风工程多媒体（一）.ppt.Convertor

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风工程 （一）

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塔科马大桥风毁过程

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风工程（Wind Engineering）的定义：

研究大气边界层内的风与人类在地球表面的活动及人所创造的物体之间的相互作用。

风工程的研究内容

风工程的研究内容：

1.大气边界层内风特性 2.风对建筑物和构筑物作用 3.风引起的污染扩散和质量迁移

4.非航空器和非航天器空气动力特性(风力机、汽车、列车）

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风荷载链

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1940年，美国塔科马（Tacoma）悬索桥在风速不到20m/s（8级大风）的作用下，发生振动而毁坏，德国著名空气动力学家冯?卡门亲自参加了塔科马桥风毁原因的分析研究工作，在风洞中对桥梁模型进行抗风稳定性试验研究，并重新建造了新的塔科马大桥。 这一事件对后来风工程的研究起了很大的推动作用，人们常把它作为风工程历史发展阶段的一个起点。 风工程的发展

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20世纪50年代，丹麦M.Jaensen对于风洞模型相似规律问题作出重要阐述。 美国J.E.Cermak和加拿大A.G.Davenport分别建成长实验段边界层风洞。

20世纪60年代，美国R.Scanlan提出了钝体断面的分离自激颤振理论， 奠定了桥梁颤振的理论基础。

A.G.Davenport将统计理论引入风压、风振研究；并建立了桥梁的抖振分析方法。

20世纪70年代，在建筑物风振实验中引入底座天平技术，使风响应的研究得到发展。

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80年代以后：

大气边界层风特性的模拟技术，特别是大尺度湍流的模拟技术有了较大的发展，新的测试技术和测试手段不断发展，研究能力进一步提高。

以风工程为背景的钝体空气动力学基础研究得到高度重视，发展了解析方法和数值计算方法。逐步形成了计算风工程这一新的分支（CWE）。 极端气候条件下的风载问题引起了关注，对低矮建筑物与建筑群在极端风作用下风载问题的研究得到重视。

随着交通、能源和环境问题越来越突出，汽车、高速列车和风力机等的空气动力特性研究以及环境污染的研究得到新的发展。

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回流式大气边界层风洞，试验段尺寸为2m高×15m宽×14m长，在试验段底板上的转盘直径为 4.8m，其转轴中心距试验段进口为10.5m。试验风速范围从0.2m/s～17.6m/s 连续可调。

同济大学大气边界层风洞

国内风工程研究

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风洞气动轮廓全长53m、宽18m，为低速、单回流、并列双试验段的边界层风洞。 第一试验段(高速试验段)长17 m，模型试验区横截面宽3 m、高2.5 m，试验段风速0～58 m /s连续可调。 第二试验段(低速试验段)长15 m、模型试验区横截面宽5.5 m、高4.4 m，最大风速18 m /s 。

湖南大学边界层风洞示意图

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石家庄铁道学院边界层风洞

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GB-50009-2001

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风工程研究方法有现场测试（灾后调查）、理论计算和风洞试验三种。 风工程的研究方法

现场测试是一种最直接的研究方法，比较直观和真实。但是由于进行现场测试时，气象条件、地形条件等难以人为地控制和改变，因此用这种方法来进行规律性的研究和解决实际工程问题是非常费时和费力的。

理论计算包括解析计算和数值计算两种。由于风工程研究的对象多半是钝体空气动力学的问题（涉及到绕尖角的流动和分离），目前还只能解决一些比较简单的工程问题。

风洞试验既具有现场测试方法的直观性，又在人力、物力和时间上比较节省，特别是由于进行风洞试验时，可以人为地控制、改变和重复试验条件，因此，在进行变参数影响的机理研究中和解决一些比较复杂的工程问题中有较大的优越性。

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风洞实验

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课程主要内容

一、大气边界层内风特性

大气运动；平均风特性；极端风特性；随机过程模型和脉动风特性； 风特性现场测量和风洞模拟。

二、建构筑物空气动力学

绕建构筑物基本流动；结构动力学基础；建构筑物风荷载；建构筑物结构响应；建构筑物空气动力试验。 三、桥梁空气动力学

桥梁空气动力特性；桥梁的静稳定性；桥梁颤振；桥梁抖振；桥梁空气动力试验。

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课程的目的

一、掌握大气边界层风特性及其描述方法，了解大气边界层风特性的风洞模拟方法。 二、掌握风荷载作用的特点和规律，能够分析和处理一般建构筑物和桥梁的静动力风荷载问

题。

三、掌握建（构）筑物空气动力学试验的原理和方法, 具备进行与风工程相关课题实验研究的能力。

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一.预备知识： 空气动力学(流体力学)；概率论与数理统计(随机过程)；结构动力学 三.参考资料：

