结构风致效应

作用在物体上空气力的大小依赖于雷诺数。
紊流边界层
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流动分离
流动分离
对于曲面物 体，流动分离 点与雷诺数关 系密切

分离层中会形成离散的漩涡，并脱落到钝体后方的气流中 尾流包含漩涡串的影响而成为湍流，其湍流程度将随雷诺数的 对于有棱角的 物体，雷诺数 对流动分离点 影响较小

尾流区－形成管状涡和环流区，改变了其周围风环境
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钝体群绕流

湍流流动

单体绕流：每个钝体看成是孤立的
许多湍流流动都可以看成是由上游各种物体所产生的具有不
单体，其尾部的分离气流得到充分发 展，还没到达第二个钝体时，气流就 已再附在地面上 尾流干扰绕流：分离气流得不到足 够的空间让它充分发展，但两个钝体 之间的距离又太大，无法保持一个稳 定的涡。 顶部绕流：两个钝体之间会形成一 个稳定的涡，这时气流好像是从两个 钝体顶上流过
由于受到涡旋周期性形成脱落影响，将产生周期性的确定性 振动。在亚临界区圆柱表面边界层分离是完全的层流分离。
由于涡旋脱落不规则，将产生不规则的随机振动。
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圆柱体二维绕流特性

圆柱体二维绕流特性
跨临界（Transcritical）范围： Re 4 106 在跨临界范围，将又出现周期性的确定性振动。圆柱体表面边 界层的分离是完全的湍流分离。
pi (t ) p0 (t ) pi (t ) p0 (t ) p (t ) p0 (t ) q (t )
C pi
C
pi
(t )
nstep
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规范规定
《建筑结构荷载规范》
风振系数 体型系数
体型系数与局部体型系数
体型系数： 局部体型系数：
Hale Waihona Puke Baidu
体形系数
0.817 -0.628 -0.608
usi u zi C pi (t )
us usi Ai / A
i 1
n
usl max(usi ) min(usi )
压力（或吸力）与来流速压的比值：
p
1 2 u 常数 2
无粘、不可压缩的理想流体
s =
w (实际) w (实际) = （来流） 1 u 2 w 0 2
式中：p风压；u为风速；ρ为空气密度

1 2 u 具有压力量纲，称之为动压（速压） 2
p 称之为静压

体型系数为正时，表示风对结构产生压力作用；为负时，
流线体（Streamlined body）

钝体 （Bluff body）

流线型是前圆后尖，表面光滑，略像水滴的形状。具有这
钝体就是非流线体，工程结构几乎都是钝体结构 特点：流动分离、漩涡脱落 钝体绕流问题大量出项在实际问题中，但其机理至今尚未得
种形状的物体在流体中运动时所受到的阻力最小，所以汽车、 火车、飞机机身、潜水艇等外形常做成流线型 流体在流线型物体表面主要表现为层流，没有或很少有湍 流，这保证了物体受到较小的阻力。

气动措施 气动抗风措施主要是通过调整建筑物几何外形或设置一些导 流装置（如挑檐、遮阳板、透风性避难层等）来改变建筑物 周围分离流中旋涡的形成与脱落（即所谓的尾流激励），用 以减小作用其上的风荷载。
现有的建筑物多属于钝体结构，气流遇到建筑物产生分离，使
建筑物周围的气流发生改变，因此作用在建筑物上的风压受到
Cp
p p0
1 (u0 2 u 2 ) p p0 2 u 1 ( )2 1 1 u0 u0 2 u0 2 2 2
C pi (t )
p
pi (t ) p0 (t ) pi (t ) p0 (t ) p (t ) p0 (t ) q(t )
层流边界层
雷诺数（Reynolds number）
雷诺数Re定义为作用于流体微团的惯性力与粘性力之比
Re
U 2 L2 UL UL U 2 v L
L
Re (65000 69000)UL
个靠近物体表面的、流动受到阻 滞并产生很大速度梯度的区域称 为边界层或附面层。
混合边界层
第五章 结构风荷载特性及其风致效应
5.1 钝体绕流特性 5.2 体型系数 5.3 结构风致振动 5.4 高层结构风荷载特性及其风致效应 5.5 大跨结构风荷载特性及其风致效应 5.6 桥梁结构风荷载特性及其风致效应

5.1绕流特性
结构本身在风中会引起局部湍流－“特征湍流”
Separation “bubble” Shear layer positions: High turbulence Low turbulence
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上次课主要内容
第四章 风洞试验
风工程基本理论与应用

4.1 风洞 4.2 试验风场的模拟 4.3 风洞中的测量设备 4.4 土木工程风洞试验



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1 2 w u0 2
对于钝体结构一般认为α只 与结构形状有关，而与风速 无关，称其为体型系数。
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体型系数

Bernoulli方程

风载体型系数就是风作用在建筑物表面某点上所引起的实际
在大气边界层中，风速与风压近似满足Bernoulli方程
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圆柱体二维绕流特性

