1.研究意義

　　風(fēng)及其作用的研究歷史與人類發(fā)展的歷史一樣久遠(yuǎn)。在許多神話和史前故事中，人類被風(fēng)的威力與運(yùn)動(dòng)深深地吸引住。隨著歷史的發(fā)展，人類越來越認(rèn)識(shí)到自然的循環(huán)規(guī)律，并認(rèn)為風(fēng)是一種能量運(yùn)動(dòng) 。

　　在今天，風(fēng)的研究主要有兩個(gè)分支。第一個(gè)是如何最大程度地減少強(qiáng)風(fēng)的破壞。另外一個(gè)分支是如何利用風(fēng)能為人類服務(wù)。在風(fēng)工程的分支里，對(duì)風(fēng)特性的研究是類似的。不過如何去抵抗風(fēng)的破壞、免除人身傷亡是急迫的生存問題，更具有現(xiàn)實(shí)意義。

　　許多學(xué)者越來越對(duì)風(fēng)與結(jié)構(gòu)的相互耦合作用的研究感興趣。早在半個(gè)世紀(jì)前，Jensen 就證明了通過實(shí)驗(yàn)合理建立風(fēng)模型，研究結(jié)構(gòu)上風(fēng)荷載的可行性。在近幾十年里，現(xiàn)代風(fēng)工程針對(duì)低矮建筑物的研究已經(jīng)取得豐碩的成果 。但是強(qiáng)風(fēng)破壞的研究還是一個(gè)難題，需要風(fēng)工程學(xué)者進(jìn)行更深入的研究。

　　強(qiáng)風(fēng)，颶風(fēng)及龍卷風(fēng)是危害最大的自然災(zāi)害之一，對(duì)生命與財(cái)產(chǎn)造成巨大的破壞。在2003年，加拿大中西部發(fā)生的龍卷風(fēng)造成巨大的破壞，造成直接與間接的經(jīng)濟(jì)損失超過300億美金 ;1998年北美颶風(fēng)總共造成12000人傷亡 。在災(zāi)難中，根據(jù)房屋的破壞程度，把結(jié)構(gòu)主要分成三類 ：(1)沒有進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)的;(2)進(jìn)行小范圍的抗風(fēng)加固的;(3)進(jìn)行了專業(yè)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的。沒有進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)的房屋結(jié)構(gòu)基本被摧毀倒塌;有局部抗風(fēng)加固的結(jié)構(gòu)也遭遇了嚴(yán)重的破壞;而進(jìn)行了專業(yè)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)只收到輕微的破壞。

　　風(fēng)災(zāi)中，大部分房屋的破壞主要以屋蓋破壞為主 。由于風(fēng)洞試驗(yàn)的成本較高，許多建筑物并沒有進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)研究。但是如果出現(xiàn)暴風(fēng)，結(jié)構(gòu)的破壞將是沒法估計(jì)的。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，輕質(zhì)高強(qiáng)新型建筑材料的不斷涌現(xiàn)，以及施工工藝的日新月異，大跨度柔性屋蓋結(jié)構(gòu)以其輕巧優(yōu)美的姿態(tài)廣泛應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、體育館、文體活動(dòng)中心以及展覽館等公共建筑。但是由于這類建筑物質(zhì)量輕、柔性大、阻尼小、自振頻率低等特點(diǎn)，風(fēng)荷載將成為建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要荷載。所以深入準(zhǔn)確地研究風(fēng)荷載對(duì)這類建筑物的作用以及湍流的形成機(jī)理是非常必要的。

　　2.結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的研究方法

　　結(jié)構(gòu)風(fēng)工程學(xué)是風(fēng)工程學(xué)的分支，主要研究風(fēng)和結(jié)構(gòu)的相互作用,亦稱結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)問題,特別是動(dòng)力風(fēng)效應(yīng),即風(fēng)致振動(dòng)問題。結(jié)構(gòu)風(fēng)工程經(jīng)過幾十年的發(fā)展，形成了比較完善的體系，研究方法包括理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞模擬和計(jì)算風(fēng)工程方法。

