1.研究意義

　　風(fēng)及其作用的研究歷史與人類發(fā)展的歷史一樣久遠。在許多神話和史前故事中，人類被風(fēng)的威力與運動深深地吸引住。隨著歷史的發(fā)展，人類越來越認識到自然的循環(huán)規(guī)律，并認為風(fēng)是一種能量運動 。

　　在今天，風(fēng)的研究主要有兩個分支。第一個是如何最大程度地減少強風(fēng)的破壞。另外一個分支是如何利用風(fēng)能為人類服務(wù)。在風(fēng)工程的分支里，對風(fēng)特性的研究是類似的。不過如何去抵抗風(fēng)的破壞、免除人身傷亡是急迫的生存問題，更具有現(xiàn)實意義。

　　許多學(xué)者越來越對風(fēng)與結(jié)構(gòu)的相互耦合作用的研究感興趣。早在半個世紀前，Jensen 就證明了通過實驗合理建立風(fēng)模型，研究結(jié)構(gòu)上風(fēng)荷載的可行性。在近幾十年里，現(xiàn)代風(fēng)工程針對低矮建筑物的研究已經(jīng)取得豐碩的成果 。但是強風(fēng)破壞的研究還是一個難題，需要風(fēng)工程學(xué)者進行更深入的研究。

　　強風(fēng)，颶風(fēng)及龍卷風(fēng)是危害最大的自然災(zāi)害之一，對生命與財產(chǎn)造成巨大的破壞。在2003年，加拿大中西部發(fā)生的龍卷風(fēng)造成巨大的破壞，造成直接與間接的經(jīng)濟損失超過300億美金 ;1998年北美颶風(fēng)總共造成12000人傷亡 。在災(zāi)難中，根據(jù)房屋的破壞程度，把結(jié)構(gòu)主要分成三類 ：(1)沒有進行抗風(fēng)設(shè)計的;(2)進行小范圍的抗風(fēng)加固的;(3)進行了專業(yè)抗風(fēng)設(shè)計的。沒有進行抗風(fēng)設(shè)計的房屋結(jié)構(gòu)基本被摧毀倒塌;有局部抗風(fēng)加固的結(jié)構(gòu)也遭遇了嚴重的破壞;而進行了專業(yè)抗風(fēng)設(shè)計的結(jié)構(gòu)只收到輕微的破壞。

　　風(fēng)災(zāi)中，大部分房屋的破壞主要以屋蓋破壞為主 。由于風(fēng)洞試驗的成本較高，許多建筑物并沒有進行風(fēng)洞試驗研究。但是如果出現(xiàn)暴風(fēng)，結(jié)構(gòu)的破壞將是沒法估計的。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，輕質(zhì)高強新型建筑材料的不斷涌現(xiàn)，以及施工工藝的日新月異，大跨度柔性屋蓋結(jié)構(gòu)以其輕巧優(yōu)美的姿態(tài)廣泛應(yīng)用于機場、體育館、文體活動中心以及展覽館等公共建筑。但是由于這類建筑物質(zhì)量輕、柔性大、阻尼小、自振頻率低等特點，風(fēng)荷載將成為建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要荷載。所以深入準確地研究風(fēng)荷載對這類建筑物的作用以及湍流的形成機理是非常必要的。

　　2.結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的研究方法

　　結(jié)構(gòu)風(fēng)工程學(xué)是風(fēng)工程學(xué)的分支，主要研究風(fēng)和結(jié)構(gòu)的相互作用,亦稱結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)問題,特別是動力風(fēng)效應(yīng),即風(fēng)致振動問題。結(jié)構(gòu)風(fēng)工程經(jīng)過幾十年的發(fā)展，形成了比較完善的體系，研究方法包括理論分析、現(xiàn)場實測、風(fēng)洞模擬和計算風(fēng)工程方法。

　　2.2理論研究

　　理論分析以結(jié)構(gòu)隨機振動理論為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)和概率論的知識，用于結(jié)構(gòu)順風(fēng)向的隨機振動分析和橫風(fēng)向亞臨界范圍的隨機振動分析與跨臨界范圍的確定性共振響應(yīng)分析。在實際工程中，一般運用理論分析來指導(dǎo)工程計算和試驗。

　　2.2全尺度實測

　　全尺度實測(現(xiàn)場實測)是最直接、最真實的研究手段，利用風(fēng)速儀、加速度計等儀器在現(xiàn)場對實際風(fēng)環(huán)境及結(jié)構(gòu)風(fēng)響應(yīng)進行測量，可獲得風(fēng)特性和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的第一手資料，是檢驗其他方法結(jié)果是否正確不可缺少的方法。

　　基于現(xiàn)場實測，近地風(fēng)可處理為平均風(fēng)速和脈動風(fēng)速的疊加;平均風(fēng)速沿高度可用對數(shù)律或冪函數(shù)來描述，而脈動風(fēng)的主要特征是紊流度、脈動風(fēng)速自功率譜和互功率譜、紊流尺度等。在初步掌握這些重要特性的基礎(chǔ)上， 給出了這些特征量的推薦值和推薦公式 (Simiu, et al. 1996; Sethu-Ramam 1979; Counihan 1975; Deaves, et al. 1978;Kaimal, et al. 1972; Davenport 1961; Panofsky 1965)。

