城市高大建筑群周围风环境研究

城市中高大建筑物和建筑群会显著改变城市近地面层风场结构. 在有较强来流时, 建筑物周围某些地区会出现强风; 如果这些强风区出现在建筑物入口、通道、露台等行人频繁活动的区域, 则可能使行人感到不舒适、甚至产生伤害, 产生行人风环境问题.因此在设计阶段, 应对建筑物的风环境做出评价, 以对可能出现的行人风场问题, 提出改进措施. 采用风洞热线测量、风洞刷蚀技术和计算流体力学数值模拟等方法, 对北京地区某高大建筑在北京地区盛行风条件下的风环境, 开展物理模拟和数值模拟, 并进行相互验证和比较. 研究结果表明, 3种方法得出行人风场结构和分布基本一致. 研究还分析了各方法的长处和局限, 指出3种方法的相互配合, 可使城市高大建筑的行人风环境研究更为科学、合理.     

湍流对高层建筑风压幅值特性影响的研究

风荷载是高层建筑设计的控制荷载之一,来流湍流对结构风荷载分布和风致响应有很大的影响,研究来流湍流对高层建筑风荷载的影响有很重要的实际意义。本文主要研究来流湍流强度对高层建筑风压幅值特性的影响。为形成不同的湍流强度,本文采用风洞试验的方法,共模拟了五种风场,对2种不同断面相同高度共2个模型进行了研究。结果表明,当湍流强度比我国D类风场的湍流强度明显增大时,模型的四个侧面的平均风压系数在数值上是增大的,但是在背风面和侧面的平均风压系数绝对值是减小的;在D+风场中,背风面和侧风面出现了小正压。特别是背风面平均风压系数增加量比迎风面前后对应位置增加量更大,从而使整个结构所受的平均风阻力减小。高湍流强度对高层建筑表面风压有明显影响(如小正压),可为高层建筑抗风设计提供参考。     

超高层建筑风致振动的现场实测与数值模拟

通过采用现场实测和数值模拟方法,对某超高层建筑的风致振动特性进行研究。在建筑物顶部布置结构振动监测系统,对常态风和台风作用下的结构振动响应进行测量,分析加速度、位移幅值和结构的自振特性。以实测动力特性为基础,建立超高层建筑的等效气动弹性模型,采用平均风剖面入口,联合ANSYS和CFX对风场与建筑物的流固耦合振动进行数值模拟,得到不同顶部风速下,建筑物不同高度处的位移时程、气动力系数时程及频谱分析、尾流旋涡脱落模式。将数值模拟结果与现有的实测结果进行对比分析,表明该方法模拟流固耦合振动是可行的,并可为实际超高层建筑的抗风设计和舒适性计算提供技术依据。     

悬挂网壳结构风压分布的环境影响因素研究

为了研究环境因素对机场大跨度悬挂网壳结构风荷载分布特性的影响,通过在SST k-ω湍流模型的基础上结合CFD技术对悬挂网格结构进行风洞试验数值模拟,验证了数值模拟方法的准确性并对比研究了周边建筑、围护结构、地势高低与支撑结构等不同环境因素下悬挂网壳风荷载分布规律,发现：周边建筑可以对风荷载起到遮挡效果,降低网壳表面风压,遮挡效果随着夹角的增大逐渐衰弱;有围护结构的封闭式悬挂网壳较开放式悬挂网壳存在更大的风压梯度,在一定程度上可以提高结构承风能力,但对于非规则网壳结构无规律可循,故在实际工程中,需根据情况具体分析;随着悬挂网壳结构所处地势高度的增加,其受到风压的影响程度有一定的增幅,但当地势变化差异不大时,结构受风扰动不明显;拱梁对结构表面风压分布趋势影响较小,对风荷载起到了遮挡作用,可以降低悬挂网壳结构风压系数值。     

高层结构群风压力分布与干扰效应

为研究群风环境中高层结构的风压分布特性与群风干扰效应,采用1:300缩尺刚性模型风洞试验,在24种风向角下分析了高层结构风荷载特性的群风效应,研究了结构的压分布特性与群风干扰效应。结果表明,现有《建筑结构荷载规范》的结构风压设计值不宜用于群风环境中高层结构抗风设计,而模型风洞试验可有效地反映群风环境中的结构风压特性;迎风面与背风面脉动压力系数较侧风面低,最大脉动压力出现在涡旋运动最强烈处,也是最大负压产生处;结构极值风压可以通过脉动风压的概率特性识别,进而对结构采取相应的加强措施。试验研究技术可靠,结果可用于该工程及类似工程的抗风设计参考。     

