本文是一篇土木工程论文，本文采用主动风洞测压试验和FLUENT软件数值模拟的方法，在不同剪切参数（β=0.000、0.018、0.054、0.090）、不同湍流强度（uI=2%、3%、6%、9%）和亚临界雷诺（Re=3.2104）条件下，对单圆柱的气动力分布特性进行了研究。
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
随着社会经济与科学技术的不断发展，建筑技术和建筑材料都有了长足的进步，从而带动了建筑结构行业的高速发展，相继开发出大量的新技术和新材料，并成功应用于工程实践，结构向着更高、更长、更大的方向发展，超高层建筑（图1-1）、大跨空间结构（图1-2）、大跨度桥梁（图1-3）等柔性基础设施的建造越来越多，在给人们带来视觉上的冲击的同时也给结构设计带来愈来愈多严峻的挑战，对于此类风敏感性结构而言，风荷载成为控制其结构安全性的重要因素。
风荷载作为控制建筑结构安全性的重要因素，常常造成世界各地的建筑以及经济受到严重的损失[1]。建筑结构风荷载的影响因素有很多，如来流风特性、风向角、建筑的外形和几何尺寸、地貌条件、邻近干扰建筑，其中一个重要的因素就是来流风特性。如今建筑结构都处于大气边界层中，大气边界层中来流风速随高度的变化而变化，以剪切来流形式出现，而不是以均匀来流形式存在，并且在同一高度面内也会存在一定的梯度变化。而且在大气边界层中，其风场的脉动风特性也是结构风荷载的重要影响因素之一。另外，随着全球气候变暖，龙卷风、下击暴流等特异风发生的频率较高，这些特异气流有着显著强剪切和高湍流度特征，对于上述风敏感性结构风效应都会产生一些特殊的影响。
1.2 大气边界层风特性
大气边界层的高度大约为1~2km，在这个距离范围内，风速是随着高度的改变而改变的。在地表附近，风速通常受到地表摩擦力的影响而减小；而在较高高度，风速可能更高，受到较少的地表摩擦影响。这种垂直风速分布通常表现为对流层、层流层和混合层。所有的建筑结构都会受到大气边界层的影响，大气边界层中的风场对建筑物施加了各种力，风对建筑物产生的压力、吸力和扭转力可以导致结构的振动、变形甚至破坏。这种风载荷的大小和分布取决于大气边界层中的风速和风向的变化，以及建筑物的形状、高度和表面粗糙度等因素。由于地表的不均匀性导致了大气层中的风速和风向的变化。地表的摩擦阻力会使得靠近地表的空气层受到阻碍，而高层的空气则不受此影响，从而形成了不同层次的风速差异。这种差异性会导致大气中产生湍流运动。大气边界层中存在的湍流会对建筑物施加额外的力，导致结构的振动和疲劳损伤。湍流效应尤其在高层建筑物或具有复杂形状的结构中更为显著。因此大气边界层在风工程研究中占据重要的基础位置。
其中，平均风特性和脉动风特性是描述大气边界层中风的两个重要方面，平均风特性描述了风场的整体状态和长期趋势，而脉动风特性则揭示了风场的瞬时波动和不稳定性，下面将分别阐述这两类风的工程特性。
第2章 线性剪切湍流风场模拟
2.1 多风扇主动控制风洞
顺风向湍流主动模拟主要由同济大学TJ-5主动控制风洞完成，同济大学TJ-5主动控制风洞是国内首个多风扇主动控制风洞，该风洞主体部分有风扇段、收缩段、稳定段（含整流网和阻尼网）和组合式试验段组成。其中，风扇段使用120台风扇组成12行×10列的风机阵列，每台风扇均由完全独立的伺服控制系统驱动，可根据需求实现不同的驱动控制组合方式，通过该风洞可以实现高湍流强度、高积分尺度、强切变和非平稳等气流的模拟。试验段尺寸为宽1.5m×高1.8m。
同济大学TJ-5多风扇主动控制风洞的风扇段由12行×10列的风机阵列构成，每个风机均由独立的伺服控制系统驱动，可以实现同步或异步的驱动控制。该控制系统主要支持两种控制方式：参数控制和外部输入文件控制。在参数控制模式下，系统提供均匀流模式、正弦波模式以及Von Karman谱模式。用户可以输入相关的参数，例如转速、波长、幅值、频率或湍流参数等，控制系统会基于这些输入参数自动计算出时程信号，并将这些信号输入风机，驱动风机按照特定参数变化期转速。值得注意的是，这些参数可以单独分配给某个风机，也可以分配给特定的行或列，甚至可以同时分配给所有的风机。外部输入文件控制则是通过导入含有目标风速时程数据的二进制或文本文件控制风速生成，文件头部需指定数据总量和每秒输出数据个数，每秒数据个数最大可达200个。为了生成品质较好的流场，本章主要采用参数控制的形式。
2.2 Von Karman谱风场模拟