　　全尺度實測也有它的限制和困難：

　　(1) 費時、費力、花費較高。

　　(2) 只能對已經(jīng)建成的建筑物及其周圍風(fēng)環(huán)境進行測試，無法對擬建建筑物進行風(fēng)環(huán)境預(yù)測，且不能對將來由于建筑周圍環(huán)境變化而可能出現(xiàn)的情況進行研究。

　　(3) 由于缺乏可控制的環(huán)境，很難去重復(fù)試驗和研究流動的各種特性。

　　(4) 由于風(fēng)流動非常態(tài)性，數(shù)據(jù)采集和分析也很困難。

　　2.3風(fēng)洞試驗

　　可控制環(huán)境下結(jié)構(gòu)與風(fēng)相互作用的研究可追溯到19世紀初 。當(dāng)時大部分風(fēng)洞研究主要應(yīng)用于航天應(yīng)用，航天結(jié)構(gòu)與建筑物的風(fēng)洞試驗也是在層流中進行的。一直到1958年，Jensen 才將湍流邊界層模型應(yīng)用到測試建筑物的風(fēng)洞試驗。這正是因為設(shè)備、測量技術(shù)、來流地形模型和分析方法的巨大進步，邊界層風(fēng)洞試驗才被廣泛應(yīng)用于風(fēng)工程研究中。

　　自60年代初美國Colorado州立大學(xué) 和加拿大WesternOntario 大學(xué)建成邊界層風(fēng)洞以來，目前世界各國的邊界層風(fēng)洞已經(jīng)達到上百座，我國也相繼建成了 20 多座邊界層風(fēng)洞。風(fēng)洞試驗是在風(fēng)洞實驗室模擬大氣邊界層中的實際風(fēng)環(huán)境和實際建筑結(jié)構(gòu)，從實驗室的模型風(fēng)效應(yīng)考察實際的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，是人為控制條件下對結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)進行再現(xiàn)。在建筑繞流和建筑物風(fēng)荷載研究中風(fēng)洞試驗起著重要作用，但風(fēng)洞試驗也存在著很多問題：

　　1.試驗必須采用幾何縮微模型，一般在1:200~1:1000，這樣建筑物細部對風(fēng)作用的響應(yīng)得不到合理的反映;

　　2.試驗要求滿足相似性原理，然而有一些情況在常規(guī)的實驗條件下是無法達到的，如強風(fēng)暴這類的高雷諾數(shù)流動及繞流流動的脈動特性等在風(fēng)洞中很難得到比較好的模擬，特別是湍流的小尺度脈動;同時鑒于近地風(fēng)具有顯著的紊亂性和隨機性，在風(fēng)洞中很難進行準確模擬，因此實驗結(jié)果和實測值必然存在一定的差異;

　　3.建設(shè)風(fēng)洞投資費用高，試驗過程中的費用高、周期長。設(shè)計是一個反復(fù)的過程，需要多個方案進行比較，但不可能一一做風(fēng)洞試驗，結(jié)果不能得到抗風(fēng)性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。

　　2.4計算風(fēng)工程

　　由于風(fēng)洞試驗的局限性并隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，計算風(fēng)工程方法已經(jīng)逐步成為繼風(fēng)洞試驗后預(yù)測建筑物表面風(fēng)壓、周圍風(fēng)速和湍流特性的一種新的有效方法。

　　計算風(fēng)工程方法(Computational Wind Engineering，簡稱 CWE)的核心內(nèi)容是計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics)，亦稱為其控制方程在數(shù)學(xué)上為一組偏微分方程。數(shù)值風(fēng)洞通過在計算機上對建筑物周圍風(fēng)流動所遵循的流體動力學(xué)方程進行數(shù)值求解，并且可借助計算機圖形學(xué)技術(shù)將模擬結(jié)果形象地描述出來，以對建筑物周圍風(fēng)場進行仿真模擬。CWE 技術(shù)在傳統(tǒng)的風(fēng)洞試驗所不能解決的問題上具有廣闊的前景，將不斷地被人們所接受。

　　對于任何給定的流體流動問題，必須滿足一系列要求，并且要經(jīng)過一些步驟才能獲得滿意的結(jié)果。這些要求和步驟包括：對計算域的的定義，網(wǎng)格生成，邊界條件的指定，初始條件的定義，對數(shù)值方法和離散格式、湍流模型、時間步大小、時間推進方法及收斂準則的選擇。

　　計算風(fēng)工程與風(fēng)洞試驗相比較，其優(yōu)點表現(xiàn)為：1.數(shù)值計算成本相對較低，周期短，精度高;2.可以根據(jù)研究和設(shè)計的不同需要不斷改變流場和結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，對研究對象進行全方位多角度的分析研究;3.可以進行全尺度的模擬，克服實驗中難以滿足雷諾數(shù)相似性的困難，可避免風(fēng)洞試驗由于尺寸縮放所引起的誤差;4.數(shù)值模擬結(jié)果可以利用豐富的可視化工具，提供風(fēng)洞實驗不便或無法提供的流場繞流信息。數(shù)值風(fēng)洞是綜合計算流體動力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、風(fēng)工程學(xué)、結(jié)構(gòu)工程，以及計算機語言、數(shù)值計算方法、計算機圖形學(xué)和動態(tài)可視化處理技術(shù)等多學(xué)科的新興交叉學(xué)科，其特點是工程應(yīng)用背景強，理論研究難度大。

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