Большой

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 14236 (2023) Цитировать эту статью

17 доступов

Подробности о метриках

В этом исследовании использовалось 3D-моделирование больших вихрей для исследования силы сопротивления бокового ветра на квадратном цилиндре, подверженном поперечным колебаниям ветра. Для создания колебаний использовались два различных метода: заданная синусоидальная функция на границе входного отверстия и противоветренный барьер. Частота нормировалась в той же форме числа Струхаля. Поперечное колебание ветра с нормированной частотой выше 0,05 стремится возбудить квадратный цилиндр поперечно с той же полосой частот. Частотный эффект также существует на квадратном цилиндре, расположенном с подветренной стороны от препятствия размером в половину квадратного цилиндра. Однако препятствие, в 2,5 раза превышающее размер квадратного цилиндра, порождает колебание бокового ветра с нормированной частотой 0,04, которое не может возбудить квадратный цилиндр в поперечном направлении. Частотный эффект от наветренного барьера значительно затухает с расстоянием и исчезает при увеличении квадратного цилиндра в 8–10 раз.

Поскольку использование легких материалов в архитектуре продолжает расти вместе с экономическим и технологическим развитием, проблема смягчения реакции бокового ветра в высотных зданиях становится все более важной для безопасности и удобства жизни1. Когда к зданию приближается сильный ветер, турбулентность и вихревые следы могут вызвать ветровую нагрузку в поперечном направлении высотных зданий2,3,4,5. По мере уменьшения жесткости здания частота образования вихрей, характеризуемая числом Струхаля (St), может приближаться к собственной частоте конструкции здания. По мере увеличения скорости ветра частота вибрации конструкции следует за частотой образования вихрей. Как только происходит блокировка частоты, частота вибрации фиксируется на собственной частоте, при этом амплитуда движения значительно увеличивается по сравнению с состоянием без блокировки6,7. Поэтому крайне важно исследовать динамическую реакцию зданий в поперечном направлении на воздействие ветра и прогнозировать условия, приводящие к состоянию блокировки, обеспечивая тем самым безопасную эксплуатацию высотных зданий6,7,8,9,10 ,11.

Китай является движущей силой тенденции манхэттенизации: по данным Глобальной базы данных высотных зданий CTBUH, по всей стране построен 51 из 100 лучших небоскребов мира, при этом 6 из 10 самых высоких небоскребов расположены там. Такая централизация высотных зданий изменяет колебания ветровой нагрузки, испытываемые конструкцией. Кроме того, влияние препятствий на близком расстоянии затрудняет прогнозирование вихревых сил, действующих на высотные здания. Это явление также наблюдается в коробчатых балочных конструкциях длиннопролетных мостов, при этом колебания скорости ветра не соответствуют нормальному распределению даже в больших масштабах13,14. Корреляция между вихревой вибрацией высотных зданий (ВВВ) и ветровыми колебаниями на поверхности конструкции недостаточна. Колебания поля ветра могут со временем вызывать колебания давления на поверхности здания, что делает реакцию на вибрацию ветра при меняющихся полях ветра важной научной проблемой15.

Кроме того, большинство высотных зданий, как правило, расположены в городских застроенных районах, таких как центральные деловые районы (CBD). Из-за высокой изменчивости подстилающей поверхности в городских районах импульсное взаимодействие между воздушными потоками и зданиями приводит к сложным пространственным и временным турбулентным характеристикам. Получить надежные прогнозы VIV на основе ограниченных данных измерений или среднелогарифмического профиля скорости ветра в качестве входных граничных условий9. Поэтому важно глубже понять влияние колебаний поля ветра на высотные здания, особенно в городских условиях.

В этом исследовании мы провели моделирование больших вихрей (LES) для исследования силы, возбуждаемой вихрем (VEF) квадратного цилиндра при поперечных флуктуациях ветра. Колебания поперечного ветра генерируются двумя способами: периодическими колебаниями скорости поперечного ветра, используемыми с помощью синусоидальной функции, и барьером, установленным с наветренной стороны. Проанализирована частота воздействия вихревой силы на квадратный цилиндр и обсуждено влияние поперечного колебания ветра. Это исследование дает представление о силе сопротивления квадратного цилиндра при боковом ветре при меняющихся полях ветра.