完整版哈工大结构风工程课后习题答案

结构风工程课后思考题参考答案

二、大气边界层风特性

1 对地表粗糙度的两种描述方式：指数律和对数律（将公式写上）。

2非标准地貌下的风速换算原则（P14）和方法（P15公式）。

3 脉动风的生成：近地风在流动过程中由于受到地表因素的干扰，产生大小不同的涡旋，这些涡旋的迭加作用在宏观上表现为速度的随机脉动。在接近地面时，由于受到地表阻力的影响，导致风速减慢并逐步发展为混乱无规则的湍流。

脉动风的能量及耗散机制：而湍流运动可以看做是能量由低频脉动向高频脉动过渡，并最终被流体粘性所耗散的过程。在低频区漩涡尺度较大，向中频区（惯性子区）、高频区（耗散区）漩涡尺度逐渐减小，小尺度涡吸收由惯性子区传递过来的能量，能量最终被流体粘性所耗散。

4 Davenport 谱的特点：先写出公式

通过不同水平脉动风速谱的比较：

（1）D 谱不随高度变化，而其他谱（如Kaimal 谱、Solari 谱、Karman 谱）则考虑了近地湍流随高度变化的特点；（D 谱不随高度变化，在高频区符合-5/3 律，没有考虑近地湍流随高度变化的特点；）

（2）D 谱的谱值比其它谱值偏大，会高估结构的动力反应，计算结果偏于保

守。

（3）S u（O）=O，意味着L u=O,与实际不符。

5 湍流度随高度及地面粗糙程度的变化规律：随地面粗糙度的增大而增大，随高度的增加而减小。

积分尺度随高度及地面粗糙程度的变化规律：大量观测结果表明, 大气边界层中的湍流积分尺度是地面粗糙度的减函数,而且随着高度的增加而增加。

功率谱随高度及地面粗糙程度的变化规律：随着高度增大和粗糙度的减小, 能量在频率上的分布趋于集中, 谱形显得高瘦；随着高度减小和粗糙度的增大, 能量在频率上的分布趋于分散,谱形显得扁平。

相干函数随高度及地面粗糙程度的变化规律：随地面粗糙度的增大而减小, 随高度的增加而增大。6阵风因子与峰值因子的区别：阵风因子G=U'/U,是最大风速与平均风速的比

值；峰值因子g=U max/ b是最大脉动风速与脉动风速均方根的比值。

联系：二者可以相互换算：G=（U' +g u）/U' =1+g u/U'=1+gI U。

三、钝体空气动力学理论

1 钝体绕流的主要特征有：

（1）粘性效应：气体粘性随温度升高而增大,液体粘性随温度升高而减小。

（2） 边界层的形成：由于粘性效应，使靠近物体表面的空气流动速度减慢， 形成气流速度从表面等于零逐渐增大到与外层气流速度相等， 形成近壁面流动现

象。

（3） 边界层分离：如果边界层内的流体微粒速度因惯性力减小到使靠近表面 的气流倒流，便出现了边界层分离。

（4） 再附：在一定条件下，自建筑物前缘分离的边界层会偶然再附到建筑物 表面，这时附面层下会形成不通气的空腔，即分离泡。每隔一段时间分离泡破裂 产生较大的风吸值，产生一个风压脉冲。

（5） 钝体尾流：对于细长钝体，漩涡脱落是在其两侧交替形成的。漩涡脱落 时导致建筑物出现横向振动的主要原因。

（6） 下冲气流：由于受到迎风面的建筑物的阻挡作用，使部分气流转向下方 形成漩涡，从而在地面上出现反向气

2流体与固体在本构特性上的差异 流体

与变形速度紧密相关，而固体在 弹性阶段剪应力不随变形速度变化而 变化。 （1） 固体：弹性体与变形速度无关， 理想弹性体在达到屈服应力后随变形 （2） 液体：牛顿液体、非牛顿液体、

粘性流体中，不仅产生剪应力，还会产生附加的法向应力。基于牛顿流体的本构 关系：P 4

3 N-S 方程中各项及反应的物理意义。P 4~P 5

瞬态项：即局部导数，代表同一位置处，由于时间变化而引起的速度变化，反 映了场的非定常性。 对流项：即变位导数，代表同意瞬时，由于空间位置变化引起的速度变化，反 映了场的非均匀性。 源项：与原始压力有关，且一直都存在。

耗散项：涉及动力粘性系数，与粘性有关，为非线性项。

4拟定常假定以及基于该假定的脉动风压系数推导 ：P 4~P 5

5气动导纳的作用：是结构形状、尺寸以及来流湍流特性的函数，用于描述风速 谱与气动力谱之间的

频率传递关系，作用是用准定常的气动力来表达非定常的气 动力。它是通过气动导纳函数 X 来实现，将一个真实物体的表面风压修正到完 全相关的理想状态。

气动导纳随折减频率的变化规律：随频率的增加而减小，说明高频率的小尺度涡 更易丧失相关性。

理想流体。 斥顿流休；剪畫力与变晤 連度呈域性关撇*

菲竿叢舐棒』關应力与査 型堆度呈非罐性先事.

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速度增大而增大。

6以圆柱绕流为例，叙述亚临界、超临界和高超临界区的流动特性

高超临界区(3X l06

7叙述几种改变雷诺数效应的方法:

(1) 提高表面粗糙度和来流湍流度均可减小临界雷诺数，提高最小阻力系数。

其根本在于促进了转捩的提前发生。(2)采用尖角方柱。尖角方柱的阻力系数基 本不随R e 变化，分离点位置固定在迎风尖角处。

(3) 改变压力或温度。(4)改变流场介质。

8斯托拉哈数及其随雷诺数的变化规律(以圆柱为例进行说 - 明): ；： 斯托

拉哈数是流体惯性力与粘性力的比值， 摆出公式。随雷

诺数的变化规律：

(1) 在亚临界区，漩涡周期性脱落，S t 约等于0.19,基本 保持不变；

(2) 在超临界区，漩涡随机脱落，S t 突增至0.4以上，并随R e 的增大而减小； (3) 在高超临界区，漩涡规则脱落，S t 跳跃至0.2以下，约为0.19~0.30,并随

R e 的增大而增大

四、结构风振响应分析与等效静力风荷载确定

1频响函数随频率比的变化

中斶二 _____ L

* r a- ]-fi- 律： 当B

<1时，H 随B 增大而略呈增大趋势； 当B 在1附近时，结构将发生共振加强，H 突然增大，当B =时H 达到峰值1/4 €k 2; 当B >1后, H

随B 增大而减小。

2在刚性结构中背景响应与共振响应哪个更显著 3阵风荷载因子法与惯性力法的区别：

(1) 基本思想不同：

阵风荷载因子法基本思想：用峰值响应与平均响应的比值(阵风荷载因子) 来反映结构对脉动风的放大作用。

惯性力法基本思想：从结构动力平衡方程出发，研究峰值响从结构动力平衡 方程出发，研究峰值响应对应的真实最不利荷载。

（2）计算思路不同：

阵风荷载因子法： 通过极值动力响应得到阵风荷载因子， 求出等效静风荷载， 并得到结构在等效静风荷载作用下的静力响应。

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