流體力學(xué)論文

流體力學(xué)論文學(xué)院：英才學(xué)院姓名：郭曉松班級(jí)：0936007學(xué)號(hào)：6093310717流體力學(xué)在土木工程中的應(yīng)用摘要：橋梁水力計(jì)算以及高層的等效風(fēng)荷載、風(fēng)致振動(dòng)都是流體力學(xué)在土木工程中應(yīng)用的實(shí)例，而且最具代表性。關(guān)鍵詞：流體力，土木工程，應(yīng)用流體力學(xué)在橋梁方面的應(yīng)用雖然橋可以分為拱橋，斜拉橋，懸索橋，但是，橋橋離不開(kāi)水的作用。由于河流特別是在城市附近河段大量修建橋梁，出現(xiàn)一系列重大水力學(xué)問(wèn)題值得一起重視。近幾十年來(lái)，隨著交通事業(yè)的發(fā)展，在許多河流上都增建了不少橋梁，與其實(shí)在城市附近，橋梁的數(shù)目還有大增的趨勢(shì)。橋梁一般都沒(méi)有多少橋墩，有的大中型橋梁橋墩數(shù)目多達(dá)幾十個(gè)，有些河段橋墩占據(jù)了河道寬度的1/10~1/15，如此數(shù)量眾多的橋墩位于河流的主河道內(nèi)勢(shì)必減少了河道的有效過(guò)流面積。如安徽淮河蚌段在幾十公里的河段就建有6~7座橋梁在幾年得防汛期，橋墩對(duì)行洪的營(yíng)銷(xiāo)已明顯顯露出來(lái)，尤其是在橋梁密集的河段，橋梁對(duì)泄洪的影響已經(jīng)非常明顯，同樣，水對(duì)橋墩的作用力也是與之劇增。如此情況之下，大跨度橋梁略令風(fēng)騷。大跨度橋梁跨度較大，有的可以橫跨河道，基于此可以減少流水對(duì)橋墩的沖刷和作用力，而且考慮到天然流水漲落的高度，適當(dāng)增大橋梁的跨度及高度是解決流水阻力以及其他次生問(wèn)題的有效方法。而大跨度橋梁也有自身不可避免的弱點(diǎn)與難題，離開(kāi)了水并不等于安全，風(fēng)荷載便是其中最?lèi)廊说膯?wèn)題。如美國(guó)的塔科馬大橋由風(fēng)致振動(dòng)而毀，英國(guó)Ferrybridge電廠(chǎng)冷卻塔的風(fēng)毀（1965）。我國(guó)對(duì)橋墩水力特性的研究主要集中在以下兩個(gè)方面［1］：（1） 對(duì)單個(gè)橋墩水力特性的研究，主要集中在對(duì)河道底部的局部沖刷問(wèn)題的研究，而且主要局限于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室研究。（2） 對(duì)單座橋梁水力特性的研究主要集中在橋梁在朝夕作用下水面壅高的研究，也局限于實(shí)驗(yàn)室模擬。由于外界實(shí)測(cè)要求較高，而且工作量極大，對(duì)數(shù)據(jù)的處理及分析不便，所以只能采取實(shí)驗(yàn)室模擬，再者主要是因?yàn)閷?shí)測(cè)投入較大，而且實(shí)測(cè)只是針對(duì)某個(gè)橋梁有確切的指導(dǎo)意義，對(duì)大眾橋梁指導(dǎo)意義不大。所以實(shí)驗(yàn)室研究還是比較理想的方法。流體力學(xué)在建筑方面的應(yīng)用流體力學(xué)在建筑方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在高層以及超高層上，因?yàn)閷?duì)高層建筑來(lái)說(shuō)，最主要的兩個(gè)問(wèn)題就是自重與風(fēng)荷載問(wèn)題，其中自重問(wèn)題在上個(gè)世紀(jì)就已經(jīng)研究很多，而風(fēng)荷載以及風(fēng)致振動(dòng)的問(wèn)題還處于不太成熟的階段?？拷孛?、受地面影響非常明顯的大氣底部層面稱(chēng)為大氣邊界層。大氣邊界層的厚度隨氣象條件、地形、地面粗糙的不同兒變化，厚度，一般在1000-2000米左右。我們的建筑物都是建筑在大氣邊界層內(nèi)的，受到近地面風(fēng)的影響非常顯著。超高層建筑逐漸呈現(xiàn)出輕質(zhì)量、高柔度和低阻尼特性致使結(jié)構(gòu)的風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)明顯增加,結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)敏感性進(jìn)一步提高,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載取值和風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)估計(jì)與控制成為當(dāng)今結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)所面臨的主要問(wèn)題之一。