高层建筑表面风压干扰效应研究

基于刚性模型测压实验,研究了不同干扰条件下高层建筑表面风压特性。结果表明:(1)单体建筑表面迎风面风压系数均为正值,其余各面均为负值,且迎风面位于中上部的测点平均风压系数较大;(2)受到来流方向周边建筑的遮挡效应,迎风面转为负压;(3)周边建筑的干扰,使得表面脉动风压系数大于单体工况;(4)上风向周边建筑的干扰效应比下风向更为明显。获得的结果可以为此结构设计提供风荷载,同时也为其他建筑的抗风设计和风洞实验提供技术参考。     

基于谱修正方法的非高斯风场模拟

为克服基于H erm ite谱修正方法的缺点,减少该方法中计算H erm ite多项式系数所需耗费的大量机时,提出了一种模拟非高斯风压场的新方法,采用非高斯累积分布函数（CDF）映射技术来代替基于H erm ite的概率密度函数（PDF）修正。选择任意边缘PDF模型作为概率目标模型,采用目标功率谱密度（PSD）作为样本函数,通过迭代修正该样本函数,使其收敛于目标概率密度函数和目标功率谱密度。将该方法应用于实际结构的非高斯风场模拟,模拟结果与目标谱符合良好,表明本文方法模拟非高斯风场具有较高的精确度和计算效率。     

鄱阳湖地区大气边界层特征的数值模拟

采用WRFV2.2中尺度数值模式对鄱阳湖地区200 km×200 km范围内,2009年11月5日00∶00至2009年11月6日12∶00不同高度的气象要素进行了数值模拟,得到了水平分辨率为1 km的鄱阳湖地区大气边界层风、温、湿度场和廓线分布的大气边界层物理特征.模拟结果发现:白天鄱阳湖面上空存在着冷岛效应并伴随湖风,而夜间湖面上空存在着热岛效应并伴随陆风,湖面与陆地之间最大温差可达6 ℃;同时地形以及下垫面类型对鄱阳湖区风场的分布具有很大影响,夜间存在一条东北西南走向的低空辐合带,白天逐渐消失;此外受风场和地形作用湖面上空的湿度分布也不均匀,白天湿度层厚度低而夜晚湿度层厚度高,湖中心右侧湿度值大于左侧湿度值.模拟结果能较好地反映鄱阳湖的大气边界层物理特征,有助于了解鄱阳湖地区区域气候的特点,以及由于地形、地理环境、地表特征所形成的不同高度上的风、温、湿的分布规律和大气边界层物理特征,为鄱阳湖地区局地天气预报、风能资源开发、环境保护等提供了科学依据.     

L形和U形三维钝体结构绕流的数值模拟研究

采用大涡模型对L形和U形三维钝体建筑物的绕流特性和风压分布特性进行数值研究。考虑平均和脉动速度入口边界,在雷诺数为1.5×10~5～7×10~5条件下,对2种钝体的9种分析工况进行瞬态动力分析,并将计算结果与已有研究进行对比。研究表明,钝体绕流对周围流场影响的强弱程度依次为尾流区、屋顶区、来流区,影响大小随着流场与钝体之间距离、钝体建筑高宽比、离地高度的增大而减小,且对来流区0.25H、屋顶上部0.4H、左右两侧0.5H、尾流区2.0H范围内流场的影响最大;钝体迎风面风压分布比较均匀,而侧面、背面和顶面受绕流涡旋的影响较大,平均风压分布较为复杂,并与脉动风压分布具有类似的变化趋势。研究结果对结构抗风设计与建筑风环境设计具有一定的参考价值。     

大跨开合屋盖风荷载与风致响应试验与数值计算研究

为研究屋盖开孔对大跨结构风效应的影响,在边界层风洞中开展了大跨开合屋盖刚性模型风洞测压试验,分析了结构表面风荷载分布特征,基于时域分析法研究了屋盖开合对风致响应的影响。结果表明:大跨结构模态密集,第一阶模态能量最大,高阶成分的贡献不容忽视;屋盖开洞能有效的减小屋面风荷载,降低位移响应与加速度响应,减小风振系数。研究结果可为大跨开合屋盖风荷载设计提供参考。     

城市地表潜热通量数值模拟方法研究

近年来,中尺度气象模式中城市建筑物影响的数值模拟方法日趋完善,城市地表潜热通量数值模拟方法是目前城市地气耦合研究面临的瓶颈问题之一.采用北京325 m气象塔140 m高度处的能量平衡观测资料,用陆面-单层城市冠层耦合模式进行了一年连续的离线模拟.根据模式对城市下垫面潜热通量模拟的系统性误差较大的特点,基于观测资料研究了城市下垫面潜热通量的数值模拟方法.采用观测分析与城市陆面模式相结合的方法,求出了城市中绿地的绿洲效应系数、城市不透水下垫面水份有效率的时间变化公式以及人为潜热排放的日变化曲线和四季最大值,可直接应用于城市陆面模式,有效提高了模式的整体模拟性能.该方法对其他城市地区有一定的参考意义.     

