02风荷载模拟试验的粗糙度估计

风荷载模拟试验的粗糙度估计

Henry W. Tieleman*

Department of Engineering Science and Mechanics,

Virginia Polytechnic Institute and State University,

Blacksburg, VA 24061-0219, USA

Received 10 February 2003;

received in revised form 13 June 2003;

accepted 16 June 2003

摘要

风工程师进行对低层建筑风荷载评估的风洞模拟实验必须应对如何重现有关的流动参数来表征大气表层的问题。由于很少有可以实地观测，因此对于大多数情况，模拟并不是基于在建筑物现场直接观测到的流量。相反，风工程师必须评估在建筑工地视觉的地形粗糙度，并从现有的地形分类挑选一类与之匹配。后者则提供了以粗糙度长度的形式来度量粗糙度的措施，粗糙度长度可用来提供在实验室中使用基本原则重现流所需的湍流参数的估计。建议的用来获取这些参数的方法可以很容易地依靠规定的粗糙度长度来适应用户友好电子评价。

1引言

强风条件下，角落、屋脊和屋顶边缘附近流分离的区域产生的大型吸压力(大负压)造成破坏的主要因素。相关区域表面进行地形模拟的棱镜的最小负压的风洞测量结果表明压力系数和压力本身两者的大小实际上都随湍流强度增大[1]。因此，进行低层结构物风荷载评估的风洞模拟试验需要细致地重现大气湍流。表面粗糙度在开阔地形上明显变化，因此湍流强度也明显变化，对ASCE - 7 中分类C，根本不足以分配一个单一的压力系数。一般不能得到现场大气流观测数据，风工程师不得不诉诸替代方法，以评估给定的位置湍流参数的。在这篇文章中的方法将讨论用于对模拟较均匀和不均匀的各种地形的风洞流模拟的大气湍流参数，如何从基本的流体关系进行评估。

2理想地形

对于平坦、光滑和均匀（FSU）的地形上相当长的风程内的大气流，湍流能量的产生归功于雷诺（湍流）应力对流体的变形作用。这种剪切产生的湍流能量最初来源于流向的u

方向分力，然后转移到横向v和w方向分力。大部分湍流能量产生在接近雷诺应力和流体

变形两者最大值的表面。湍流能量的产生还与浮力效应、尾流的迎风障碍和地形特点（复杂地形）有关。

平坦、光滑和均匀的地形（理想地形）上剪切引起的湍流与地形的粗早读有直接关系。对湍流强度的进行估计，在有关的流动特性没有直接测量方法可用时，则需要流体下部地形的粗糙度。表面粗糙度是最好是用粗糙度长度Z 0进行估算，从传统的对数速度分布可得：

()()*0/ln /U U z d z κ--⎡⎤⎣⎦ (1)

式中，U*为表面摩擦速度，k 为冯·卡门的常数，大小为0.4。适用该公式的最低高度远高于表面粗糙度因素的平均高度时，位移长度d 可以忽略。

由于平均风廓线可靠的现场观察，通常是不会为现有的各种原因，风工程师需要落在上风粗糙度目测回来。这种方法需要观察地形粗糙度与表面粗糙度的一个类就从现有的粗糙度与粗糙度，z0关联的值分类表，为每个类。

由于可靠的平均风速剖面的现场观测数据常常由于种种原因无法得到，所以风工程师退一步到目估上风向粗糙度上来。这种方法需要所观察地形粗糙度与现有的粗糙度表格中的一个粗糙度分类相符合，而表格中每类都有与之相关联的粗糙度长度值z0。

基于对同类地形试验结果心挑选表，Wieringa [2]提出了12种粗糙度，从海平面向有规则的城市变化，同时对每种分类都给出了粗糙度长度范围（表1）。

由Wieringa 取得的成果表明，在公开文献中提供的现有值常常由于两个因素而造成了粗糙度长度的低估。

对于可忽略热流的理想地形，其表层的平均流速（一般可达100米以上的表面，而在强风条件下更高）能很好代表对数风剖面（1）。同时，湍流比率可由下式求得：

()0/ln /a a U A z z σκ- (2)

式中，a 可分别为u ，v 和w[3]，湍流强度下可由下列表达式得：

()0/ln /a a U A z z σκ- (3)

由Wieringa 的粗糙度分类表中确定的粗糙度，三个方向湍流强度分量可以计算（图1-3）。 理想的条件下，除粘性子区外对数率速度谱的一般表达式具有以下形式[4] ：

()()()2*//1a nS n U Af Bf β

α-+ (4) 式中，n 为循环频率，f 为无量纲频率，代表着高度z 与波长U/n 之比。当满足在高频和低频谱范围分为为-2 / 3和1的斜率（1,5/3αβ=-=-），公式（４）等于()2*/a U σ，可以不用测量方法求解系数A 和B （见表2）。

从速度谱可以得到湍流积分尺度，如下：

()()()2

/40/a

x a a L U S σ- (5)

结合速度谱表达式(4)，表层较低部分的积分尺度则为：

()2

/2a

x a L Az A - (6)

其中，A 等于206.0时，流向上积分尺度(6)减小为8.94a

x L z -（图4）。横向和竖向积

分尺度可以由类似表达式得到。

小尺度积分湍流参数S ，定义为：

()()()26//10u u S nS n U σ⎡⎤-⎣⎦ (7) 在n=10/B U L 计算。

同样可以不用实地测量而通过计算求得。

对于许多低矮结构物（高度H 比平面尺寸小），其特征尺度是他们的高度H 。参数S 和湍流强度(3)可以通过计算频率f=10时的谱函数求得（图5）。

上述分析不应该基于以下的混合高度，该高度延伸到一个高度相当于20倍的表面粗糙度较低值（如表1中的前六个粗糙度等级）对应Z0值。对于较大的粗糙度的均匀地形，混合高度的最低的估计z*,均匀地形，至少是粗糙度高度H的1.5倍。当气流动量通量成为一维的并且平均流量不再随水平位置变化而变化时，其地面以上的高度定义为混合高度。在混合高度和地表粗糙度顶层之间，气流是三维的，并且依赖于临近的特有的粗糙元，显然这不能适用于理想地形的分析。虽然对数速度剖面在高于混合高度时仍适用，但其表面起点是朝着粗糙元顶部移动。位移高度d的精确位置取决于表面粗糙度密度，典型地降为接近其高度的70%[2]。混合高度以上，如果考虑位移高度d则对数公式也适用。这意味着，理想地形分析应限于高度，对于平坦地形超过20倍z0和对崎岖的山区则为1.5倍H（表1）。当最低观测高度比位移高度更高时，后者在分析中可被忽略。