复杂山地地形下击暴流风场及其风荷载特性研究

As one of the severe weather that often occurs worldwide, the downburst is a phenomenon of extreme atmospheric motion which leads to the structural wind-induced damage. Based on the wind tunnel test and numerical simulations with high-precision CFD of the high performance computer system platform, this project mainly analyses the downburst wind field in hilly terrain and the surface wind load of buildings. Firstly, by establishing numerical wind tunnel through impingement model, the downburst wind field model of single three-dimensional hilly is studied on condition of different dimension and velocity of the downdrafts, and then the specific form of wind field is obtained. Secondly, by establishing the downburst wind field model in hilly terrain (combination of mountain terrain of hills, cliffs and canyons), the wind field form of the key locations of the valley between hills and adjacent places of the hills and valleys are studied based on the results of numerical wind tunnel. Thirdly, the characteristics of wind load of buildings with different shapes of cross section and aspect ratios under the downburst wind field in hilly terrain are studied. Furthermore, the calculating theory of wind load is established by a proposed method which combines the wind tunnel test and numerical simulations

下击暴流是一种世界范围内普遍存在的灾害性天气，是造成结构物风致破坏的极端大气运动现象之一。本项目拟基于风洞试验和高性能计算机系统平台的高精度CFD 模拟计算，开展复杂山地地区下击暴流风场以及建筑物表面风荷载等方面的研究：采用冲击射流模型建立数值风洞，研究不同下沉气流尺度、速度等情况下单个三维山体（山坡）的下击暴流近地风场模型，给出具体的风场表述形式；基于数值风洞结果，建立复杂山地地形（多个山丘、悬崖、峡谷等山地地形的组合）的下击暴流近地风场模型，研究山丘之间的山谷、山丘与峡谷相邻处等关键位置风场表达形式；风洞试验与数值模拟相结合的方法研究不同截面形状、高宽比的典型建筑物在复杂山地地区下击暴流风场作用下的风荷载特性，建立其风荷载计算理论。

下击暴流是一种世界范围内普遍存在的灾害性天气，是造成结构物风致破坏的极端大气运动现象之一。本项目围绕山地地形的下击暴流风场特性和该类风场作用下的建筑物风荷载特性展开研究。主要研究手段包括基于稳定冲击射流的物理试验模拟和基于计算流体技术的数值模拟。在风场特性研究部分，考虑了平地和山地地形（主要坡地和山体）两种情况下各类射流参数与相对位置参数对平均风竖向和水平向剖面、湍流度剖面和湍流相关性等特性的影响，给出了适用范围更广的风剖面表达式。在建筑物风荷载特性研究部分，考虑了低矮房屋、多层、高层和超高层等典型建筑，在平地和山地地形下，不同径向位置处的表面风压情况，给出了典型高层建筑物的风荷载谱模型。主要研究结论如下：.（1）采用静止型冲击射流模型试验模拟稳态雷暴冲击风风场，测试结果表明稳态雷暴冲击风径向风速剖面为“鼻子状”，与大气边界层指数率平均风速剖面存在较大差异。根据测试得到的平地工况径向平均风速结果，针对现有雷暴冲击风径向风速模型不适用于所有径向位置的缺点，提出了沿径向变化的径向平均风速剖面模型。.（2）地形对雷暴冲击风风场影响较大。与平地工况相比，坡地地形檐口位置存在约为1.2倍的径向风速加速效应；山地地形在山体顶部的风剖面和加速因子曲线特点与坡地的一致，且同坡度的山顶和坡顶的加速因子曲线基本吻合。但总体来说山地地形对于风场的影响范围较坡地地形更广。.（3）采用大涡模拟方法对平地和坡地地形雷暴冲击风瞬态风场进行数值模拟，结果表明，前端涡旋的发展对雷暴冲击风瞬态风场有决定性的作用。根据大涡模拟得到的平地工况雷暴冲击风竖向风速结果，给出了各径向位置处雷暴冲击风竖向风速剖面数学模型。.（4）非稳态风场数值模拟中，利用大涡数值模拟方法在速度入口处引入一个更符合雷暴冲击风演化过程的速度衰减函数，得到了与实际雷暴冲击风相似的流场瞬态特性，以及雷暴冲击风场整个生命周期及衰减过程的详细信息。.（5）基于物理试验和数值模拟，研究了下击暴流风场中各类建筑外形参数，如高宽比、宽厚比以及低矮房屋的边长对建筑物表面风压影响，给出了建筑迎风面、侧风面以及背风面的风压变化规律。.（6）通过雷暴冲击风作用下高层建筑测压试验，给出了地形对高层建筑表面风压特性的影响规律。总结了各方向上建筑层风荷载的变化规律，并由此给出了高层建筑层风荷载均值、根方差、功率谱及相干函数的数学模型。