超高層建筑風(fēng)速、風(fēng)壓場(chǎng)及風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)實(shí)測(cè)的目的:是獲取結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)（臺(tái)風(fēng)）作用下外表面靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力的分布特征和橫向的湍流特性,進(jìn)一步為在湍流風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)橫向振動(dòng)的理論研究、結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)、幕墻設(shè)計(jì)、風(fēng)致振動(dòng)控制設(shè)計(jì)提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。國(guó)外針對(duì)高層建筑風(fēng)壓分布特性和風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了大量的全尺度測(cè)量研究。日本在上世紀(jì)70-80年代針對(duì)高層建筑的表面風(fēng)壓進(jìn)行了16個(gè)項(xiàng)目的實(shí)測(cè)研究。實(shí)測(cè)項(xiàng)目包括平均風(fēng)壓系數(shù)、根方差風(fēng)壓系數(shù)、脈動(dòng)風(fēng)壓的概率密度分布、脈動(dòng)風(fēng)壓的陣風(fēng)或峰值系數(shù)、功率譜密度和互譜密度。而國(guó)內(nèi)針對(duì)超高層建筑的風(fēng)壓實(shí)測(cè)及風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)實(shí)測(cè)始于1973年廣州賓館（27層）上進(jìn)行的實(shí)測(cè)。進(jìn)入90年代的實(shí)測(cè)研究主要集中在超高層建筑強(qiáng)風(fēng)（臺(tái)風(fēng)）作用下的風(fēng)速及動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)測(cè)。在過(guò)去的四十多年里,國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛地開(kāi)展了土木工程領(lǐng)域的風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究工作,并取得了大量的研究成果［8］。風(fēng)場(chǎng)全尺度測(cè)量實(shí)施的困難和高昂的測(cè)試費(fèi)用大大地限制了大型工程結(jié)構(gòu)尤其是超高層建筑風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)的研究,特別作為強(qiáng)風(fēng)（臺(tái)風(fēng)）效應(yīng)之一的超高層建筑墻面風(fēng)壓的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究更是缺乏。因此,本文對(duì)一超高層建筑進(jìn)行了強(qiáng)風(fēng)作用下風(fēng)速、風(fēng)壓場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)同步實(shí)測(cè),基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究了強(qiáng)風(fēng)作用下超高層建筑風(fēng)場(chǎng)特性及表面風(fēng)壓的分布特征［2］。從懸臂梁振動(dòng)理論出發(fā),討論了高層建筑風(fēng)響應(yīng)的計(jì)算以及在風(fēng)洞中利用高頻天平測(cè)量高層建筑風(fēng)荷載的原理,并進(jìn)一步分析討論了沿建筑物高度分布的平均風(fēng)力、脈動(dòng)風(fēng)力、風(fēng)致振動(dòng)慣性力以及建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需要的等效靜態(tài)風(fēng)荷載的確定問(wèn)題,指出了所提方法的局限性和應(yīng)用范圍,可為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的風(fēng)荷載確定提供參考.分析結(jié)果表明,求沿高層建筑高度分布的等效靜態(tài)風(fēng)荷載的方法適用于順風(fēng)向風(fēng)力,在應(yīng)用于橫風(fēng)向風(fēng)力時(shí)由于渦脫落力的影響有理論誤差［3］。