大跨度屋盖雷诺数效应及其修正方法研究

The Reynolds-number similarity is the basic requirement for wind tunnel test, but it is usually difficult to meet due to the limit of experimental equipment. Therefore, how to evaluate the effect of Reynolds-number Effects on wind loading, and how to make correction to Reynolds-number effect in wind tunnel, are key problems in structural wind engineering. Research on the Reynolds-number effect is especially important for large-span roofs which have commonly curve shapes. Based on wind tunnel tests, full-scale measurement and CFD numerical simulations, investigation on the Reynolds-number effect of typical large-span roofs will be carried out. The effect of geometrical factors (such as shape and size), flow factors (such as wind speed and turbulence intensity)on the wind pressure distribution and aerodynamic coefficients(including lift coefficient, drag coefficient and vortex shedding frequency)will be studied, and the Reynolds-number sensitivity of wind-induced response on different types of roofs will be discussed. Some correction methods for wind tunnel data under high Reynolds-number will be proposed, and whose validity will be verified by a full-scale measurement on a real engineering project. Based on these work, it is aimed to deepen the understanding of Reynolds-number effect, to improve the wind tunnel test technique, and to promote the the wind-resistant design level of large-span roofs.

雷诺数相似是风洞试验需要满足的基本条件之一，但由于受到实验设备的限制，雷诺数相似通常很难真正实现。因此，评估雷诺数效应对结构设计风荷载的影响，以及对雷诺数效应的风洞试验修正，是当前结构风工程领域研究的难题之一。对于普遍具有复杂曲面形状的大跨度屋盖结构，雷诺数效应研究尤为重要。本项目拟采用风洞试验、现场实测和数值模拟相结合的方法，对典型大跨度屋盖结构形式进行雷诺数效应研究，考察不同几何参数（包括形状、尺度等）和流场参数（包括风速、湍流度等）对结构表面风压分布及相关气动力参数（包括升力系数、阻力系数和漩涡脱落频率等）的影响规律，探讨不同屋盖结构风响应的雷诺数效应敏感程度，提出高雷诺数下的风洞试验修正方法，并结合一实际工程的现场实测数据加以验证。通过以上工作，旨在加深对雷诺数效应的认识，改进现有风洞试验方法，提升大跨度屋盖结构的抗风设计水平。

对于曲面屋盖结构，其气动参数随雷诺数变化显著，大跨度屋盖结构大都处于大气边界层底层，其周围气流的绕流模式较为复杂，影响建筑雷诺数效应的因素诸多，主要包括屋盖几何特征、表面粗糙度和近地面高湍流度三个方面。本项目探讨了表征雷诺数效应的关键气动参数及相应的识别方法；以大跨柱面屋盖、球面屋盖为研究对象，采用风洞试验、CFD数值模拟的方法重点探讨了不同几何特征（包括长宽比、矢跨比）、来流湍流和表面粗糙度对曲面屋盖雷诺数效应的影响；在此基础上，提出了考虑雷诺数效应的风荷载估计方法，为今后的相关研究方向提供一些建议。.雷诺数效应在形式上表现为不同雷诺数条件下流动状态、边界层分离和旋涡作用的差异，进而直接影响气动参数，因而反过来从风洞测压试验获得的气动参数信息可以用于再挖掘流场特点。基于此，本项目提出结合模型表面风压分布来识别流动转捩与边界层分离的方法，利用谱正交分解法来识别旋涡作用，通过分析不同雷诺数下主导旋涡的作用特点，并定量评估其对脉动风压场的能量贡献，为结构抗风设计提供参考。几何特征是影响柱面屋盖雷诺数效应的主要因素，研究表明屋盖长宽比的减小会推迟分离边界层由层流向湍流的过渡，而矢跨比减小的影响则呈相反的变化趋势。来流湍流对雷诺数效应的影响需要从湍流度和积分尺度两方面进行考察，流场湍流度的增加会促使分离边界层提前转捩，而湍流积分尺度主要对脉动风荷载的雷诺数效应存在显著影响；增加表面粗糙度使得转捩区间向低雷诺数区域平移，但值得注意的是升力系数值明显减小，因此采用增加表面粗糙度来模拟高雷诺数的气动特性时，需要对测量数值进一步修正，有待于更深入研究。基于理想流体势流理论，建立了考虑雷诺数效应的风压系数模型，适用于不同矢跨比柱面与球面屋盖；针对脉动风荷载，基于模糊神经网络技术，建立了大跨柱面屋盖考虑雷诺数效应的脉动风荷载预测模型，可作为围护结构抗风设计的有效辅助手段。