哈工大結(jié)構(gòu)風工程課后習(xí)題答案(共8頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上結(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則（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(dǎo)致風速減慢并逐步發(fā)展為混亂無規(guī)則的湍流。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

2、由慣性子區(qū)傳遞過來的能量，能量最終被流體粘性所耗散。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；（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)的動力反應(yīng)，計算結(jié)果偏于保守。（3）Su(0)=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)果表明，大氣邊界層

3、中的湍流積分尺度是地面粗糙度的減函數(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+gu/U=1+gIU。三、鈍體空氣動力學(xué)理論1 鈍體繞流的主要特征有：（1）粘性效

4、應(yīng)：氣體粘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(yīng)，使靠近物體表面的空氣流動速度減慢，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偶然再附到建筑物表面，這時附面層下會形成不通氣的空腔，即分離泡。每隔一段時間分離泡破裂產(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(dǎo)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

5、迎風面的建筑物的阻擋作用，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關(guān)，理想彈性體在達到屈服應(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方程中各項及反應(yīng)的物理意義。P4P5瞬態(tài)項：即局部導(dǎo)數(shù)，代表同一位置處，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(dǎo)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

6、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(dǎo)：P4P55 氣動導(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(dǎo)納函數(shù)2來實現(xiàn)，將一個真實物體的表面風壓修正到完全相關(guān)的理想狀態(tài)。氣動導(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)的流動特性：（1）亞臨界區(qū)（3102Re3105）: （2）超臨界區(qū)（3105Re3

7、.5106）:（3）高超臨界區(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，基本保持不變；（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)

8、，漩渦規(guī)則脫落，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)構(gòu)風振響應(yīng)分析與等效靜力風荷載確定1 頻響函數(shù)隨頻率比的變化規(guī)律：當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)哪個更顯著。3 陣風荷載因子法與慣性力法的區(qū)別:（1）基本思想不同：陣風荷載因子法基本思想：用峰值響應(yīng)與平均響應(yīng)的比值（陣風荷載因子）來反映結(jié)構(gòu)對脈動風的放大作用。慣性力法基本思想：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(yīng)對應(yīng)的真實最不利荷載。（2）計算思路不同：陣風荷載因子法：通過極值動力響應(yīng)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

9、用下的靜力響應(yīng)。慣性力法：結(jié)構(gòu)在脈動風荷載作用下的動力響應(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(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）計算結(jié)構(gòu)其它響應(yīng)時（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)特點判斷響應(yīng)類型；（1）按響應(yīng)

10、方向判斷：A若為順風向響應(yīng)，則一般為順風向抖振；B若為橫風向響應(yīng)，則為一般為渦激振動或橫風向彎曲馳振；C若既有順風向又有橫風向響應(yīng)，則為橫風向與順風向振動的組合。（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，激勵部分可以產(chǎn)生負阻尼成分，當風速達到某值時負阻尼大于正阻尼，此時振幅增大，直到產(chǎn)生失穩(wěn)式破壞，則為自激振動。6 針對不同的風振響應(yīng)類型，可采取哪些措施來提高結(jié)構(gòu)的抗風性能（1）順

11、風向抖振振動，提高結(jié)構(gòu)的抗風性能措施：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，從而減小順風向抖振響應(yīng)。（2）橫風向渦激響應(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，從而提高臨界風速；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）的控制措施：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

12、； 適當提高線路的機械及電氣強度，以提高線路抗舞動的能力；對敏感區(qū)段加裝防舞裝置。通過改變導(dǎo)線特性抑制舞動；通過提高導(dǎo)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；采取有效的防覆冰措施抑制舞動。（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)振動與彎曲振動不合拍。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 橫風向渦激共振P11與馳振臨界風速P15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(xué)風浪聯(lián)合實驗室

13、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略大學(xué)和香港科技大學(xué)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)，

14、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2.5m，可分別用于剛性測壓模型和氣動彈性模型。專心-專注-專業(yè)類 型：單回流閉口雙實驗段風洞平面尺寸：88.6m23.3m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)4.5m (深)深 井：10.0m (長)5.0m (寬)22.5m (深)最大風速：50m/s（小試驗段），30m/s（大試驗段） 最大波高：0.4米波

15、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、 拐角二次分離的防止等。（5）風洞的適用性和測試準確性。模型準備和模型裝拆方便；風洞使用可靠、維修容易；數(shù)采和控制系統(tǒng)可靠且自動化程度高；風洞做小的改動

16、即可適用于多種任務(wù)。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若干小孔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，壓力由原來的靜壓上升為

17、滯止壓力0(或稱總壓P0)。0不但包含了流體原來的靜壓力，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，為被測流體的密度；（P0-P)為總壓和靜壓之差，可用差壓計來測量熱線風速儀：的一種，它的作用原理是將感測元件一根通以電流而被加熱的細金屬絲置于通道中，當氣體流過它時則將帶走一定的，此熱量與流體的速度有關(guān)。其流速的確定，常用的

18、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充，而使金屬絲的保持不變（也稱金屬絲的電阻值不變）；這時流速愈大則所需加熱的電流也愈大，測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)用比較廣泛的測壓設(shè)備。它是一個高度模塊化的數(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)雜的風洞和氣輪機，配置和操作十分簡單。測力天平： 5 雷諾模型與弗勞德模型的相似參數(shù)確定對于具有尖角的鈍體，可放寬Re數(shù)一致性條件；對于近流線形斷面，要重視雷諾數(shù)相似條件。6 設(shè)計一個剛性模型風洞試驗(_) 太難7 用POD方法進行脈動風壓場的分析：POD方法利用脈動風壓協(xié)方差的本征向量描述建筑結(jié)構(gòu)的脈動風壓場。計算步驟：1. 得到脈動風壓場為 p(x,y,t) 2.計算脈動風壓協(xié)方差3.協(xié)方差的特征值求解4. 特征向量標準正則化5. 計算主坐標6. 進行分析或用于重構(gòu)風壓場六、結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計1 風振響應(yīng)分析（內(nèi)力、位移）、舒適度分析與幕墻抗風分析三者的風荷載取值有何差別