流体力学论文

流体力学论文学院：英才学院姓名：郭晓松班级：0936007学号：6093310717流体力学在土木工程中的应用摘要：桥梁水力计算以及高层的等效风荷载、风致振动都是流体力学在土木工程中应用的实例，而且最具代表性。关键词：流体力，土木工程，应用流体力学在桥梁方面的应用虽然桥可以分为拱桥，斜拉桥，悬索桥，但是，桥桥离不开水的作用。由于河流特别是在城市附近河段大量修建桥梁，出现一系列重大水力学问题值得一起重视。近几十年来，随着交通事业的发展，在许多河流上都增建了不少桥梁，与其实在城市附近，桥梁的数目还有大增的趋势。桥梁一般都没有多少桥墩，有的大中型桥梁桥墩数目多达几十个，有些河段桥墩占据了河道宽度的1/10~1/15，如此数量众多的桥墩位于河流的主河道内势必减少了河道的有效过流面积。如安徽淮河蚌段在几十公里的河段就建有6~7座桥梁在几年得防汛期，桥墩对行洪的营销已明显显露出来，尤其是在桥梁密集的河段，桥梁对泄洪的影响已经非常明显，同样，水对桥墩的作用力也是与之剧增。如此情况之下，大跨度桥梁略令风骚。大跨度桥梁跨度较大，有的可以横跨河道，基于此可以减少流水对桥墩的冲刷和作用力，而且考虑到天然流水涨落的高度，适当增大桥梁的跨度及高度是解决流水阻力以及其他次生问题的有效方法。而大跨度桥梁也有自身不可避免的弱点与难题，离开了水并不等于安全，风荷载便是其中最恼人的问题。如美国的塔科马大桥由风致振动而毁，英国Ferrybridge电厂冷却塔的风毁（1965）。我国对桥墩水力特性的研究主要集中在以下两个方面［1］：（1） 对单个桥墩水力特性的研究，主要集中在对河道底部的局部冲刷问题的研究，而且主要局限于室内实验室研究。（2） 对单座桥梁水力特性的研究主要集中在桥梁在朝夕作用下水面壅高的研究，也局限于实验室模拟。由于外界实测要求较高，而且工作量极大，对数据的处理及分析不便，所以只能采取实验室模拟，再者主要是因为实测投入较大，而且实测只是针对某个桥梁有确切的指导意义，对大众桥梁指导意义不大。所以实验室研究还是比较理想的方法。流体力学在建筑方面的应用流体力学在建筑方面的应用主要体现在高层以及超高层上，因为对高层建筑来说，最主要的两个问题就是自重与风荷载问题，其中自重问题在上个世纪就已经研究很多，而风荷载以及风致振动的问题还处于不太成熟的阶段。靠近地面、受地面影响非常明显的大气底部层面称为大气边界层。大气边界层的厚度随气象条件、地形、地面粗糙的不同儿变化，厚度，一般在1000-2000米左右。我们的建筑物都是建筑在大气边界层内的，受到近地面风的影响非常显著。超高层建筑逐渐呈现出轻质量、高柔度和低阻尼特性致使结构的风致动力响应明显增加,结构对风敏感性进一步提高,导致结构风荷载取值和风致动力响应估计与控制成为当今结构工程设计所面临的主要问题之一。超高层建筑风速、风压场及风致动力响应实测的目的:是获取结构在强风（台风）作用下外表面静态和动态压力的分布特征和横向的湍流特性,进一步为在湍流风作用下结构横向振动的理论研究、结构抗风设计、幕墙设计、风致振动控制设计提供实测数据。国外针对高层建筑风压分布特性和风致动力响应进行了大量的全尺度测量研究。日本在上世纪70-80年代针对高层建筑的表面风压进行了16个项目的实测研究。实测项目包括平均风压系数、根方差风压系数、脉动风压的概率密度分布、脉动风压的阵风或峰值系数、功率谱密度和互谱密度。而国内针对超高层建筑的风压实测及风致动力响应实测始于1973年广州宾馆（27层）上进行的实测。进入90年代的实测研究主要集中在超高层建筑强风（台风）作用下的风速及动态响应实测。在过去的四十多年里,国内外学者广泛地开展了土木工程领域的风场实测研究工作,并取得了大量的研究成果［8］。风场全尺度测量实施的困难和高昂的测试费用大大地限制了大型工程结构尤其是超高层建筑风场实测的研究,特别作为强风（台风）效应之一的超高层建筑墙面风压的现场实测研究更是缺乏。因此,本文对一超高层建筑进行了强风作用下风速、风压场的现场同步实测,基于实测数据研究了强风作用下超高层建筑风场特性及表面风压的分布特征［2］。从悬臂梁振动理论出发,讨论了高层建筑风响应的计算以及在风洞中利用高频天平测量高层建筑风荷载的原理,并进一步分析讨论了沿建筑物高度分布的平均风力、脉动风力、风致振动惯性力以及建筑结构设计所需要的等效静态风荷载的确定问题,指出了所提方法的局限性和应用范围,可为高层建筑结构设计中的风荷载确定提供参考.分析结果表明,求沿高层建筑高度分布的等效静态风荷载的方法适用于顺风向风力,在应用于横风向风力时由于涡脱落力的影响有理论误差［3］。正确考虑风力的作用,关系到高层建筑结构设计的经济性、安全性和舒适性.我国建筑结构荷载规范规定:建筑物表面的风荷载标准值wk=卩卩卩w0.