(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(0)=0,意味着L u=0，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/σu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’+gσu)/U’=1+gσu/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流。

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速度增大而增大。（2）液体：牛顿液体、非牛顿液体、理想流体。

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：P4

3 N-S方程中各项及反应的物理意义。P4~P5

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：P4~P5

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χ2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。

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：

（1）亚临界区（3×102

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规律：

当β<1时，H随β增大而略呈增大趋势；

当β在1附近时，结构将发生共振加强，H突然增大，当β=1时H达到峰值1/4ξ2k2；当β>1后，H随β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