正確考慮風(fēng)力的作用,關(guān)系到高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性、安全性和舒適性.我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范規(guī)定:建筑物表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk=卩卩卩w0.式中:卩z是風(fēng)振系數(shù)，卩是體型系z(mì)sz0s數(shù)，卩是風(fēng)壓高度變化系數(shù),w0是按50年一遇風(fēng)速計(jì)算的基本風(fēng)壓?這種簡(jiǎn)捷的處理方法給出z0的是單位面積的等效靜態(tài)風(fēng)荷載,它通過(guò)風(fēng)振系數(shù)考慮了風(fēng)振慣性力的影響,但由于規(guī)范只能提供規(guī)則外形、特定風(fēng)環(huán)境的體型系數(shù)和風(fēng)振系數(shù),因此,規(guī)范方法通常適用于規(guī)則外形的單體結(jié)構(gòu),所以,規(guī)范7.3.1條規(guī)定:對(duì)于重要且體型復(fù)雜的房屋和構(gòu)筑物,風(fēng)載體型系數(shù)應(yīng)由風(fēng)洞試驗(yàn)確定,規(guī)范7.3.2條規(guī)定群體效應(yīng)的干擾增大系數(shù)宜通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)得出.高層建筑風(fēng)荷載引起的效應(yīng)在總荷載效應(yīng)中占有相當(dāng)大的比重,甚至起決定性作用,因而風(fēng)荷載及風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力響應(yīng)常常是高層結(jié)構(gòu)研究的主要內(nèi)容。振動(dòng)舒適度問(wèn)題是現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)普遍存在的問(wèn)題,也是工程結(jié)構(gòu)可靠度研究的一個(gè)主要內(nèi)容。舒適度分析主要針對(duì)風(fēng)荷載而言,盡管判斷舒適度的標(biāo)準(zhǔn)有多種,但目前采用最多的是建筑的最大加速度這一課題是伴隨超高層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的,因而對(duì)其進(jìn)行的研究還不夠深入。盡管各國(guó)對(duì)舒適度驗(yàn)算提出了一些計(jì)算方法,但其合理性是值得探討的。目前我國(guó)的《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2002)和《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ99-98)規(guī)定舒適度的驗(yàn)算是通過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)加速度值來(lái)衡量的。針對(duì)高層結(jié)構(gòu)體系的風(fēng)振控制,引入瑞雷阻尼算法對(duì)其進(jìn)行風(fēng)振優(yōu)化分析。介紹了MPD(massproportionaldamping)和SPD(stiffnessproportionaldamping)2種結(jié)構(gòu)體系,闡述了MPD結(jié)構(gòu)體系和SPD結(jié)構(gòu)體系用于結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制的基本原理，給出了風(fēng)振作用下2種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行對(duì)比分析的約束條件，研究了2種結(jié)構(gòu)體系的阻尼特性,從理論上推導(dǎo)證明了MPD和SPD體系的結(jié)構(gòu)阻尼比giMPD與giSPD之間的大小關(guān)系,并針對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)振效應(yīng)的頻域分析法編制Matlab程序?qū)υO(shè)置MPD和SPD體系的某高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)振控制優(yōu)化分析。