哈工大結(jié)構(gòu)風(fēng)工程課后習(xí)題答案

1、結(jié)構(gòu)風(fēng)工程課后思考題參考答案二、大氣邊界層風(fēng)特性1 對(duì)地表粗糙度的兩種描述方式：指數(shù)律和對(duì)數(shù)律（將公式寫上）。2 非標(biāo)準(zhǔn)地貌下的風(fēng)速換算原則（P14）和方法（P15公式）。3 脈動(dòng)風(fēng)的生成：近地風(fēng)在流動(dòng)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(jī)脈動(dòng)。在接近地面時(shí)，由于受到地表阻力的影響，導(dǎo)致風(fēng)速減慢并逐步發(fā)展為混亂無(wú)規(guī)則的湍流。脈動(dòng)風(fēng)的能量及耗散機(jī)制：而湍流運(yùn)動(dòng)可以看做是能量由低頻脈動(dòng)向高頻脈動(dòng)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，

2、能量最終被流體粘性所耗散。4 Davenport譜的特點(diǎn)：先寫出公式通過不同水平脈動(dòng)風(fēng)速譜的比較：（1）D譜不隨高度變化，而其他譜（如Kaimal譜、Solari譜、Karman譜）則考慮了近地湍流隨高度變化的特點(diǎn)；（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(diǎn)；）（2）D譜的譜值比其它譜值偏大，會(huì)高估結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)，計(jì)算結(jié)果偏于保守。（3）Su(0)=0,意味著Lu=0，與實(shí)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(cè)結(jié)果表明，大氣邊界層中的湍流積分尺度是地面粗糙

3、度的減函數(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(fēng)因子與峰值因子的區(qū)別：陣風(fēng)因子G=U/U,是最大風(fēng)速與平均風(fēng)速的比值；峰值因子g=umax/u是最大脈動(dòng)風(fēng)速與脈動(dòng)風(fēng)速均方根的比值。聯(lián)系：二者可以相互換算：G=(U+gu)/U=1+gu/U=1+gIU。三、鈍體空氣動(dòng)力學(xué)理論1 鈍體繞流的主要特征有：（1）粘性效應(yīng)：氣體粘性隨溫度升高而增

4、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(yīng)，使靠近物體表面的空氣流動(dòng)速度減慢，形成氣流速度從表面等于零逐漸增大到與外層氣流速度相等，形成近壁面流動(dòng)現(xiàn)象。（3）邊界層分離：如果邊界層內(nèi)的流體微粒速度因慣性力減小到使靠近表面的氣流倒流，便出現(xiàn)了邊界層分離。（4）再附：在一定條件下，自建筑物前緣分離的邊界層會(huì)偶然再附到建筑物表面，這時(shí)附面層下會(huì)形成不通氣的空腔，即分離泡。每隔一段時(shí)間分離泡破裂產(chǎn)生較大的風(fēng)吸值，產(chǎn)生一個(gè)風(fēng)壓脈沖。（5）鈍體尾流：對(duì)于細(xì)長(zhǎng)鈍體，漩渦脫落是在其兩側(cè)交替形成的。漩渦脫落時(shí)導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)橫向振動(dòng)的主要原因。（6）下沖氣流：由于受到迎風(fēng)面的建筑物的阻擋作用，

5、使部分氣流轉(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：流體與變形速度緊密相關(guān)，而固體在彈性階段剪應(yīng)力不隨變形速度變化而變化。（1）固體：彈性體與變形速度無(wú)關(guān)，理想彈性體在達(dá)到屈服應(yīng)力后隨變形速度增大而增大。（2）液體：牛頓液體、非牛頓液體、理想流體。粘性流體中，不僅產(chǎn)生剪應(yīng)力，還會(huì)產(chǎn)生附加的法向應(yīng)力?；谂ｎD流體的本構(gòu)關(guān)系：P43 N-S方程中各項(xiàng)及反應(yīng)的物理意義。P4P5瞬態(tài)項(xiàng)：即局部導(dǎo)數(shù)，代表同一位置處，由于時(shí)間變化而引起的速度變化，反映了場(chǎng)的非定常性。對(duì)流項(xiàng)：即變位導(dǎo)數(shù)，代表同意瞬時(shí)，由于空間位置變化引起的速度變化，反映了場(chǎng)的非均勻性。源項(xiàng)：與原始?jí)毫τ?/p>

