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1、同济大学土木工程防灾国家重点实验室同济大学土木工程防灾国家重点实验室SLDRCE, SLDRCE, TongjiTongji UniversityUniversity结构抗风试验结构抗风试验结构抗风试验结构抗风试验 第二章第二章第二章第二章 风对结构的作用风对结构的作用风对结构的作用风对结构的作用朱乐东朱乐东朱乐东朱乐东桥梁馆桥梁馆桥梁馆桥梁馆309309 TelTel：659831166598311623092309 MbMb：1391658099613916580996二、风对结构的作用二、风对结构的作用二、风对结构的作用二、风对结构的作用结构抗风试验结构抗风试验结构抗风试验结构抗风试验第
2、二章内容第二章内容2.42.42.42.4：风对结构的动力作用风对结构的动力作用风对结构的动力作用风对结构的动力作用结构风致振动结构风致振动结构风致振动结构风致振动2.12.12.12.1：边界层和流动分离边界层和流动分离边界层和流动分离边界层和流动分离2.22.22.22.2：二维流动中的尾流和旋涡的形成二维流动中的尾流和旋涡的形成二维流动中的尾流和旋涡的形成二维流动中的尾流和旋涡的形成2.32.32.32.3：风对结构的静力作用风对结构的静力作用风对结构的静力作用风对结构的静力作用二、风对结构的作用二、风对结构的作用二、风对结构的作用二、风对结构的作用结构抗风试验结构抗风试验结构抗风试验结
3、构抗风试验2.1 2.1 物体表面的物体表面的边界层和流动分离边界层和流动分离2.1.12.1.1 物体表面的边界层物体表面的边界层?考虑在一个静止光滑的物体表面上方和沿该物体表面的考虑在一个静止光滑的物体表面上方和沿该物体表面的考虑在一个静止光滑的物体表面上方和沿该物体表面的考虑在一个静止光滑的物体表面上方和沿该物体表面的 一种空气流动一种空气流动一种空气流动一种空气流动? ?由于空气的粘性效应，与物体表面接触的空气贴附在物体表面上，由于空气的粘性效应，与物体表面接触的空气贴附在物体表面上，由于空气的粘性效应，与物体表面接触的空气贴附在物体表面上，由于空气的粘性效应，与物体表面接触的空气贴附
4、在物体表面上， 它将减慢靠近物体表面的一层空气的运动，这一空气层就称为它将减慢靠近物体表面的一层空气的运动，这一空气层就称为它将减慢靠近物体表面的一层空气的运动，这一空气层就称为它将减慢靠近物体表面的一层空气的运动，这一空气层就称为边边边边 界层界层界层界层? ?与前述大气边界层中的平均风剖面类似，在边界层内，气流的速度与前述大气边界层中的平均风剖面类似，在边界层内，气流的速度与前述大气边界层中的平均风剖面类似，在边界层内，气流的速度与前述大气边界层中的平均风剖面类似，在边界层内，气流的速度 从物体表面上等于零（即无滑动）增大到边界层外的气流速度从物体表面上等于零（即无滑动）增大到边界层外的气
5、流速度从物体表面上等于零（即无滑动）增大到边界层外的气流速度从物体表面上等于零（即无滑动）增大到边界层外的气流速度U? ?大气边界层只是一个典型的物体边界层例子大气边界层只是一个典型的物体边界层例子大气边界层只是一个典型的物体边界层例子大气边界层只是一个典型的物体边界层例子? ?地表对气流的这种阻滞作用比光滑表面对气流的阻滞作用要显著地表对气流的这种阻滞作用比光滑表面对气流的阻滞作用要显著地表对气流的这种阻滞作用比光滑表面对气流的阻滞作用要显著地表对气流的这种阻滞作用比光滑表面对气流的阻滞作用要显著? ?边界层是空气粘性效应的一个重要表现边界层是空气粘性效应的一个重要表现边界层是空气粘性效应的
