2025年大学《大气科学》专业题库- 大气湍流对建筑结构的影响

2025年大学《大气科学》专业题库——大气湍流对建筑结构的影响考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。下列每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的。请将正确选项前的字母填在题后的括号内。）1.大气湍流的基本特征之一是流场中存在随机脉动的速度分量，以下哪个物理量主要用于描述脉动速度的强度？A.湍流尺度B.湍流强度C.湍流频谱D.湍流动能2.根据湍流理论，大气边界层中的湍流主要由哪两种机制产生？A.涡环生成与破裂B.机械湍流与热力湍流C.对流不稳定与剪切层不稳定性D.大气波动与地形摩擦3.在建筑结构风工程中，通常使用哪一种仪器来测量近地面的风速脉动？A.风向标B.气压计C.超声波风速仪D.辐射温度计4.风荷载的脉动分量是导致建筑物产生哪种主要振动现象的主要动力因素？A.基础沉降B.顺风向涡激振动C.地震波引发的水平晃动D.结构自振引起的共振5.对于高耸建筑物，其横风向振动（颤振）主要是由哪种现象引起的？A.顺风向的持续脉动风压B.周期性的气动弹性力C.桥墩处的涡街脱落D.地面粗糙度引起的风速衰减6.在建筑结构设计中，风振系数的引入主要是为了考虑什么因素？A.风速随高度的变化B.风荷载的静力分量C.风荷载的脉动特性对结构响应的影响D.结构材料的风化腐蚀效应7.大气边界层湍流的结构尺度（如积分尺度）通常与以下哪个因素密切相关？A.大气稳定度B.地面粗糙度C.风速大小D.建筑物高度8.湍流引起的结构疲劳破坏，其主要机制是结构承受的荷载在什么作用下的循环变化？A.静风压的长期作用B.小幅值的动风压脉动C.大幅值的瞬时风压冲击D.基础不均匀沉降引起的应力集中9.在进行建筑结构抗风设计时，对于高柔性结构，通常更关注哪种风荷载效应？A.静风压引起的整体偏移B.风致倾覆稳定性C.风振引起的疲劳破坏D.横风向涡激振动10.激光雷达等遥感技术在大气湍流研究中主要应用在哪些方面？（多选，请将正确选项前的字母填在题后括号内）A.直接测量风场脉动B.获取大气边界层高度信息C.探测大气污染物扩散路径D.反演地表粗糙度参数二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在题中横线上。）1.大气湍流是非______、非______的随机流动现象。2.湍流强度通常定义为瞬时风速的时间标准差与时间平均风速的比值，无量纲。3.在大气边界层中，风速随高度增加而增大，其变化规律通常用______指数律来描述。4.风荷载通常由两部分组成：静力分量和______分量。5.对于规则结构，顺风向风振响应分析中常用的简化模型是______模型。6.结构疲劳破坏是指结构在______荷载作用下，经过长期循环后发生的损伤累积和强度降低现象。7.在进行风洞试验时，为了模拟真实大气边界层的湍流特性，常采用______法或______法来产生人工湍流。8.建筑结构抗风设计需要考虑的结构性能指标包括承载能力、刚度、______和______。9.湍流绕流建筑物时，在建筑物后缘会形成______不稳定的旋涡脱落，可能引发结构的横风向振动。10.风险评估中，关于大气湍流对建筑结构影响的分析，需要考虑______、______和后果严重性等要素。三、名词解释（每小题3分，共15分。请给出下列名词的precisedefinition。）1.湍流积分尺度2.风振系数3.涡激振动（VIV）4.疲劳寿命5.风致风险评估四、简答题（每小题5分，共25分。请简要回答下列问题。）1.简述大气湍流的基本特性及其对建筑结构风工程研究的影响。2.简述产生大气边界层湍流的主要机制。3.简述风荷载脉动对建筑物产生顺风向振动的主要途径。4.简述建筑结构设计中考虑湍流效应的主要体现（至少三个方面）。5.简述进行大气湍流测量的主要方法及其优缺点。五、计算题（每小题8分，共16分。请列出必要的计算步骤和公式。）1.某城市近地面高度10米处，平均风速为5m/s，已知该城市地面粗糙度为C类，试利用指数律公式估算50米高度处的平均风速。假设摩擦速度u*=0.3m/s。