广州新光大桥良态及台风气候抖振试验研究

采用Monte-Carlo台风随机模拟算法模拟台风风场特性并根据风荷载规范良态气候风环境参数建议的取值,在大气边界层风洞中利用被动紊流发生装置再现了广州新光大桥桥位处良态和台风两类气候模式风环境特征,详细比较了两类风环境新光大桥施工和运营状态、设计风速等因素对于新光大桥跨中主梁、主拱肋和施工塔架风致抖振响应的差异,初步解释了抖振响应差别的主要原因。     

不同垂向分布特征的垂直黏性系数对经典定常Ekman螺旋结构的影响

经典定常Ekman螺旋结构的表面漂流应该在南北半球分别沿风向右偏和左偏45°,而已有观测和研究结果表明:在北极和高纬度海域,表面流相对海面风向的偏角小于45°;在大洋低纬度海域,该偏角大于45°.针对该现象,本文设计了理想化数值实验,研究了不同垂向分布特征的垂直黏性系数对经典定常Ekman螺旋结构的影响,结果显示:垂直黏性系数的垂向分布特征对Ekman螺旋结构影响显著,当垂直黏性系数随深度增加而减小时,表面流偏角大于45°;当垂直黏性系数随深度增加而增大时,表面流偏角小于45°;观测到的低纬度海域与极区表面流偏角的不同应该主要由海洋上层垂直黏性系数的不同垂向分布特征产生;螺旋扁平度不等于常数1,但无明显的变化规律;体积输运的大小和方向与经典Ekman理论结果一致,不受垂直黏性系数分布的影响.     

CMIP5模式对东亚冬季风指数变化及其与冬季大气环流和气温关系的模拟评估

本文评估了44个CMIP5模式对东亚冬季风环流系统,特别是东亚冬季风指数及其对应的环流和气温特征的模拟能力.结果表明:CMIP5模式对地表气温和500 hPa位势高度场模拟效果最好,对200 hPa纬向风的模拟次之,而对海平面气压和850 hPa经向风的模拟相对较差.与单个模式相比,多模式集合(MME)的模拟能力要更优,其能够很好地再现西伯利亚高压、阿留申低压、东亚低层偏北风、中层东亚大槽、高层东亚西风急流以及地表气温的空间分布.不过,模拟的环流系统偏强,造成东亚地表气温总体偏低.对于东亚冬季风指数,分别选取基于300 hPa纬向风(I_(Jhun))、850 hPa风场(I_(Wang))、500 hPa位势高度(I_(Cui))、以及海平面气压(I_(Guo))定义的四个指数表征东亚冬季风强度.MME能很好地模拟I_(Cui)和I_(Wang)指数的长期变化,还能合理再现四个指数所指示的东亚冬季风环流和气温的变化特征:对应冬季风偏强年份,西伯利亚高压、阿留申低压、东亚沿岸低层北风、东亚大槽和高空西风急流加强,东亚大陆地表气温和极端低温降低,但变化的幅度比观测结果偏弱.     

典型体育场屋盖风荷载特性的风洞试验研究

对某一具有代表性的大型体育场刚性模型进行了表面测压风洞试验,介绍了试验所采用的主要技术参数和基本的数据处理方法,分析了结构典型测点在不同风向角下的风压变化规律,给出了该体育场屋盖上的对应于50年和100年重现期的10min平均风压值及前10个最小极值风压值。分析表明：风压系数平均值分布规律明显,能体现屋盖上流场分布的情况;均方根值能在一定程度上反映出气流分离和旋涡脱落情况。典型体育场屋盖上表面主要分布负压,其中迎风边缘及突出部位较大,低凹处及尾流区域较小;屋盖下表面在迎风的钝体边缘有较大区域正压出现,背风处分布有不大的均匀负压。     