式中:卩z是风振系数，卩是体型系zsz0s数，卩是风压高度变化系数,w0是按50年一遇风速计算的基本风压•这种简捷的处理方法给出z0的是单位面积的等效静态风荷载,它通过风振系数考虑了风振惯性力的影响,但由于规范只能提供规则外形、特定风环境的体型系数和风振系数,因此,规范方法通常适用于规则外形的单体结构,所以,规范7.3.1条规定:对于重要且体型复杂的房屋和构筑物,风载体型系数应由风洞试验确定,规范7.3.2条规定群体效应的干扰增大系数宜通过风洞试验得出.高层建筑风荷载引起的效应在总荷载效应中占有相当大的比重,甚至起决定性作用,因而风荷载及风荷载作用下结构的静、动力响应常常是高层结构研究的主要内容。振动舒适度问题是现代工程结构普遍存在的问题,也是工程结构可靠度研究的一个主要内容。舒适度分析主要针对风荷载而言,尽管判断舒适度的标准有多种,但目前采用最多的是建筑的最大加速度这一课题是伴随超高层结构出现的,因而对其进行的研究还不够深入。尽管各国对舒适度验算提出了一些计算方法,但其合理性是值得探讨的。目前我国的《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)和《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99-98)规定舒适度的验算是通过计算结构顶点加速度值来衡量的。针对高层结构体系的风振控制,引入瑞雷阻尼算法对其进行风振优化分析。介绍了MPD(massproportionaldamping)和SPD(stiffnessproportionaldamping)2种结构体系,阐述了MPD结构体系和SPD结构体系用于结构风振控制的基本原理，给出了风振作用下2种结构体系进行对比分析的约束条件，研究了2种结构体系的阻尼特性,从理论上推导证明了MPD和SPD体系的结构阻尼比giMPD与giSPD之间的大小关系,并针对结构风振效应的频域分析法编制Matlab程序对设置MPD和SPD体系的某高层结构进行风振控制优化分析。研究表明对于任一N层结构体系，当考虑一阶振型或前几阶振型时，设置MPD体系的结构阻尼比均大于SPD结构体系，且MPD结构体系对高层结构风致振动的减振效果明显优于SPD结构体系，因而文中提出的基于瑞雷阻尼算法的风振控制方法对于抑制高层结构的风致振动是合理有效的，为高层结构风振控制提供了新途径。流体力学在水力方面的应用南水北调工程：采用堰流公式对南水北调中线总干渠中的大量桥梁对渠首水位和水头损失的影响进行模拟计算和分析。计算结果表明,桥梁对渠首水位的影响不能用每座桥梁的水头损失进行简单叠加;在采用阻水能力较小的半圆头尾型桥墩时,设计和加大流量下由764座桥梁引起的渠首水位增加分别仅为0.194m和0.238m。通过对所有桥梁水头损失的计算比较发现，不同的桥墩形状造成的总水头损失相差较大,选用流线型、水流易于通过的桥墩形状可以节约相当部分的水头［4。南水北调中线总干渠全长1431.75km，其中，陶岔渠首至北拒马河（冀京界）渠段长1196.167knl，采用明渠输水;北京、天津渠段采用管涵输水，分别长80.052km和巧5.531km。水头是指建筑物进出口水位差。在明渠段，水头对建筑物的规模和工程量影响十分显著。进行总干渠水头优化分配对于节省投资，合理的进行总干渠工程布置有着重要的意义。水头优化分配主要针对明渠段进行。中线总干渠明渠段长1196.167km，陶岔渠首设计水位147.38m，北拒马河总干渠设计水位60.3Om，明渠段总水头87.08m。水头主要用于明渠渠道和部分建筑物。明渠渠道长1103.477km，需占用水头的建筑物共计151座，累计长92.69km。一般而言，水头越大，渠道和建筑物工程量越小。但是由于中线总干渠渠道线路长，建筑物数量大、类型多，其水头分配方案必须系统地考虑。对于渠道来说，不同的地形、不同的断面型式，对水头的要求不同。对于建筑物来说，不同的规模、长度以及不同的型式，对水头的敏感程度也不同。水头优化分配的目的就是如何将给定的水头优化分配到明渠和建筑物上，使得总干渠总投资最省。2总干渠水头分配原则水头分配的原则是，以陶岔渠首和北拒马河总干渠设计水位为控制，将总水头在各渠段的明渠和建筑物上分配。考虑的主要因素包括总干渠沿线地面高程、建筑物型式、建筑物长度以及对水头增减的敏感性等，目标是总干渠总投资最省。三峡工程：长江三峡工程的方案之一是采用坝体深孔、底孔重叠布置双层泄洪方式。设计中要求深孔底孔在各种运行工况条件下孔内均为无压流态。在原设计方案中，坝体下游最高尾水位为83.20m，深孔挑坎高程为88.50m，底孔出口顶高程为“.om所以，深孔满足无压流态泄洪设计要求。对于坝体泄洪底孔，由模型实验观察到，当下游尾水位高于底孔的上临界水位时，底孔出口部位会出现封顶，反弧段及直线段上将有水跃现象发生;当下游尾水位介于上、下临界水位之间时，孔内流态不确定，或为明流、或为满流、局部满流，这将取决于水流的初始状态;当下游尾水位低于底孔下临界水位时，底孔内保证出现明流泄洪状态。由此可知，为了确定底孔内水流流态，必须首先确定底孔上、下临界水位。根据底孔模型实验现象，若建立了底孔反弧边界水跃方程、底孔部