1、 風工程（Wind Engineering）的定義： 研究大氣邊界層內的風與人類在地球表面的活動及人所創造的物體之間的相互作用。 風工程的研究內容風工程的研究內容 風工程的研究內容： 1.大氣邊界層內風特性 2.風對建筑物和構筑物作用 3.風引起的污染擴散和質量遷移 4.非航空器和非航天器空氣動力特性(風力機、汽車、列車）風氣候全球風地形場地風風荷載氣動響應結構響應力學響應設計準則 1940年，美國塔科馬（Tacoma）懸索橋在風速不到20m/s（8級大風）的作用下，發生振動而毀壞，德國著名空氣動力學家馮卡門親自參加了塔科馬橋風毀原因的分析研究工作，在風洞中對橋梁模型進行抗風穩定性試驗研究，并

2、重新建造了新的塔科馬大橋。 這一事件對后來風工程的研究起了很大的推動作用，人們常把它作為風工程歷史發展階段的一個起點。 風工程的發展風工程的發展20世紀50年代，丹麥M.Jaensen對于風洞模型相似規律問題作出重要闡述。美國J.E.Cermak和加拿大A.G.Davenport分別建成長實驗段邊界層風洞。20世紀60年代，美國R.Scanlan提出了鈍體斷面的分離自激顫振理論， 奠定了橋梁顫振的理論基礎。A.G.Davenport將統計理論引入風壓、風振研究；并建立了橋梁的抖振分析方法。20世紀70年代，在建筑物風振實驗中引入底座天平技術，使風響應的研究得到發展。 80年代以后： 大氣邊界層

3、風特性的模擬技術，特別是大尺度湍流的模擬技術有了較大的發展，新的測試技術和測試手段不斷發展，研究能力進一步提高。 以風工程為背景的鈍體空氣動力學基礎研究得到高度重視，發展了解析方法和數值計算方法。逐步形成了計算風工程這一新的分支（CWECWE）。）。 極端氣候條件下的風載問題引起了關注，對低矮建筑物與建筑群在極端風作用下風載問題的研究得到重視。 隨著交通、能源和環境問題越來越突出，汽車、高速列車和風力機等的空氣動力特性研究以及環境污染的研究得到新的發展。 回流式大氣邊界層風洞，試驗段尺寸為2m高15m寬14m長，在試驗段底板上的轉盤直徑為 4.8m，其轉軸中心距試驗段進口為10.5m。試驗風速

4、范圍從0.2m/s17.6m/s 連續可調。 國內風工程研究國內風工程研究 風洞氣動輪廓全長53m、寬18m，為低速、單回流、并列雙試驗段的邊界層風洞。 第一試驗段(高速試驗段)長17 m，模型試驗區橫截面寬3 m、高2.5 m，試驗段風速058 m /s連續可調。 第二試驗段(低速試驗段)長15 m、模型試驗區橫截面寬5.5 m、高4.4 m，最大風速18 m /s 。 湖南大學邊界層風洞示意圖湖南大學邊界層風洞示意圖 石家莊鐵道學院邊界層風洞石家莊鐵道學院邊界層風洞 GB-50009-2001 風工程研究方法有現場測試（災后調查）、理論計算和風洞試驗三種。風工程的研究方法風工程的研究方法

5、現場測試是一種最直接的研究方法，比較直觀和真實。但是由于進行現場測試時，氣象條件、地形條件等難以人為地控制和改變，因此用這種方法來進行規律性的研究和解決實際工程問題是非常費時和費力的。 理論計算包括解析計算和數值計算兩種。由于風工程研究的對象多半是鈍體空氣動力學的問題（涉及到繞尖角的流動和分離），目前還只能解決一些比較簡單的工程問題。 風洞試驗既具有現場測試方法的直觀性，又在人力、物力和時間上比較節省，特別是由于進行風洞試驗時，可以人為地控制、改變和重復試驗條件，因此，在進行變參數影響的機理研究中和解決一些比較復雜的工程問題中有較大的優越性。風洞實驗風洞實驗課程主要內容 一、大氣邊界層內風特性

6、 大氣運動；平均風特性；極端風特性；隨機過程模型和脈動風特性； 風特性現場測量和風洞模擬。 二、建構筑物空氣動力學 繞建構筑物基本流動；結構動力學基礎；建構筑物風荷載；建構筑物結構響應；建構筑物空氣動力試驗。 三、橋梁空氣動力學 橋梁空氣動力特性；橋梁的靜穩定性；橋梁顫振；橋梁抖振；橋梁空氣動力試驗。 課程的目的課程的目的一、掌握大氣邊界層風特性及其描述方法，了解大氣邊界層風特性的風洞模擬方法。二、掌握風荷載作用的特點和規律，能夠分析和處理一般建構筑物和橋梁的靜動力風荷載問題。三、掌握建（構）筑物空氣動力學試驗的原理和方法, 具備進行與風工程相關課題實驗研究的能力。一.預備知識： 空氣動力學(