6、一个重要表现边界层是空气粘性效应的一个重要表现二、风对结构的作用二、风对结构的作用二、风对结构的作用二、风对结构的作用结构抗风试验结构抗风试验结构抗风试验结构抗风试验2.1 2.1 物体表面的物体表面的边界层和流动分离边界层和流动分离2.1.22.1.2 雷诺数雷诺数 ?对于不可压缩流体，惯性力和粘性力是影响其流动形态对于不可压缩流体，惯性力和粘性力是影响其流动形态对于不可压缩流体，惯性力和粘性力是影响其流动形态对于不可压缩流体，惯性力和粘性力是影响其流动形态 的两个最主要参数的两个最主要参数的两个最主要参数的两个最主要参数? ?它是确定可能出现哪种类型流动特性或现象的指标它是确定可能出现哪种
7、类型流动特性或现象的指标它是确定可能出现哪种类型流动特性或现象的指标它是确定可能出现哪种类型流动特性或现象的指标?定义定义定义定义（分子）雷诺数（分子）雷诺数（分子）雷诺数（分子）雷诺数为：流体的惯性力和粘性力之比为：流体的惯性力和粘性力之比为：流体的惯性力和粘性力之比为：流体的惯性力和粘性力之比22U LULULReUL =? ?对于表面特征尺寸为对于表面特征尺寸为对于表面特征尺寸为对于表面特征尺寸为L L的某一体积气流微团的某一体积气流微团的某一体积气流微团的某一体积气流微团?粘性应力可由边界层风速梯度确定粘性应力可由边界层风速梯度确定粘性应力可由边界层风速梯度确定粘性应力可由边界层风速梯
8、度确定: : = =d du u/d/dn n, , 数量级为数量级为数量级为数量级为 U/LU/L； 是空气的粘性系数；是空气的粘性系数；是空气的粘性系数；是空气的粘性系数； U U为气流速度为气流速度为气流速度为气流速度?粘性力的数量级为粘性力的数量级为粘性力的数量级为粘性力的数量级为 U/LU/LL L2 2= = ULUL?由于流动产生的静压力的数量级为由于流动产生的静压力的数量级为由于流动产生的静压力的数量级为由于流动产生的静压力的数量级为 U U2 2/2/2?惯性力的数量级为惯性力的数量级为惯性力的数量级为惯性力的数量级为惯性力的数量级为惯性力的数量级为惯性力的数量级为惯性力的数
9、量级为: : L L3 3 U/(L/U)U/(L/U)= = U U2 2L L2 2=；空气运动粘性系数空气运动粘性系数空气运动粘性系数空气运动粘性系数U二、风对结构的作用二、风对结构的作用二、风对结构的作用二、风对结构的作用结构抗风试验结构抗风试验结构抗风试验结构抗风试验2.1 2.1 物体表面的物体表面的边界层和流动分离边界层和流动分离?当当当当ReRe较大时，惯性效应起主要作用，反之则粘性效应起较大时，惯性效应起主要作用，反之则粘性效应起较大时，惯性效应起主要作用，反之则粘性效应起较大时，惯性效应起主要作用，反之则粘性效应起 主要作用主要作用主要作用主要作用? ?在计算雷诺数时，如何
10、选择特征长度在计算雷诺数时，如何选择特征长度在计算雷诺数时，如何选择特征长度在计算雷诺数时，如何选择特征长度L L要取决于我们所感兴趣的局要取决于我们所感兴趣的局要取决于我们所感兴趣的局要取决于我们所感兴趣的局 部具体情况部具体情况部具体情况部具体情况?应当注意，雷诺数是一个局部性的概念，它与对流动产应当注意，雷诺数是一个局部性的概念，它与对流动产应当注意，雷诺数是一个局部性的概念，它与对流动产应当注意，雷诺数是一个局部性的概念，它与对流动产 生影响的边界有关生影响的边界有关生影响的边界有关生影响的边界有关? ?一个给定物体上的流动，可以具有较宽的雷诺数范围，它将由我们一个给定物体上的流动，可
11、以具有较宽的雷诺数范围，它将由我们一个给定物体上的流动，可以具有较宽的雷诺数范围，它将由我们一个给定物体上的流动，可以具有较宽的雷诺数范围，它将由我们 所要研究的具体区越而定所要研究的具体区越而定所要研究的具体区越而定所要研究的具体区越而定? ?当作为一个整体讨论包围给定物体的流动时，当作为一个整体讨论包围给定物体的流动时，当作为一个整体讨论包围给定物体的流动时，当作为一个整体讨论包围给定物体的流动时， L L一般可取为大约等一般可取为大约等一般可取为大约等一般可取为大约等 于该物体的总体代表尺寸。于该物体的总体代表尺寸。于该物体的总体代表尺寸。于该物体的总体代表尺寸。二、风对结构的作用二、风