考虑垂直涡粘系数非均匀分布的太湖风生流准三维数值模型

本文在考虑垂向涡粘系数沿水深变化的基础上,采用准三维风生环流数值模式对稳定和不稳定风场作用下的太湖流场进行模拟计算,结果令人满意,从模拟结果的比较中可以得出：垂向涡粘系数沿水深变化对水位的计算影响不大,但对流速的垂向分布和底床切应力的计算有较大影响,因此,考虑垂向涡粘系数沿水深变化的风生流准三维数值模型可较好地模拟太湖三维风生流场。     

耗散大气中水平不均匀风场对内重力波传播的影响

采用包括耗散的射线跟踪方法，计算了在水平不均匀风场作用下，不同尺度重力波从对流层直至220km观测高度的传播，结果表明，垂直于重力波传播方向的风以及风剪切能够引起波射线的折射，从而导致重力波明显偏离初始传播方向.在强顺风场作用下，由于风场引起的捕获，大量重力波不能传播到观测高度.由于风场引起的多普勒频移，小周期的重力波在弱顺风条件下能够传播到观测高度.由于反射作用，强逆风场不支持周期低于约18min的较高频重力波的传播.而在弱逆风作用下，大部分中尺度范围重力波都能够传播到观测高度.本文统计了武汉电离层观象台的TID观测数据随热层风场的分布，统计结果与模拟结果符合较好.     

求解弹性波动方程的频率域近似解析离散化波场模拟方法

为提高频率域弹性波动方程数值求解的计算效率,本文引入近似解析离散化(NAD)方法将其进行数值离散并得到大型线性代数方程组.在详细分析了相应系数矩阵的稀疏分块结构与数学性质之后,本文提出采用不精确旋转分块三角预处理子加速Krylov子空间迭代方法来快速求解该线性方程组,并利用数值试验证实这种方法在弹性波场模拟方面的数值效率.通过与另外两种经典数值方法(常规有限差分方法和交错网格有限差分方法)对多种介质模型进行波场模拟、数值频散分析以及与解析解的波形对比,NAD方法显示了其在压制数值频散和提高计算效率方面的优势以及对复杂介质模型弹性波场数值模拟的有效性.     

欧亚地区夏季大气环流年际变化的关键区及亚洲夏季风的关联信号

本文利用资料分析和数值模拟方法研究了欧亚地区夏季大气环流的相关性及其与亚洲夏季风的关联信号,以期为欧亚地区的气候变异及可预测性研究提供科学依据.结果表明:欧亚区域同期(JJA)500 hPa高度场年际变化的关键区包括热带区、中纬度的贝加尔湖和巴尔喀什湖之间以及欧洲地中海附近地区;表面气温的关键区主要位于热带海洋;海平面气压的关键区包括热带的海洋性大陆区域、印度洋和非洲大陆赤道附近部分区域、中高纬的贝加尔湖与巴尔喀什湖之间的地区.另外,夏季大气环流年际变化的春季关键区明显西移/南退,特别是表面气温(其西太平洋区不再是关键区).公用气候系统模式CCSM4.0的大气模式在给定海温年际变化的情况下对于上述大气环流相关场及其关键区的模拟基本合理,其中500 hPa高度场的模拟结果较好,海平面气压场的结果逊之;对于同期和前期的结果,模式都有夸大西太平洋海温影响的倾向.对于东亚夏季风指数与大气环流的同期年际变化信号而言,其空间分布基本表现为以30°N为界呈西南东北向的波列状分布;其春季前期信号中,30°N以南的显著区几乎都位于海洋,30°N以北主要位于欧洲、巴尔喀什湖与贝加尔湖之间的地区.南亚夏季风指数的前期显著相关区比同期明显西移/南退.总之,模式的模拟结果和观测结果相当吻合,但其同期模拟结果比前期的更好一些.这些结果说明:模式对于大气环流年际变化的耦合变化信息的刻画是基本合理的,这为利用气候模式进行有关可预测性研究和降尺度预测研究奠定了基础.     

膜结构风振中流固耦合效应的数值模拟研究

对膜结构风致振动中的流固耦合效应进行了数值模拟研究。采用数值模拟方法中的强耦合整体方法,引入伪实体模型,通过伪实体模型方程,流体方程与结构方程的隐式弱形式来构成整个体系的强耦和整体式方程。采用该方法对双坡型膜结构在考虑和不考虑耦合效应下的风振响应等重要参数进行了计算分析,并将计算结果与已有风洞试验结果进行对比,结果符合良好。同时计算了结构周围空气的风速矢量、压力场分布,得到了空气流体场的变化规律。结果表明采用强耦合整体方法计算所得的解具有很好的收敛性,可以较准确地预测膜结构的风致动力响应。