山地高层建筑论文提纲

论文题目：基于风洞试验和数值模拟的偏转风作用下超高层建筑风效应研究

摘要：随着我国经济的飞速发展,城市化进程不断加速,与此同时,先进的工程建造技术快速进步,包括轻质高强材料的广泛应用,精细化的建筑结构设计方法以及自动化智能化的建筑施工技术,这使得全世界各地涌现出越来越多的超高层建筑。该类建筑具有高柔、轻质和低阻尼等结构特点,是典型的风敏感建筑,风荷载在其结构设计中为主要控制荷载之一。受地球偏转力（科氏力）和山地效应影响,风向会沿着距离地面的高度方向发生改变,也被称为偏转风。然而,当前各国的荷载规范或者标准中均假定大气边界层中的水平风向角沿高度不发生变化,即直线风,缺乏考虑工程实践中实际存在的偏转风作用的影响。因此,开展偏转风下超高层建筑的风效应及其机理研究是十分必要的。为了解决以上问题,本文基于风洞试验和CFD（Computational Fluid Dynamics）数值仿真方法。首先,开展了偏转风风场模拟研究。其次,研究了偏转风下方形超高层建筑的风荷载特性,并结合CFD数值仿真结果探讨了偏转风的影响机理。最后,研究了偏转风场中不同的长宽比的超高层建筑的风荷载特性。具体而言,本文的主要工作包括如下几方面:（1）综述对比了四种现有的偏转风风向轮廓线模型的优劣,并通过风洞试验进行了验证。基于该结果自主设计了导流板装置,结合传统的被动模拟装置,在风洞中成功模拟出了具有一定风场特性的偏转风风场。用直接模拟法和人工合成法两种高保真非定常CFD数值仿真（Large Eddy Simulation,LES）方式也成功模拟出了偏转风风场,利用风洞试验结果对其风场模拟精确性进行了验证。基于定常CFD数值仿真（Reynolds Averaged Navier-Stokes,RANS）对导流板的一些位置参数进行了分析,揭示了在导流板作用下的流场运动机理,提出了优化准则,为后续的偏转风风场模拟研究提供部分参考。（2）基于刚性模型测压风洞试验和CFD数值仿真方法对偏转风场及其对应的常规边界层风场下超高层建筑的风荷载特性开展了研究。明确了偏转风对于风压特性、层间力特性以及基底力矩特性的影响规律。利用风洞试验结果对CFD数值仿真的风荷载特性结果的准确性和有效性进行了验证。利用CFD数值仿真探究了偏转风的总偏转角大小对于超高层建筑风压特性的影响,得出了能够使使超高层建筑物表面产生较为明显的荷载非对称现象的“有效总偏转角”的大小。最后,通过POD（Proper Orthogonal Decomposition）和流场分析说明了偏转风的作用机理。（3）基于风洞试验研究了偏转风下超高层建筑的长宽比对于其风荷载特性的影响,明确了偏转风下长宽比对于风压特性、层间力特性以及基底力矩的影响规律。对比其抗风性能,为偏转风下考虑长宽比的超高层建筑抗风设计方法提供参考。

关键词：偏转风;超高层建筑;风洞试验;CFD数值仿真;风荷载;长宽比

学科专业：结构工程

中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.2.1 偏转风场模拟

1.2.2 高层建筑风效应研究

1.2.3 现有研究不足

1.3 本文主要工作

2 偏转风风洞试验和CFD数值仿真研究方法

2.1 风洞试验方法

2.1.1 风洞试验基本理论

2.1.2 风洞试验室概况

2.1.3 风场模拟方法

2.1.4 高层建筑风荷载评估方法

2.2 数值模拟方法

2.2.1 CFD控制方程

2.2.2 流体求解方法

2.3 本征正交分解法理论

2.3.1 空间投影极值原理

2.3.2 脉动风压能量

2.4 本章小结

3 基于风洞试验和CFD仿真的偏转风风场模拟研究

3.1 风洞试验介绍

3.1.1 采样参数及方法

3.1.2 测点布置

3.2 基于风洞试验的偏转风风场模拟

3.2.1 被动模拟装置的设计

3.2.2 风场布置及其测点布置

3.2.3 风场调试结果

3.3 基于CFD数值仿真的偏转风风场模拟

3.3.1 直接模拟法

3.3.2 人工合成法

3.4 被动装置参数分析及优化准则

3.4.1 稳态雷诺平均法(SRANS)计算评估

3.4.2 导流板距壁面的距离对风场的影响

3.4.3 导流板与导流板之间的距离

3.4.4 导流板后缘距离转盘中心的影响

3.5 本章小结

4 偏转风下方形超高层建筑的风荷载特性研究

4.1 方形超高层建筑测压试验

4.1.1 模型设计

4.1.2 采样设置

4.1.3 测点布置

4.1.4 试验工况表

4.1.5 数据处理方法

4.2 CFD数值仿真

4.2.1 计算域及边界条件设定

4.2.2 网格划分及网格无关性验证

4.2.3 求解设置

4.2.4 数值仿真工况表

4.3 偏转风下方形高层建筑风压特性分析

4.3.1 平均风压分布

4.3.2 脉动风压分布

4.3.3 极值风压

4.3.4 偏度和峰度

4.4 偏转风下的层间荷载特性分析

4.4.1 平均层间力系数

4.4.2 脉动层间力系数

4.4.3 层间力空间相关性和相干性

4.4.4 层间力谱

4.5 偏转风下的基底力矩分析

4.5.1 平均基础力矩系数

4.5.2 脉动基础力矩系数

4.5.3 基础力矩谱

4.6 数值仿真结果验证分析

4.7 POD分析

4.8 流场结构

4.9 本章小结

5 偏转风下建筑物长宽比对结构风荷载特性的影响研究

5.1 风洞试验概况

5.1.1 测压模型设计

5.1.2 测点布置

5.1.3 试验工况表

5.2 长宽比对风压特性的影响

5.3 长宽比对层间荷载特性的影响

5.3.1 平均层间力系数

5.3.2 脉动层间力系数

5.3.3 层间力空间相关性和相干性

5.4 长宽比对基底力矩的影响

5.4.1 平均基础力矩系数

5.4.2 脉动基础力矩系数

5.4.3 基础力矩谱

5.5 POD分析

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 研究结论

6.2 研究创新点

6.3 研究展望

参考文献

C.学位论文数据集

致谢