研究表明對(duì)于任一N層結(jié)構(gòu)體系，當(dāng)考慮一階振型或前幾階振型時(shí)，設(shè)置MPD體系的結(jié)構(gòu)阻尼比均大于SPD結(jié)構(gòu)體系，且MPD結(jié)構(gòu)體系對(duì)高層結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)的減振效果明顯優(yōu)于SPD結(jié)構(gòu)體系，因而文中提出的基于瑞雷阻尼算法的風(fēng)振控制方法對(duì)于抑制高層結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)是合理有效的，為高層結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制提供了新途徑。流體力學(xué)在水力方面的應(yīng)用南水北調(diào)工程：采用堰流公式對(duì)南水北調(diào)中線(xiàn)總干渠中的大量橋梁對(duì)渠首水位和水頭損失的影響進(jìn)行模擬計(jì)算和分析。計(jì)算結(jié)果表明,橋梁對(duì)渠首水位的影響不能用每座橋梁的水頭損失進(jìn)行簡(jiǎn)單疊加;在采用阻水能力較小的半圓頭尾型橋墩時(shí),設(shè)計(jì)和加大流量下由764座橋梁引起的渠首水位增加分別僅為0.194m和0.238m。通過(guò)對(duì)所有橋梁水頭損失的計(jì)算比較發(fā)現(xiàn)，不同的橋墩形狀造成的總水頭損失相差較大,選用流線(xiàn)型、水流易于通過(guò)的橋墩形狀可以節(jié)約相當(dāng)部分的水頭［4。南水北調(diào)中線(xiàn)總干渠全長(zhǎng)1431.75km，其中，陶岔渠首至北拒馬河（冀京界）渠段長(zhǎng)1196.167knl，采用明渠輸水;北京、天津渠段采用管涵輸水，分別長(zhǎng)80.052km和巧5.531km。水頭是指建筑物進(jìn)出口水位差。在明渠段，水頭對(duì)建筑物的規(guī)模和工程量影響十分顯著。進(jìn)行總干渠水頭優(yōu)化分配對(duì)于節(jié)省投資，合理的進(jìn)行總干渠工程布置有著重要的意義。水頭優(yōu)化分配主要針對(duì)明渠段進(jìn)行。中線(xiàn)總干渠明渠段長(zhǎng)1196.167km，陶岔渠首設(shè)計(jì)水位147.38m，北拒馬河總干渠設(shè)計(jì)水位60.3Om，明渠段總水頭87.08m。水頭主要用于明渠渠道和部分建筑物。明渠渠道長(zhǎng)1103.477km，需占用水頭的建筑物共計(jì)151座，累計(jì)長(zhǎng)92.69km。一般而言，水頭越大，渠道和建筑物工程量越小。但是由于中線(xiàn)總干渠渠道線(xiàn)路長(zhǎng)，建筑物數(shù)量大、類(lèi)型多，其水頭分配方案必須系統(tǒng)地考慮。對(duì)于渠道來(lái)說(shuō)，不同的地形、不同的斷面型式，對(duì)水頭的要求不同。對(duì)于建筑物來(lái)說(shuō)，不同的規(guī)模、長(zhǎng)度以及不同的型式，對(duì)水頭的敏感程度也不同。水頭優(yōu)化分配的目的就是如何將給定的水頭優(yōu)化分配到明渠和建筑物上，使得總干渠總投資最省。2總干渠水頭分配原則水頭分配的原則是，以陶岔渠首和北拒馬河總干渠設(shè)計(jì)水位為控制，將總水頭在各渠段的明渠和建筑物上分配。考慮的主要因素包括總干渠沿線(xiàn)地面高程、建筑物型式、建筑物長(zhǎng)度以及對(duì)水頭增減的敏感性等，目標(biāo)是總干渠總投資最省。三峽工程：長(zhǎng)江三峽工程的方案之一是采用壩體深孔、底孔重疊布置雙層泄洪方式。設(shè)計(jì)中要求深孔底孔在各種運(yùn)行工況條件下孔內(nèi)均為無(wú)壓流態(tài)。在原設(shè)計(jì)方案中，壩體下游最高尾水位為83.20m，深孔挑坎高程為88.50m，底孔出口頂高程為“.om所以，深孔滿(mǎn)足無(wú)壓流態(tài)泄洪設(shè)計(jì)要求。對(duì)于壩體泄洪底孔，由模型實(shí)驗(yàn)觀察到，當(dāng)下游尾水位高于底孔的上臨界水位時(shí)，底孔出口部位會(huì)出現(xiàn)封頂，反弧段及直線(xiàn)段上將有水躍現(xiàn)象發(fā)生;當(dāng)下游尾水位介于上、下臨界水位之間時(shí)，孔內(nèi)流態(tài)不確定，或?yàn)槊髁?、或?yàn)闈M(mǎn)流、局部滿(mǎn)流，這將取決于水流的初始狀態(tài);當(dāng)下游尾水位低于底孔下臨界水位時(shí)，底孔內(nèi)保證出現(xiàn)明流泄洪狀態(tài)。由此可知，為了確定底孔內(nèi)水流流態(tài)，必須首先確定底孔上、下臨界水位。根據(jù)底孔模型實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，若建立了底孔反弧邊界水躍方程、底孔部