圆柱体二维绕流特性

亚临界（Subcritical）范围：
30 Re 2 105
5 6 超临界（Supercritical）范围 ： 5 10 Re 4 10
不同而不同——许多湍流流动可以看成是由上游各种物体的所产 生的具有不同湍流程度的尾流流动的综合而成

这些漩涡使得分离点（如拐点或房檐）附近出现非常大的吸力
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流动分离

尖缘平板二维绕流特性
对于实践中所关心的流动，其雷诺数的分布范围很
p0 q
参考点处的总压、静压和动压
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压力系数
p (t ) p0 (t ) pi (t ) p0 (t ) C pi (t ) i p (t ) p0 (t ) q (t )
压力系数
C pi (t )
广，从近乎为零直到108或1010

持续地提高绕障碍物流动的雷诺数，一般会出现一些列变
化很大的流动现象

雷诺数就成为了一个区分各种流动现象的方便指标
粘性力气主要作用 流动没有分离 惯性力的作用开始显露 在尖角处发生分离 形成两个对称、附着的大漩涡
Re (65000 69000)UL
2
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风压
作用于模型表面的风压：
C pi (t )
pi (t ) p (t ) pi (t ) p (t ) p (t ) p (t ) q(t )
参考点高度系数
wi (t ) C pi (t ) wref C pi (t ) w0
主要承重结构：
wk z s z w0
阵风系数 局部体型系数
作用于模型表面的平均风压：
wk z s z w0
围护结构：
wk gz sl z w0
wi (t ) C pi (t ) w0 usi u zi w0
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实际上，风场受到结构的扰动后不再满足均匀性假设，也不
再满足Bernoulli方程，即并不存在满足均匀性假设的平均风 速，因此体型系数一般通过是通过测定实际风压确定的。 同步测压试验中的每个测点


引入 Bernoulli方程
p 1 2 1 u p0 u0 2 2 2 1 (u0 2 u 2 ) 2
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圆柱体二维绕流特性
圆柱体二维绕流特性
“隔裂板”可以阻止尾流 区中的横向流动，从而 避免涡迹的形成，使整 个尾流流动变得平稳。

隔裂板起到了延长该物体沿来流方向深度的作用，使它近似
于一个对称的翼型。 当一个物体的沿来流方向深度较大时，其尾流就会变窄，因而 不会产生显著的漩涡。
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矩形柱二维绕流特性
分离点固定（和雷诺数的关系相对较小），可能发生再附。

三维钝体绕流
前缘分离与再附－形成分离泡，使钝体局部顶部前缘附近形成 负压区 侧缘漩涡脱落－形成锥形涡，使钝体顶部两侧附近形成负压区
不同雷诺数下，由于圆柱体绕流特性不同，因此 呈现出不同的空气动力特性。
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圆柱体二维绕流特性

矩形柱二维绕流特性
矩形柱的绕流特性除了取决于雷诺数、来流湍流特性外，还主 要取决于矩形柱截面的几何特征参数－长宽比D/B，其中，D为 顺来流方向（顺风向）的长度，B为垂直于来流方向（横风向） 的宽度。
Stagnation Point
Fluctuating reattachment point
Stagnation point:驻点 Separation：分离 Reattachment：再附
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流线体

钝体

同湍流程度的尾流流动的综合而成

大部分风工程 比较重要的流动都可以认为是通过上述这种机
械扰动方式形成湍流

对于风工程，热对流动形成的湍流在大多数情况下是次要的
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气动抗风措施

5.2体系系数（风对结构静力作用）
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尖缘平板二维绕流特性
圆柱体二维绕流特性
惯性力的作用进一步加强 在上缘和下缘周期性交替 的、往下游移动的漩涡
惯性力起主导作用 不能形成明显的大漩涡 形成普通的湍流尾流
Re (65000 69000)UL
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到透彻认识（特别是尾流区漩涡形成和脱落的机理相当复杂）
流线型物体通常较为美观，经常出现在产品的外观设计中 漩涡：vortex
尾流：wake
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边界层（附面层）
边界层（Boundary Layer）亦称 附面层。当粘性流体沿物体表面 流动时，在接触面上沿切向的相 对速度等于零。空气的粘性系数 虽然很小，但它也能通过粘性效 应阻滞或减慢靠近物体表面的一 薄层空气的流动速度及分布。这

表示风对结构产生吸力作用。
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压力系数

压力系数

Cp 1 (
u 2 ) u0
不受建筑物影响区域（来流）的风速和风压分别为u0 、p0 定义一个无量纲的压力系数Cp
p p0 Cp 1 u0 2 2

结构体型的影响。 作用在建筑物上的风压可分为沿法线和切线方向的两个分量， 由于空气的粘性很小，抗剪能力较差，因此通常起主要作用的 是法向分量。 作用在结构表面的静风压可概念性的表示成：

机械措施 设置阻尼器，增加结构的阻尼。如调频质量阻尼器(TMDTuned Mass Damper)、调频液体阻尼器(TLD-Tuned Liquid Damper)等。