2.2.1 风场测量设备
为确定风场湍流特性，需要对空间中的风速进行测量，本次试验采用眼镜蛇探头与TFI软件对风场进行测量和采集。眼镜蛇探头的性能参数如表2-1所示，实物图如图2-1所示。眼镜蛇探头采样频率取为200Hz，风速测量前在无风状态下将眼镜蛇探头风速进行置零。
2.2 Von Karman谱风场模拟
2.2.1 风场测量设备
为确定风场湍流特性，需要对空间中的风速进行测量，本次试验采用眼镜蛇探头与TFI软件对风场进行测量和采集。眼镜蛇探头的性能参数如表2-1所示，实物图如图2-1所示。眼镜蛇探头采样频率取为200Hz，风速测量前在无风状态下将眼镜蛇探头风速进行置零。置也将得到相应的相同特性风谱，但实际情况下，目标得到的风谱将相比于输入的风谱能量产生衰减，风谱能量的衰减规律随测点与风机的纵向距离而变化。本节的流场调试目标是目标位置的风速功率谱密度，因此需要对输入的风谱能量进行放大。从而，本实验使用的风谱迭代方法的含义即是通过迭代的方法来找到这样一个输入风谱，在目标位置的风速时程符合需要的目标风谱。
为了在同济大学TJ-5多风扇主动控制风洞中某一特定位置获得某一目标风场，这一过程可以理解为获得某个系统特定输出下的输入，与该系统对应的频域上的表达便是频响函数。对于某一特定湍流目标，若假定目标位置风速为高斯分布的平稳各态随机过程，则只需准确模拟目标风速时程的功率谱密度，其他脉动风特性如湍流强度、湍流积分尺度可随之确定。
第3章 风洞试验结果与分析.....................25
3.1 引言.....................25
3.2 试验模型及试验工况.....................25
第4章 流体数值模拟方法及验证.....................44
4.1 引言.....................44
4.2 CFD基础.....................44
第5章 数值模拟结果与对比分析..................53
5.1 引言..................53
5.2 计算模型建立..................53
第5章 数值模拟结果与对比分析
5.2 计算模型建立
5.2.1 计算区域
对于圆柱绕流，之前的研究者已经做过大量的研究工作，时忠民[68]通过三步有限元方法研究了计算域的选取对圆柱绕流问题计算结果准确性的影响，结果表明，对于二维圆柱绕流，应该使上下左右四个边界距圆柱中心的最小距离要大于25D，这样才能避免边界对计算结果的影响。叶辉[69]采用FLUENT取计算区域为20D10DπD，模拟了静止情况下的三维圆柱绕流情况，计算结果良好。詹昊[70]采用FLUENT软件取计算区域为26D11D4D，模拟了不同雷诺数下的三维圆柱绕流气动力特性。端木玉[71]使用OpenFOAM开源工具包，取计算区域为15D10DπD，计算了雷诺数为3900时的三维圆柱绕流。还有很多其他研究者也展开过相关研究。
为后续进一步开展更多的相关研究，拟建立初步数值模型，通过数值模拟结果结合风洞试验成果开展更加系统的研究。同时参考前人的数值模拟经验确定计算域[70]。取圆柱直径D为特征长度，圆柱体高πD，在垂直于圆柱的平面上，计算区域取为20D和45D，在沿着来流方向上，圆柱前方15D，圆柱后方30D。X正向为来流方向，圆柱底部圆心点为坐标原点。几何示意图如图5-1所示。
第6章 结论与展望
6.1 本文主要结论
本文采用主动风洞测压试验和FLUENT软件数值模拟的方法，在不同剪切参数（β=0.000、0.018、0.054、0.090）、不同湍流强度（uI=2%、3%、6%、9%）和亚临界雷诺（Re=3.2104）条件下，对单圆柱的气动力分布特性进行了研究，可以得到以下结论：
（1）线性剪切湍流流场在风洞试验和数值模拟中都是可以实现的，在主动风洞中，经过风谱迭代和风场调试工作，可以得到满足条件的Von Karman谱特性风场，且风场的湍流特性有所保证；而在数值模拟中，结合主动风洞多风扇控制的思想，将流场入口分成若干个小入口按照条件施加由DSRFG方法生成的瞬态速度时程，能够得到满足条件的流场入口，但流场湍流特性的保持性较差，特别是在大湍流度和大剪切参数下，流场的湍流特性出现了复杂的变化。
（2）通过风洞试验和数值模拟的研究结果发现，剪切参数和湍流强度的耦合影响对圆柱气动力特性的影响是复杂的。
参考文献（略）