　　2.2理論研究

　　理論分析以結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)理論為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)和概率論的知識(shí)，用于結(jié)構(gòu)順風(fēng)向的隨機(jī)振動(dòng)分析和橫風(fēng)向亞臨界范圍的隨機(jī)振動(dòng)分析與跨臨界范圍的確定性共振響應(yīng)分析。在實(shí)際工程中，一般運(yùn)用理論分析來指導(dǎo)工程計(jì)算和試驗(yàn)。

　　2.2全尺度實(shí)測(cè)

　　全尺度實(shí)測(cè)(現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè))是最直接、最真實(shí)的研究手段，利用風(fēng)速儀、加速度計(jì)等儀器在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)實(shí)際風(fēng)環(huán)境及結(jié)構(gòu)風(fēng)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量，可獲得風(fēng)特性和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的第一手資料，是檢驗(yàn)其他方法結(jié)果是否正確不可缺少的方法。

　　基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，近地風(fēng)可處理為平均風(fēng)速和脈動(dòng)風(fēng)速的疊加;平均風(fēng)速沿高度可用對(duì)數(shù)律或冪函數(shù)來描述，而脈動(dòng)風(fēng)的主要特征是紊流度、脈動(dòng)風(fēng)速自功率譜和互功率譜、紊流尺度等。在初步掌握這些重要特性的基礎(chǔ)上， 給出了這些特征量的推薦值和推薦公式 (Simiu, et al. 1996; Sethu-Ramam 1979; Counihan 1975; Deaves, et al. 1978;Kaimal, et al. 1972; Davenport 1961; Panofsky 1965)。

　　全尺度實(shí)測(cè)也有它的限制和困難：

　　(1) 費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、花費(fèi)較高。

　　(2) 只能對(duì)已經(jīng)建成的建筑物及其周圍風(fēng)環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，無法對(duì)擬建建筑物進(jìn)行風(fēng)環(huán)境預(yù)測(cè)，且不能對(duì)將來由于建筑周圍環(huán)境變化而可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行研究。

　　(3) 由于缺乏可控制的環(huán)境，很難去重復(fù)試驗(yàn)和研究流動(dòng)的各種特性。

　　(4) 由于風(fēng)流動(dòng)非常態(tài)性，數(shù)據(jù)采集和分析也很困難。

　　2.3風(fēng)洞試驗(yàn)

　　可控制環(huán)境下結(jié)構(gòu)與風(fēng)相互作用的研究可追溯到19世紀(jì)初 。當(dāng)時(shí)大部分風(fēng)洞研究主要應(yīng)用于航天應(yīng)用，航天結(jié)構(gòu)與建筑物的風(fēng)洞試驗(yàn)也是在層流中進(jìn)行的。一直到1958年，Jensen 才將湍流邊界層模型應(yīng)用到測(cè)試建筑物的風(fēng)洞試驗(yàn)。這正是因?yàn)樵O(shè)備、測(cè)量技術(shù)、來流地形模型和分析方法的巨大進(jìn)步，邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)才被廣泛應(yīng)用于風(fēng)工程研究中。

　　自60年代初美國Colorado州立大學(xué) 和加拿大WesternOntario 大學(xué)建成邊界層風(fēng)洞以來，目前世界各國的邊界層風(fēng)洞已經(jīng)達(dá)到上百座，我國也相繼建成了 20 多座邊界層風(fēng)洞。風(fēng)洞試驗(yàn)是在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室模擬大氣邊界層中的實(shí)際風(fēng)環(huán)境和實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)，從實(shí)驗(yàn)室的模型風(fēng)效應(yīng)考察實(shí)際的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，是人為控制條件下對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)進(jìn)行再現(xiàn)。在建筑繞流和建筑物風(fēng)荷載研究中風(fēng)洞試驗(yàn)起著重要作用，但風(fēng)洞試驗(yàn)也存在著很多問題：