6、關(guān)，且一直都存在。耗散項(xiàng)：涉及動(dòng)力粘性系數(shù)，與粘性有關(guān)，為非線性項(xiàng)。4 擬定常假定以及基于該假定的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)推導(dǎo)：P4P55 氣動(dòng)導(dǎo)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(fēng)速譜與氣動(dòng)力譜之間的頻率傳遞關(guān)系，作用是用準(zhǔn)定常的氣動(dòng)力來表達(dá)非定常的氣動(dòng)力。它是通過氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)2來實(shí)現(xiàn)，將一個(gè)真實(shí)物體的表面風(fēng)壓修正到完全相關(guān)的理想狀態(tài)。氣動(dòng)導(dǎo)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相關(guān)性。6 以圓柱繞流為例，敘述亞臨界、超臨界和高超臨界區(qū)的流動(dòng)特性：（1）亞臨界區(qū)（3102Re3105）: （2）超臨界區(qū)（3105Re3.5106）:（3）高超臨

7、界區(qū)（3106Re）：7 敘述幾種改變雷諾數(shù)效應(yīng)的方法：（1）提高表面粗糙度和來流湍流度均可減小臨界雷諾數(shù)，提高最小阻力系數(shù)。其根本在于促進(jìn)了轉(zhuǎn)捩的提前發(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，分離點(diǎn)位置固定在迎風(fēng)尖角處。（3）改變壓力或溫度。（4）改變流場(chǎng)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(jìn)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，基本保持不變；（2）在超臨界區(qū)，漩渦隨機(jī)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)則脫落，St跳躍至

8、0.2以下，約為0.190.30，并隨Re的增大而增大。四、結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)分析與等效靜力風(fēng)荷載確定1 頻響函數(shù)隨頻率比的變化規(guī)律：當(dāng)1后，H隨增大而減小。2 在剛性結(jié)構(gòu)中背景響應(yīng)與共振響應(yīng)哪個(gè)更顯著。3 陣風(fēng)荷載因子法與慣性力法的區(qū)別:（1）基本思想不同：陣風(fēng)荷載因子法基本思想：用峰值響應(yīng)與平均響應(yīng)的比值（陣風(fēng)荷載因子）來反映結(jié)構(gòu)對(duì)脈動(dòng)風(fēng)的放大作用。慣性力法基本思想：從結(jié)構(gòu)動(dòng)力平衡方程出發(fā)，研究峰值響從結(jié)構(gòu)動(dòng)力平衡方程出發(fā)，研究峰值響應(yīng)對(duì)應(yīng)的真實(shí)最不利荷載。（2）計(jì)算思路不同：陣風(fēng)荷載因子法：通過極值動(dòng)力響應(yīng)得到陣風(fēng)荷載因子，求出等效靜風(fēng)荷載，并得到結(jié)構(gòu)在等效靜風(fēng)荷載作用下的靜力響應(yīng)。慣性力法：

9、結(jié)構(gòu)在脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，可以看作在廣義外荷載作用下的靜力響應(yīng)。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(fēng)荷載。（3）適用條件不同：陣風(fēng)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(fēng)荷載的計(jì)算中需要注意的事項(xiàng)：（1）結(jié)構(gòu)在脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，可以看作在廣義外荷載作用下的靜力響應(yīng)。（2）僅考慮第 1階振型的慣性力作用（3）計(jì)算結(jié)構(gòu)其它響應(yīng)時(shí)（如高層結(jié)構(gòu)的各高度處的剪力和彎矩），將有可能低估結(jié)構(gòu)響應(yīng)。（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(yīng)特點(diǎn)判斷響應(yīng)類型；（1）按響應(yīng)方向判斷：A若為順風(fēng)向響應(yīng)

10、，則一般為順風(fēng)向抖振；B若為橫風(fēng)向響應(yīng)，則為一般為渦激振動(dòng)或橫風(fēng)向彎曲馳振；C若既有順風(fēng)向又有橫風(fēng)向響應(yīng)，則為橫風(fēng)向與順風(fēng)向振動(dòng)的組合。（2）按照失穩(wěn)方式判斷：A若為彎曲或扭著的單自由度氣彈失穩(wěn)，則為馳振；B若為彎扭耦合的氣彈失穩(wěn)，則為顫振。（3）按響應(yīng)性質(zhì)判斷：A若為由來流的速度脈動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng),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(dòng)，為渦激振動(dòng)；C在某些情況下，激勵(lì)部分可以產(chǎn)生負(fù)阻尼成分，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到某值時(shí)負(fù)阻尼大于正阻尼，此時(shí)振幅增大，直到產(chǎn)生失穩(wěn)式破壞，則為自激振動(dòng)。6 針對(duì)不同的風(fēng)振響應(yīng)類型，可采取哪些措施來提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能（1）順風(fēng)向抖振振動(dòng)，提高結(jié)構(gòu)的抗

