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出版者:

作者:Malcolm Macpherson

出品人:

页数:291

译者:

出版时间:2008-1

价格:95.00元

装帧:

isbn号码:9780007280896

丛书系列:

图书标签:

• 航空事故
• 空难
• 飞行安全
• 航空历史
• 事故调查
• 空中灾难
• 航空安全
• 灾难
• 事故
• 航空

深入解析：现代建筑中的空气动力学与结构安全 本书并非聚焦于航空领域的灾难事件，而是作为一本深入探讨现代高层建筑、大型结构以及复杂城市环境中空气动力学效应及其对结构安全影响的专业著作。我们旨在提供一个全面、详尽的分析框架，以理解风荷载在不同尺度和复杂地形下如何作用于人造结构，以及工程师如何通过先进的计算流体力学（CFD）和风洞实验来预测、减轻和管理这些潜在风险。 第一部分：风的本质与结构相互作用的理论基础 本书的开篇将精确定义大气边界层（Atmospheric Boundary Layer, ABL）的物理特性，这是理解城市风环境的基石。我们将详细阐述湍流脉动的统计特性，包括速度场的偏度和峰值因子，这些参数直接决定了结构所承受的动态荷载。 章节一：大气边界层的分层与风场建模 我们首先回顾经典的气象学模型，如对数律剖面和幂律剖面，并探讨地表粗糙度对风速廓线的影响。重点分析了城市峡谷效应（Urban Canyon Effect）如何通过几何形态改变风的加速和涡旋生成。此外，我们将引入现代风场模拟技术，如基于高分辨率的数值天气预报（NWP）模型在微观气候分析中的应用。 章节二：结构物与风的耦合动力学 此部分专注于风荷载作用于结构时的力学响应。我们将区别对待静态的平均风压和动态的脉动风压。对于柔性结构，如超高层建筑或悬索桥梁，动风荷载引起的振动（例如，涡激振动、抖振）是关键的破坏模式。我们将运用振动理论，解析结构阻尼比、自然频率与风激励频率之间的相互作用，特别是针对长跨度结构在非正弦风场中的响应分析。 章节三：气动弹性力学与失稳现象 气动弹性力学是理解结构与流体相互作用的理论核心。本书将详尽论述颤振（Flutter）、发散（Divergence）等现象的判据和机理。虽然这些概念常用于航空器设计，但在超高层结构和特殊造型建筑（如扭转体或网格结构）的设计中，气动弹性稳定性至关重要。我们将展示如何利用复模态分析和非定常空气动力学理论来评估结构的临界风速。 第二部分：城市环境中的风工程应用与数值模拟 现代城市环境的复杂性要求我们采用更精细的分析工具。本部分侧重于如何将理论知识应用于实际的工程问题，特别是利用计算流体力学（CFD）和风洞试验进行验证。 章节四：计算流体力学（CFD）在风工程中的应用 CFD已成为评估复杂几何体周围气流场的强大工具。我们详细介绍了雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）、大涡模拟（LES）以及直接数值模拟（DNS）在风工程中的适用性。内容包括：网格生成策略（尤其是在处理高精度地表细节时）、湍流模型（如$k-epsilon$、$SST$ $k-omega$模型）的选择与校准、以及如何有效耦合结构动力学模型以实现流固耦合（FSI）分析。本书强调了CFD结果的后处理技术，用以提取压力系数、阻力系数和抬升系数的精确分布。 章节五：风洞试验的原理、类型与数据采集 尽管CFD发展迅速，风洞试验仍是验证和校准数值模型的黄金标准。本章系统介绍了不同类型的风洞（如地表边界层风洞、振动风洞）的特点和适用范围。重点讨论了相似性原理的建立，包括几何相似、速度（雷诺数）相似以及动力学相似性（如运动学和惯性相似）。同时，详述了先进的非接触式测量技术，如粒子图像测速（PIV）和激光多普勒测速（LDV）在获取复杂三维流场数据中的应用。 章节六：行人尺度风环境评估与热舒适性 高层建筑群的布局严重影响了地面和低层空间的微气候。本书深入探讨了“行人尺度风”（Pedestrian-Level Wind）的研究方法。我们不仅关注风速是否超过安全阈值，更关注风的持续时间和方向变化对行人舒适度（Comfort Levels）的影响。引入了基于风速、风向和湍流强度的多变量评价指标体系，并提供了案例分析，说明如何通过建筑遮挡、导流板或地面植被来优化城市步行环境。 第三部分：极端荷载、结构响应与减振技术 本部分聚焦于应对极端风事件的设计策略，以及保障结构长期服务性能的先进技术。 章节七：极端风荷载的统计分析与设计规范解读 结构设计必须基于可承受的重现期（如50年或100年重现期）的极端风速。本章详细阐述了极值分布理论，如Gumbel分布、Frechet分布在风速数据分析中的应用。我们将对比分析国际上主要的风荷载设计规范（如ASCE 7, Eurocode等）在脉动风压计算、高度调整因子和地形类别划分上的差异，并探讨极端事件（如台风、龙卷风边缘效应）对局部构件产生的冲击载荷。 章节八：高层建筑的气动外形优化与控制 成功的抗风设计往往依赖于对气动特性的主动控制。本书详细介绍了几种关键的外形优化技术： 1. 截面形状的修改： 从矩形到圆角、椭圆，乃至特殊的扭曲或镂空截面，用以延迟或抑制冯·卡门涡街的脱落，从而提高结构颤振临界风速。 2. 导流装置的应用： 如设置导流鳍、穿孔或开放式楼层，以扰乱和分散汇集于背风面的高压区。 章节九：先进结构减振技术：被动与主动控制 为了满足现代结构对使用性极限状态（如舒适度和加速度限制）的要求，我们必须主动控制风致振动。本章全面回顾了减振技术： 被动控制： 阻尼器技术，包括粘滞阻尼器（Viscous Dampers）、金属屈服阻尼器（Metallic Yield Dampers）以及调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper, TMD）的设计、选型与安装优化。特别关注TMD在多模态振动抑制中的复杂调谐问题。 主动与半主动控制： 探讨了基于传感器反馈的磁流变阻尼器（MR Dampers）和主动质量驱动器（AMD）在实时调整结构响应中的潜力与挑战。 结论：面向未来的风工程挑战 本书最后总结了当前风工程领域面临的前沿挑战，包括对非常规（非正交）风作用的理解、超大规模柔性结构的气动稳定性预测，以及人工智能与机器学习在风场数据解析和结构健康监测中的集成应用。本书旨在为结构工程师、风洞实验师、城市规划师和高级土木工程学生提供一个坚实的理论和实践参考，以确保我们所建造的宏伟结构能够在复杂的风环境中长期安全、舒适地屹立不倒。

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