　　1.試驗(yàn)必須采用幾何縮微模型，一般在1:200~1:1000，這樣建筑物細(xì)部對(duì)風(fēng)作用的響應(yīng)得不到合理的反映;

　　2.試驗(yàn)要求滿足相似性原理，然而有一些情況在常規(guī)的實(shí)驗(yàn)條件下是無法達(dá)到的，如強(qiáng)風(fēng)暴這類的高雷諾數(shù)流動(dòng)及繞流流動(dòng)的脈動(dòng)特性等在風(fēng)洞中很難得到比較好的模擬，特別是湍流的小尺度脈動(dòng);同時(shí)鑒于近地風(fēng)具有顯著的紊亂性和隨機(jī)性，在風(fēng)洞中很難進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)測(cè)值必然存在一定的差異;

　　3.建設(shè)風(fēng)洞投資費(fèi)用高，試驗(yàn)過程中的費(fèi)用高、周期長(zhǎng)。設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)的過程，需要多個(gè)方案進(jìn)行比較，但不可能一一做風(fēng)洞試驗(yàn)，結(jié)果不能得到抗風(fēng)性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。

　　2.4計(jì)算風(fēng)工程

　　由于風(fēng)洞試驗(yàn)的局限性并隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算風(fēng)工程方法已經(jīng)逐步成為繼風(fēng)洞試驗(yàn)后預(yù)測(cè)建筑物表面風(fēng)壓、周圍風(fēng)速和湍流特性的一種新的有效方法。

　　計(jì)算風(fēng)工程方法(Computational Wind Engineering，簡(jiǎn)稱 CWE)的核心內(nèi)容是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics)，亦稱為其控制方程在數(shù)學(xué)上為一組偏微分方程。數(shù)值風(fēng)洞通過在計(jì)算機(jī)上對(duì)建筑物周圍風(fēng)流動(dòng)所遵循的流體動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行數(shù)值求解，并且可借助計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)將模擬結(jié)果形象地描述出來，以對(duì)建筑物周圍風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬。CWE 技術(shù)在傳統(tǒng)的風(fēng)洞試驗(yàn)所不能解決的問題上具有廣闊的前景，將不斷地被人們所接受。

　　對(duì)于任何給定的流體流動(dòng)問題，必須滿足一系列要求，并且要經(jīng)過一些步驟才能獲得滿意的結(jié)果。這些要求和步驟包括：對(duì)計(jì)算域的的定義，網(wǎng)格生成，邊界條件的指定，初始條件的定義，對(duì)數(shù)值方法和離散格式、湍流模型、時(shí)間步大小、時(shí)間推進(jìn)方法及收斂準(zhǔn)則的選擇。

　　計(jì)算風(fēng)工程與風(fēng)洞試驗(yàn)相比較，其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為：1.數(shù)值計(jì)算成本相對(duì)較低，周期短，精度高;2.可以根據(jù)研究和設(shè)計(jì)的不同需要不斷改變流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行全方位多角度的分析研究;3.可以進(jìn)行全尺度的模擬，克服實(shí)驗(yàn)中難以滿足雷諾數(shù)相似性的困難，可避免風(fēng)洞試驗(yàn)由于尺寸縮放所引起的誤差;4.數(shù)值模擬結(jié)果可以利用豐富的可視化工具，提供風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)不便或無法提供的流場(chǎng)繞流信息。數(shù)值風(fēng)洞是綜合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、風(fēng)工程學(xué)、結(jié)構(gòu)工程，以及計(jì)算機(jī)語言、數(shù)值計(jì)算方法、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和動(dòng)態(tài)可視化處理技術(shù)等多學(xué)科的新興交叉學(xué)科，其特點(diǎn)是工程應(yīng)用背景強(qiáng)，理論研究難度大。

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