7、流體力學)；概率論與數理統計(隨機過程)；結構動力學三.參考資料： 1.土木工程結構抗風設計，作者：吳瑾等，科學技術出版社，2007。 2.結構風工程理論規范實踐，作者：張相庭，中國建筑工業出版社，2006。 3.結構風荷載作用，作者：克萊斯.迪爾比耶等（丹麥），譯者：薛素鐸等，中國建筑工業出版社，2006。 4.橋梁風工程，作者：陳政清，人民交通出版社，2005。二.教材： 風工程與工業空氣動力學（節選） 作者：賀德馨，國防工業出版社，2006一、大氣運動二、平均風特性三、極端風特性四、隨機過程模型五、脈動風特性一、大氣運動風產生的根本原因是太陽對地球大氣的加熱不均勻性，導致大氣中熱力與動力

8、現象的時空不均勻性，使相同高度上兩點之間產生壓差，從而迫使空氣流動形成風。風的形成主要受下列因素影響：（1）大氣的吸熱能力（2）大氣的壓強與溫度分布（3）氣壓的水平梯度力（4）地表摩擦1.1 大氣環流 氣體溫差形成的環流h1h2h3A AB B環流環流北極赤道簡化的大氣環流模型主要簡化:忽略氣溫的垂直變化、空氣濕度、地球自轉和摩擦力的影響，并假設地球表面水平光滑。高溫低溫環流環流 三圈環流：由于太陽輻射，地球自轉和摩擦力的共同作用，實際的大氣環流被分裂成由三個基本環流組成的環流型。這就是熱力環流圈、中緯度環流圈和極地環流圈組成。或信風、副熱帶高壓區、極地東風。氣壓梯度力： 單位距離內氣壓變化的

9、大小（即氣壓差）稱為氣壓梯度，在氣壓梯度作用下使空氣產生運動的力稱為氣壓梯度力。氣壓梯度力zpzp1單位體積的氣壓梯度力：單位質量的氣壓梯度力：zpdxdypdxdydzzpp)(dzdxdyzp低壓高壓等壓線npnpnp1單位體積的氣壓梯度力：單位質量的氣壓梯度力：氣壓梯度力 1 1、現象：、現象： 園盤靜止不動園盤靜止不動BBAA園盤逆時針轉動園盤逆時針轉動地球自轉偏向力(Coriolis力)地球自轉偏向力的大小的大小 圖中：圖中： OA=OA=VtVt AA OA=OA=t tAAAA = OA= OA S=atS=at2 2/2/2 S S AAAA即即2 2=at=at2 2/2/2

10、 a = 2va = 2v根據牛頓第二定律根據牛頓第二定律:F=ma:F=ma單位質量空氣受到的地轉偏向力是單位質量空氣受到的地轉偏向力是F=2vF=2vOA AAAVmFc2sin2VmFcF FCoriolis力:定義:sin2VmFc)(2VmFcsin2cfVfmFcc.V科里奧利系數sradh/1027. 724/25F地轉風dndpUfgeoc1dndpfUcgeo1最終方向地轉風cFP geoU當等高面上的等壓線是直線的情況下，如果氣壓梯度力與科里奧利力平衡，則空氣將沿等高面上的等壓線方向作等速直線運動，這時形成的風為地轉風地轉風地轉風1010101010051005100010

11、00995995990990hpahpa水平氣壓梯度力水平氣壓梯度力空氣運動的方向空氣運動的方向水平地轉偏向力水平地轉偏向力地偏力的方向：垂直于風向地偏力的方向：垂直于風向垂直于等壓線從高壓指向低壓垂直于等壓線從高壓指向低壓梯度風力平衡方程:dndpUfrUgrcgr12氣旋環流反氣旋環流當等高面上的等壓線是曲線的情況下，如果氣壓梯度力、科里奧利力和慣性離心力平衡，則空氣將沿等高面上的等壓線的切線方向作等速曲線運動，這時形成的風為梯度風氣旋風風速:反氣旋風風速:dndprrfrfUccgr222dndprrfrfUccgr22200grUdndpdndpUfrUgrcgr12力平衡方程:解的唯

12、一性條件: 大氣環流是全球性的大氣運動,局地環流則是區域性的大氣運動.典型的局地環流有季風,海陸風和山谷風等。1.2 局地環流 季風是由于海洋陸地的熱力差異行星風帶的季節變化、高原地形的作用等形成的以半年為周期改變盛行風向的風。在夏季，陸地溫度高于海洋，陸地氣壓低于海洋，風從海洋吹向陸地，稱夏季風，冬季則正好相反。 海陸風主要是由于海洋陸地的熱力差異所形成的以晝夜為周期改變盛行風向的風。在低層，白天風由海面吹向陸地,稱為海風；夜間風由陸地吹向海面。 山谷風是由于山坡與周圍空氣受熱不同而形成的以晝夜為周期改變盛行風向的風。白天風由山谷沿山坡向上吹，稱之為谷風；夜間風由山頂沿山坡向下吹，稱之山風，形成山谷風環流。1.3 大氣邊界層 大氣邊界層： 風吹過地面，由于地面上各種粗糙元的作用。會對風的運動產生摩擦阻力。使風的能量減小導致風速減小，減小的程度隨高度增加而降低。這一層受到地球表面摩擦阻力影響的大氣層稱為大氣邊界層。梯度風高度邊界層厚度自由大氣層2000100下部摩擦層上部摩擦層GZ不同粗糙度影響下的風剖面大氣邊界層的主要特征 由于大氣溫度隨高度變化所產生的溫差引起空氣上下對流流動。 由于地球表面摩