12、对结构的作用二、风对结构的作用二、风对结构的作用结构抗风试验结构抗风试验结构抗风试验结构抗风试验2.1 2.1 物体表面的边界层和流动分离物体表面的边界层和流动分离? 涡动粘性系数涡动粘性系数? ?对于层流边界层，空气的粘性主要由于分子运动在各气层之间交换对于层流边界层，空气的粘性主要由于分子运动在各气层之间交换对于层流边界层，空气的粘性主要由于分子运动在各气层之间交换对于层流边界层，空气的粘性主要由于分子运动在各气层之间交换 动量的结果动量的结果动量的结果动量的结果? ?对于紊流边界层，各气层之间的动量交换主要由紊流中的对流分量对于紊流边界层，各气层之间的动量交换主要由紊流中的对流分量对于紊
13、流边界层，各气层之间的动量交换主要由紊流中的对流分量对于紊流边界层，各气层之间的动量交换主要由紊流中的对流分量 来完成来完成来完成来完成? ?动量交换是在宏观尺度上还是在分子尺度进行是紊流边界层和层流动量交换是在宏观尺度上还是在分子尺度进行是紊流边界层和层流动量交换是在宏观尺度上还是在分子尺度进行是紊流边界层和层流动量交换是在宏观尺度上还是在分子尺度进行是紊流边界层和层流 边界层的根本区别边界层的根本区别边界层的根本区别边界层的根本区别? ?紊流的动粘性系数常被称为涡动粘性系数，用紊流的动粘性系数常被称为涡动粘性系数，用紊流的动粘性系数常被称为涡动粘性系数，用紊流的动粘性系数常被称为涡动粘性系
14、数，用 turbturb来表示，它是反来表示，它是反来表示，它是反来表示，它是反 映由紊流引起的大尺度动量交换的程度的一个指标映由紊流引起的大尺度动量交换的程度的一个指标映由紊流引起的大尺度动量交换的程度的一个指标映由紊流引起的大尺度动量交换的程度的一个指标? ?涡动粘性系数涡动粘性系数涡动粘性系数涡动粘性系数 turbturb远远大于分子运动粘性系数远远大于分子运动粘性系数远远大于分子运动粘性系数远远大于分子运动粘性系数 ?定义定义定义定义紊流雷诺数紊流雷诺数紊流雷诺数紊流雷诺数为：流体的惯性力和紊流粘性力之比为：流体的惯性力和紊流粘性力之比为：流体的惯性力和紊流粘性力之比为：流体的惯性力和
15、紊流粘性力之比turb turbULRe=? ?涡动粘性系数涡动粘性系数涡动粘性系数涡动粘性系数 turbturb远远大于分子运动粘性系数远远大于分子运动粘性系数远远大于分子运动粘性系数远远大于分子运动粘性系数 二、风对结构的作用二、风对结构的作用二、风对结构的作用二、风对结构的作用结构抗风试验结构抗风试验结构抗风试验结构抗风试验2.1 2.1 物体表面的边界层和流动分离物体表面的边界层和流动分离2.1.32.1.3 流动分离流动分离?分离层中会形成离散的旋涡，并脱落到钝体后方的气流中分离层中会形成离散的旋涡，并脱落到钝体后方的气流中分离层中会形成离散的旋涡，并脱落到钝体后方的气流中分离层中会
16、形成离散的旋涡，并脱落到钝体后方的气流中 ?这些旋涡使得分离点（如拐角或房檐等）附近出现非常大这些旋涡使得分离点（如拐角或房檐等）附近出现非常大这些旋涡使得分离点（如拐角或房檐等）附近出现非常大这些旋涡使得分离点（如拐角或房檐等）附近出现非常大 的吸力的吸力的吸力的吸力冯卡门涡迹 (c) 30 Re 5103(a) Re 1 二、风对结构的作用二、风对结构的作用二、风对结构的作用二、风对结构的作用结构抗风试验结构抗风试验结构抗风试验结构抗风试验2.1 2.1 物体表面的边界层和流动分离物体表面的边界层和流动分离?对于实践中所关心的流动，其雷诺数的分布范围很广，对于实践中所关心的流动，其雷诺数的分布范围很广，对于实践中所关心的流动，其雷诺数的分布范围很广，对于实践中所关心的流动，其雷诺数的分