11、風(fēng)性能措施：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(fēng)向共振響應(yīng)區(qū)后移，增大背景響應(yīng)區(qū)所占比例，從而減小順風(fēng)向抖振響應(yīng)。（2）橫風(fēng)向渦激響應(yīng)的控制措施：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)件或加強(qiáng)層。B安裝耗散材料或裝置。C設(shè)置調(diào)頻阻尼器。（3）橫風(fēng)向彎曲馳振的控制措施：安裝調(diào)質(zhì)阻尼器(TMD)提高結(jié)構(gòu)阻尼比以提高臨界風(fēng)速；對(duì)矩形截面采用倒角的方法以降低升力系數(shù)的負(fù)斜率的絕對(duì)值，從而提高臨界風(fēng)速；加大結(jié)構(gòu)剛度，提高基頻；加大結(jié)構(gòu)的密度和阻尼。架空輸電導(dǎo)線的馳振（舞動(dòng)）的控制措施：選擇合理的線路走向，避開舞動(dòng)多發(fā)地區(qū)及微氣象、微地形區(qū)域； 適當(dāng)提高線路的機(jī)械及電

12、氣強(qiáng)度，以提高線路抗舞動(dòng)的能力；對(duì)敏感區(qū)段加裝防舞裝置。通過改變導(dǎo)線特性抑制舞動(dòng)；通過提高導(dǎo)線系統(tǒng)的自阻尼抑制舞動(dòng)；通過擾亂沿檔氣流來抑制舞動(dòng)；采取有效的防覆冰措施抑制舞動(dòng)。（4）顫振響應(yīng)的控制措施：A避免各種固有頻率互相接近。對(duì)于彎扭顫振來講，應(yīng)通過改變系統(tǒng)的剛度與質(zhì)量的大小與分布，防止頻率比接近1，使扭轉(zhuǎn)振動(dòng)與彎曲振動(dòng)不合拍。B提高結(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(fēng)向渦激共振P11與馳振臨界風(fēng)速P15計(jì)算。 五、風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)與數(shù)據(jù)分析1 直流風(fēng)洞與回流風(fēng)洞的優(yōu)劣分析P22 簡(jiǎn)述哈工大風(fēng)洞的主要性能指標(biāo)：哈爾濱工業(yè)大學(xué)風(fēng)浪聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室是一座閉口回流式矩形截面風(fēng)

13、洞，風(fēng)洞電機(jī)額定功率為907千瓦。有大小兩個(gè)試驗(yàn)段，小試驗(yàn)段尺寸為4.0m寬、3.0m高、25m長(zhǎng)；大試驗(yàn)段為風(fēng)浪聯(lián)合試驗(yàn)段，單獨(dú)作為風(fēng)洞試驗(yàn)段時(shí)其尺寸為6.0m寬、3.6m高、50m長(zhǎng)，水槽的尺寸為5.0m寬、4.5m高、50m長(zhǎng)，水槽段有一個(gè)5.0寬，5.0長(zhǎng)，22m深的深井，在同類邊界層風(fēng)洞中目前僅加拿大西安大略大學(xué)和香港科技大學(xué)擁有造波系統(tǒng)，是國(guó)內(nèi)唯一能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)浪聯(lián)合作用結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的大型試驗(yàn)平臺(tái)。同時(shí)在大試驗(yàn)段安裝了人工模擬降雨系統(tǒng)，可進(jìn)行風(fēng)-雨聯(lián)合試驗(yàn)以及風(fēng)-雨-浪聯(lián)合試驗(yàn)。試驗(yàn)風(fēng)速范圍從3m/s50m/s（小試驗(yàn)段）和3m/s30m/s（大試驗(yàn)段）連續(xù)可調(diào)，流場(chǎng)性能良好，試驗(yàn)區(qū)流場(chǎng)的

14、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(yàn)段安裝了兩個(gè)用于邊界層建筑結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)的自動(dòng)轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)。兩個(gè)轉(zhuǎn)盤的直徑均為2.5m，可分別用于剛性測(cè)壓模型和氣動(dòng)彈性模型。類 型：?jiǎn)位亓鏖]口雙實(shí)驗(yàn)段風(fēng)洞平面尺寸：88.6m23.3m小試驗(yàn)段：4.0m(寬)3.0m (高)25m (長(zhǎng))大試驗(yàn)段：6.0m (寬)3.6m (高)50m(長(zhǎng))水 槽：50m (長(zhǎng))5.0m (寬)4.5m (深)深 井：10.0m (長(zhǎng))5.0m (寬)22.5m (深)最大風(fēng)速：50m/s（小試驗(yàn)段），30m/s（大試驗(yàn)段） 最大波高：0.4米波浪周期：0.5秒5秒 3 簡(jiǎn)述風(fēng)洞的評(píng)價(jià)指

