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风工程风工程(三三)风工程-3第二部分第二部分 建构筑物空气动力学建构筑物空气动力学概述绕建构筑物的基本流动建构筑物风荷载建构筑物结构响应建构筑物风环境和舒适性建构筑物空气动力试验 建构筑物空气动力学旨在揭示风与建构筑物相互作用的机理,保证在风荷载作用下建构筑物的安全性和居住者的舒适性。(1)研究作用在建构筑物上的风荷载 (2)研究建构筑物在风作用下的结构响应 (3)研究建构筑物周围的风环境和舒适性3.1 概述风作用的类型(1)顺风向力：与风向一致的力的作用，包括平均风作用和脉动风作用。其中脉动风要引起结构物的顺风向振动。(2)横风向力：结构物背后的旋涡引起结构物的横风向(与风向垂直)的振动，横风向力的作用与截面形状以及雷诺数有关。(3)风力扭矩：风力对结构偏心作用产生的风力扭矩，以及该扭矩对结构产生的扭转振动。(1)使结构物或结构构件受到过大的风力或不稳定。(2)使结构物或结构构件产生过大的挠度或变形，引起外墙、外装修材料的损坏。(3)由反复的风振动作用，引起结构或结构构件的疲劳损坏。(4)气动弹性的不稳定，使结构物产生加剧的气动力，结构愈振愈大，既产生所谓空气动力失稳。(5)由于过大的动态运动，使建筑物的居住者或有关人员产生不舒适感。风作用的效应(1)流体流动的连续性定理 当气体稳定地、连续不断地流过一个粗细不等的变截面管道时，由于管道中任一部分的气体不能中断，也不能堆积，因此，根据质量守恒定律，在同一时间内，流过管道任一截面的气体质量都相等:当气体以低速流动时，可以认为气体是不可压缩的，即密度保持不变，此时有:(2)伯努利定理 不可压、理想流体沿流管作定常流动时，流动速度增加，流体的静压将减小；反之，流动速度减小，流体的静压将增加。但是流体的静压和动压之和，称为总压始终保持不变。伯努利定理就是能量守恒定律在流体流动中的应用。描述的是流体在流动过程中流体压强和速度之间关系的流动规律。a1a2b1b2S1xL1S2xL2伯努利方程推导V11.L1V1V2V 1F1.L1=P1.S1.L1=P1.V 2P2 VW12（P1P2）.VS1xL1S2xL2V22.L2伯努利方程(3)低速气流的流动特点 低速气流在收缩管道中流动时，气流的流速将增加，气流的静压将减小；反之，在扩张管道中流动时，气流的流速将减小，而气流的静压将增加。两船在水中自动靠拢（4）高速气流的流动特点 超声速气流在变截面管道中的流动情况。与低速气流相反，收缩管道将使超声速气流减速、增压；而扩张形管道将使超声速气流增速、减压。收敛段扩张段拉瓦尔喷管风速风压关系贝努利方程风压基本风压:以当地比较空旷平坦地面上离地 10m高统计所得的50年一遇 10分钟平均最大风速V0为标准,按下式计算:由自由气流的风速提供的单位面积上的风压力为:FyFxMz结构的风力V V横风力顺风力扭力矩阻力系数:横向力系数:扭矩系数:(不对称结构)特征尺度3.2 绕建构筑物的基本流动二维圆柱绕流二维方柱绕流三维绕流特点雷诺数：惯性力与粘性力之比绕二维圆柱的流动Re5(无分离流动)5Re40(稳定旋涡)VB40Re150(层流涡道)300Re3e5(湍流涡道)3e5Re3.5e6(湍流涡道重建)亚临界区(Subcritical):300Re3e5,旋涡周期性形成和脱落。结构将产生周期性的确定性振动。超临界区(Supercritical):3e5Re3.5e6,周期性湍流涡道重建，旋涡脱落又变得有规则。结构又将出现周期性的确定性振动。BV1L斯特劳哈尔数n=V1/LVV1V;LBnV/B n=St.V/BSt=nB/V圆柱体斯特劳哈尔数与雷诺数的关系亚临界区超临界区跨临界区Re=0.3绕二维平板流动VRe=10Re=250Re1000绕二维方柱的流动正方体长方体阻力系数与雷诺数和边缘曲率的关系r/h=0.021r/h=0.167r/h=0.5k/h=0.02k/h=0.001k/h=0.007k/h=0.002钝边物体周围的气流几乎与雷诺数无关尾流区前缘分离和再附侧缘旋涡脱落绕三维钝体流动 绕钝体前缘流动分离再附形成的分离气泡使钝体局部顶前缘附近形成负压区；绕钝体侧缘流动旋涡脱落形成的锥形涡使钝体两厕附近形成负压区；在钝体尾流区中形成的管状窝和环流改变了其周围的风环境。压力系数:
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