图3-5给出了五种形式屋盖典型工况下不同位置的脉动风压自功率谱。图中横坐标为对数形式的无量纲频率,纵坐标为无量纲自功率谱,曲线在坐标系下积分为1,即文献表明[170],采用这种形式可以更直观地反映出脉动功率在对数频率上的分布规律,可以总结出如下规律。
1)除个别工况的特殊位置,无量纲自功率谱一般以单峰形式为主。在平屋盖及鞍形屋盖的气流分离作用明显的区域,由于流场漩涡作用较为复杂,可能产生双峰值的自功率谱。
2)脉动风压无量纲自功率谱的峰值对应的频率、脉动功率在峰值的集中程度随空间位置变化规律明显。屋盖表面风压的脉动功率大多集中在无量纲频率1以下,尾流区的脉动风压功率更趋向于集中在高频段。
3)从自功率谱特性角度可将上述五种大跨度屋盖形式分为三类。
第Ⅰ类是具有尖角钝体特点的平屋盖、鞍形屋盖。这类屋盖由于迎风处呈现尖角,特征湍流主要表现为迎风前缘的气流分离作用,如果跨度足够大,分离的气流在屋盖中后部发生再附。这类屋盖在正面迎风时,特征湍流作用一般表现为二维柱状涡,斜风向一般为锥状涡[217],呈现出明显的三维特性。这些效应使得脉动风压谱高频部分较为突出。(www.xing528.com)
第Ⅱ类是类似平板流的悬挑屋盖。与第Ⅰ类屋盖相似的是,悬挑屋盖特征湍流作用主要体现为柱状涡和锥状涡,但悬挑屋盖在上下两个表面共同受到气流作用,呈现出更为复杂的频谱特征。即便是在正面迎风的状态,屋盖端部的效应也极为明显,主要是受到横向气流的扰动,屋盖边缘产生局部的锥状涡作用。总之,悬挑屋盖的自功率谱特性主要体现为高频能量衰减较慢。
图3-5 典型工况下屋盖表面脉动风压自功率谱
第Ⅲ类是具有典型曲面钝体特性的柱面及球面屋盖。当气流流经这类屋盖时,在屋盖顶部加速形成较大的负压,主导频率较低,气流在屋盖尾部分离脱落,脉动风压功率集中在漩涡脱落频率附近。这类曲面屋盖的脉动功率主要有三个集中频段,分别为迎风前缘集中在无量纲频率0.2~0.8的中间频段、屋盖顶部加速区为无量纲频率小于0.2的低频段、在尾流区则为无量纲频率0.8以上的高频段。总体来说,屋盖的顶部加速区面积不小于屋盖表面积的1/2,因此,这类屋盖的风压自功率谱以低频为主。
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