15、標(biāo)：（1)清楚所建風(fēng)洞的用途與需求 (風(fēng)洞)（2）對(duì)試驗(yàn)段流場(chǎng)品質(zhì)的要求：參照國(guó)軍標(biāo)高速風(fēng)洞和低速風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)規(guī)范（GJB1179-91)對(duì)航空航天類風(fēng)洞的規(guī)定指標(biāo)：氣流均勻性、方向場(chǎng)均勻性、軸向靜壓梯度、氣流湍流度 、氣流穩(wěn)定性 、點(diǎn)氣流偏角、平均氣流偏角。（3）風(fēng)洞能量比盡量高，通常在37之間。風(fēng)洞能量比試驗(yàn)段氣流動(dòng)能流率/動(dòng)力系統(tǒng)輸入風(fēng)洞的功率（4）風(fēng)洞噪聲和振動(dòng)?。簞?dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、各段地基的處理、 拐角二次分離的防止等。（5）風(fēng)洞的適用性和測(cè)試準(zhǔn)確性。模型準(zhǔn)備和模型裝拆方便；風(fēng)洞使用可靠、維修容易；數(shù)采和控制系統(tǒng)可靠且自動(dòng)化程度高；風(fēng)洞做小的改動(dòng)即可適用于多種任務(wù)。配套計(jì)算機(jī)及測(cè)試儀器精

16、度高且可靠；試驗(yàn)測(cè)量受電場(chǎng)干擾小。邊界層風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)指標(biāo)建議、收縮比。4 簡(jiǎn)述皮托管、熱線風(fēng)速儀、電子掃描閥、測(cè)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(gè)小孔A，稱總壓孔。在皮托管的頭部下游某處又開有若干小孔B，稱為靜壓孔。皮托管所測(cè)得的流速是皮托管頭部頂端所對(duì)的那一點(diǎn)流速。當(dāng)皮托管沒有插入流場(chǎng)時(shí)，設(shè)某一點(diǎn)的流速為u，靜壓為P。為了測(cè)得該點(diǎn)流速，我們將皮托管頂端的小孔A對(duì)準(zhǔn)此點(diǎn)，并使皮托管軸線與流向平行。這時(shí)由于插入了皮托管，A點(diǎn)的流速被滯止為零，壓力由原來的靜壓上升為滯止壓力0(或稱總壓P0)。0不但包含了流

17、體原來的靜壓力，而且還包含了由流體功能轉(zhuǎn)化為靜壓力的部分。也即如包含了流速U的信息。只要從0中將原來的靜壓減去，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(dòng)為理想的不可壓縮流體的定常流動(dòng)。根據(jù)理想的不可壓縮流體的伯努利方程，對(duì)于A點(diǎn)及下游B點(diǎn)可列出如下關(guān)系式：這就是皮托管測(cè)量流速的理論公式。式中，為被測(cè)流體的密度；（P0-P)為總壓和靜壓之差，可用差壓計(jì)來測(cè)量熱線風(fēng)速儀：流速計(jì)的一種，它的作用原理是將感測(cè)元件一根通以電流而被加熱的細(xì)金屬絲置于通道中，當(dāng)氣體流過它時(shí)則將帶走一定的熱量，此熱量與流體的速度有關(guān)。其流速的確定，常用的有兩種方法：一是定電流法，即加熱

18、金屬絲的電流不變，氣體帶走一部分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(cè)得金屬絲的溫度則可得知流速的大小。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(bǔ)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(shí)流速愈大則所需加熱的電流也愈大，測(cè)得加熱電流值則可得知流速的大小。電子掃描閥：電子掃描閥壓力系統(tǒng)是九十年代以來在世界上應(yīng)用比較廣泛的測(cè)壓設(shè)備。它是一個(gè)高度模塊化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以滿足典型的工業(yè)應(yīng)用，也可以應(yīng)用于更復(fù)雜的風(fēng)洞和氣輪機(jī)，配置和操作十分簡(jiǎn)單。測(cè)力天平： 5 雷諾模型與弗勞德模型的相似參數(shù)確定對(duì)于具有尖角的鈍體，可放寬Re數(shù)一致性條件；對(duì)于近流線形斷面，要重視雷諾數(shù)相似條件。6 設(shè)計(jì)一個(gè)剛性模型風(fēng)洞試驗(yàn)(_) 太難7 用POD方法進(jìn)行脈動(dòng)風(fēng)壓場(chǎng)的分析：POD方法利用脈動(dòng)風(fēng)壓協(xié)方差的本征向量描述建筑結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)風(fēng)壓場(chǎng)。計(jì)算步驟：1. 得到脈動(dòng)風(fēng)壓場(chǎng)為 p(x,y,t) 2.計(jì)算脈動(dòng)風(fēng)壓協(xié)方差3.協(xié)方差的特征值求解4. 特征向量標(biāo)準(zhǔn)正則化5. 計(jì)算主坐標(biāo)6. 進(jìn)行分析或用于重構(gòu)風(fēng)壓場(chǎng)六、結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)1 風(fēng)振響應(yīng)分析（內(nèi)力、位移）、舒適度分析與幕墻抗風(fēng)分析三者的風(fēng)荷載取值有何差別？