88.6m 23.3m小試驗段：4.0m寬3.0m 高25m長大試驗段：6.0m 寬3.6m 高50m長水 槽：50m 長5.0m 寬M.5m2.5m,可分別用于剛性測壓模型和氣動深深井：10.0m 長5.0m寬22.5m 最

16、大風速：50m/s 小試驗段,30m/s大試驗段最大波高：0.4米波浪周期：0.5秒5秒3簡述風洞的評價指標：(1)清楚所建風洞的用途與需求(風洞)(2)對試驗段流場品質(zhì)的要求：參照國軍標?高速風洞和低速風洞流場品質(zhì)規(guī) 范?(GJB1179-91對航空航天類風洞的規(guī)定指標：氣流均勻性、方向場均勻性、 軸向靜壓梯度、氣流湍流度 、氣流穩(wěn)定性、點氣流偏角、平均氣流偏角.(3)風洞能量比盡量高,通常在37之間.風洞能量比=試驗段氣流動能流率/ 動力系統(tǒng)輸入風洞的功率(4)風洞噪聲和振動?。簞恿ο到y(tǒng)設(shè)計、各段地基的處理、拐角二次別離的防止等.(5)風洞的適用性和測試準確性.模型準備和模型裝拆方便；風洞

17、使用可靠、 維修容易；數(shù)采和限制系統(tǒng)可靠且自動化程度高； 風洞做小的改動即可適用于多 種任務.配套計算機及測試儀器精度高且可靠；試驗測量受電場干擾小.邊界層風洞流場品質(zhì)指標建議、收縮比.4簡述皮托管、熱線風速儀、電子掃描閥、測力天平的工作原理：皮托管：目前使用的皮托管是一根雙層結(jié)構(gòu)的彎成直角的金屬小管,如圖5-la)所示.在皮托管的頭部迎流方向開一個小孔 A,稱總壓孔.在皮托管的頭部下游 某處又開有假設(shè)干小孔B,稱為靜壓孔.皮托管所測得的流速是皮托管頭部頂端所 對的那一點流速.當皮托管沒有插入流場時,設(shè)某一點的流速為u,靜壓為P.為了測得該點流速,我們將皮托管頂端的小孔 A對準此點,并使皮托管

18、軸線與 流向平行.這時由于插入了皮托管,A點的流速被滯止為零,壓力由原來的靜壓P上升為滯止壓力壓力P,而且還包TP瑛稱總壓P0).P.不但包含了流體原來的靜 含了由流體功能轉(zhuǎn)化為靜壓力的局部.也即如包含了流速U的信息.只要從pO中將原來的靜壓P減去,就可得到流速值u.為 了從理論上建立總壓和靜壓之差與流速的關(guān)系,我們先假設(shè)流體流動為理想的不 可壓縮流體的定常流動.根據(jù)理想的不可壓縮流體的伯努利方程,對于 A點及 下游B點可列出如下關(guān)系式：這就是皮托管測量流速的理論公式.式中, p為被 測流體的密度；(P0-P)為總壓和靜壓之差,可用差壓計來測量一根通以電流熱線風速儀：流速計的一種,它的作用原理

19、是將感測元件而被加熱的細金屬絲置于通道中,當氣體流過它時那么將帶走一定的熱量,此熱量 與流體的速度有關(guān).其流速確實定,常用的有兩種方法：一是定電流法,即加熱 金屬絲的電流不變,氣體帶走一局部熱量 后金屬絲的溫度就降低,流速愈大溫度降 低得就愈多；測得金屬絲的溫度那么可得知流速的大小.另一種是定電阻法(即定溫度法),改變加熱的電流使氣體帶走的 熱量得以補充,而使金屬絲的溫度保持不變(也稱金屬絲的電阻值不變)；這時苴理二"r-E.一流速愈大那么所需加熱的電流也愈大,測得加熱電流值那么可得知流速的大小.電子掃描閥：配置和操作十分簡單.棋型+天平+信號放大感* "口轉(zhuǎn)換制,計算機測力天平：一大余力：阻h4力第感舶力軸件力蛆偏轉(zhuǎn)(橫探1力矩制*力矩天干事大：桿丈5 -電子掃描閥壓力系統(tǒng)是九十年代以來在世界