1.《土木工程结构抗风设计》，作者：吴瑾等，科学技术出版社，2007。 2.《结构风工程理论规范实践》，作者：张相庭，中国建筑工业出版社，2006。 3.《结构风荷载作用》，作者：克莱斯.迪尔比耶等（丹麦），译者：薛素铎等，中国建筑工业出版社，2006。 4.《桥梁风工程》，作者：陈政清，人民交通出版社，2005。 二.教材： 《风工程与工业空气动力学》（节选） 作者：贺德馨，国防工业出版社，2006

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第一部分 大气边界层内风特性 一、大气运动 二、平均风特性 三、极端风特性 四、随机过程模型 五、脉动风特性

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一、大气运动

风产生的根本原因是太阳对地球大气的加热不均匀性，导致大气中热力与动力现象的时空不均匀性，使相同高度上两点之间产生压差，从而迫使空气流动形成风。 风的形成主要受下列因素影响： （1）大气的吸热能力

（2）大气的压强与温度分布 （3）气压的水平梯度力 （4）地表摩擦

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1.1 大气环流 气体温差形成的环流 h1 h2 h3 A B 1 2 TA>TB

？ 环流

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北极 赤道

简化的大气环流模型

主要简化:忽略气温的垂直变化、空气湿度、地球自转和摩擦力的影响，并假设地球表面水平光滑。 高温 低温 环流

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地球大气三圈环流模型

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地球大气三圈环流模型

三圈环流：由于太阳辐射，地球自转和摩擦力的共同作用，实际的大气环流被分裂成由三个基本环流组成的环流型。这就是热力环流圈、中纬度环流圈和极地环流圈组成。或信风、副热带高压区、极地东风。

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气压梯度力： 单位距离内气压变化的大小（即气压差）称为气压梯度，在气压梯度作用下使空气产生运动的力称为气压梯度力。 气压梯度力

单位体积的气压梯度力： 单位质量的气压梯度力：

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低压 高压 等压线

单位体积的气压梯度力： 单位质量的气压梯度力： 气压梯度力

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1、现象：

园盘静止不动 B A

园盘逆时针转动

地球自转偏向力(Coriolis力)

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地球自转偏向力的大小 图中：

OA=Vt ∠A′OA=ωt ∵ S=at2/2

即 Vωt2=at2/2 ∴ a = 2vω

根据牛顿第二定律:F=ma

单位质量空气受到的地转偏向力是F=2vω F

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Coriolis力: 定义:

科里奥利系数

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地转风 最终方向 地转风

当等高面上的等压线是直线的情况下，如果气压梯度力与科里奥利力平衡，则空气将沿等高面上的等压线方向作等速直线运动，这时形成的风为地转风

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地转风

地偏力的方向：垂直于风向 垂直于等压线从高压指向低压

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梯度风

力平衡方程: 气旋环流 反气旋环流

当等高面上的等压线是曲线的情况下，如果气压梯度力、科里奥利力和惯性离心力平衡，则空气将沿等高面上的等压线的切线方向作等速曲线运动，这时形成的风为梯度风

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气旋风风速: 反气旋风风速: 力平衡方程: 解的唯一性条件:

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大气环流是全球性的大气运动,局地环流则是区域性的大气运动.典型的局地环流有季风,海陆风和山谷风等。 1.2 局地环流

季风是由于海洋陆地的热力差异行星风带的季节变化、高原地形的作用等形成的以半年为周期改变盛行风向的风。在夏季，陆地温度高于海洋，陆地气压低于海洋，风从海洋吹向陆地，称夏季风，冬季则正好相反。

海陆风主要是由于海洋陆地的热力差异所形成的以昼夜为周期改变盛行风向的风。在低层，白天风由海面吹向陆地,称为海风；夜间风由陆地吹向海面。

山谷风是由于山坡与周围空气受热不同而形成的以昼夜为周期改变盛行风向的风。白天风由山谷沿山坡向上吹，称之为谷风；夜间风由山顶沿山坡向下吹，称之山风，形成山谷风环流。

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1.3 大气边界层

大气边界层： 风吹过地面，由于地面上各种粗糙元的作用。会对风的运动产生摩擦阻力。使风的能量减小导致风速减小，减小的程度随高度增加而降低。这一层受到地球表面摩擦阻力影响的大气层称为大气边界层。 2000 100

下部摩擦层 上部摩擦层

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不同粗糙度影响下的风剖面

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