2.某高层建筑结构的基本自振周期T1=2.0s，所在地区的基本风压wo=0.6kN/m²，风振系数φ=1.25。试计算该建筑在10米高度处（假设此处风速与基本风压对应）的顺风向风振荷载标准值（仅考虑脉动影响）。六、论述题（每小题10分，共20分。请结合所学知识，全面、深入地论述下列问题。）1.试论述大气湍流特性（如强度、尺度）对高层建筑结构风致响应（如顺风向、横风向振动）的影响机制。2.试论述如何利用数值模拟方法研究大气湍流对复杂体型建筑结构的影响，并分析其优缺点。---试卷答案一、选择题1.B解析：湍流强度（TurbulenceIntensity）是衡量湍流脉动剧烈程度的无量纲参数，定义为脉动速度分量（如u'）的标准差σu'与时间平均速度（U）的比值，即I=σu'/U。它直接反映了风压脉动的强度。2.B解析：大气边界层湍流的形成主要源于两种机制：一是地表与大气层之间的机械摩擦，导致近地面风速梯度增大，形成剪切层，剪切层的不稳定破裂产生机械湍流；二是地表加热不均匀，引起大气温度层结不稳定，导致热力对流的发生和发展，产生热力湍流。3.C解析：超声波风速仪利用超声波测速原理，能够快速、精确地测量三维风速及其脉动分量，且不易受风向影响，是测量近地面大气湍流脉动特征的常用仪器。风向标用于测量风向，气压计用于测量大气压强，辐射温度计用于测量地表或云层的温度。4.B解析：建筑物的顺风向振动主要是由风荷载的脉动分量引起的。脉动风压时大时小、时正时负地作用在建筑物表面，导致建筑物产生围绕其重心的振动，包括抖振和弹性振动等。5.B解析：高耸建筑物横风向振动（也称为涡激振动或锁频振动）是由不稳定的交替脱落的绕流涡（卡门涡街）产生的周期性横向力所引起的。这种力的频率与建筑物自身在横向的振动频率接近时，会发生共振，导致剧烈振动。6.C解析：风振系数是考虑风荷载脉动特性对结构响应（主要是惯性效应）影响的一个修正系数。由于风荷载是随时间变化的脉动荷载，它不仅使结构产生静力位移，还引起结构的振动。风振系数将脉动风压等效为等效静风压，以简化结构抗震计算，其值反映了结构对风荷载脉动的响应程度。7.B解析：大气边界层湍流的结构尺度（如湍流积分尺度）反映了湍流涡旋的平均大小和关联距离，它与地表粗糙度密切相关。通常情况下，地表越粗糙，产生的湍流越强，涡旋尺度也越大，积分尺度也越大。8.B解析：结构疲劳破坏是指结构在循环变应力（通常幅值不大但频率较高）长期作用下，材料内部产生微小裂纹并逐渐扩展，最终导致结构断裂或失效的现象。湍流引起的结构表面风压脉动正是这种循环变应力的重要来源。9.C解析：高柔性结构（如高耸电视塔、桅杆等）的自重相对于其刚度很小，风荷载对其产生的惯性效应（即振动）非常显著。因此，在进行抗风设计时，需要特别关注风荷载脉动引起的振动效应，尤其是疲劳破坏问题，而静风压引起的整体偏移相对较小。10.A,B,D解析：激光雷达（Lidar）是一种利用激光束探测大气参数的遥感技术。在湍流研究中，它可以用于直接测量风场（特别是水平风速和风向的脉动）的垂直分布（A）；通过探测大气水汽等粒子背向散射信号，可以反演大气边界层高度（B）；其探测到的风场信息也可用于研究大气污染物扩散（D）。选项C中，常规激光雷达主要探测气体，对地表粗糙度参数的直接反演能力有限。二、填空题1.定常，各向同性解析：理想流体是定常（时间不变）和各向同性（性质在各个方向上相同）的。大气湍流是随机、非定常（随时间快速变化）且非各向同性（性质在不同方向上可能不同）的。2.脉动解析：风荷载的脉动分量是指风压随时间随机波动的部分，它是造成建筑物振动和疲劳破坏的主要原因。3.对数解析：指数律（LogarithmicLaw）是描述近地面层风速随高度变化的常用经验公式：U(z)=(u*/k)*ln(z/zo)，其中U(z)是高度z处的风速，u*是摩擦速度，k是卡门常数，zo是粗度长度。4.脉动解析：风荷载通常由两部分组成：一是风速的时均值乘以空气密度和重力加速度得到的静力分量，二是风速的脉动分量引起的动力分量。5.瑞利解析：瑞利模型（RayleighModel）是结构动力学中用于模拟结构在随机外部荷载（如脉动风）作用下响应的一种简化计算模型，它假设结构的振动能量只与结构的基本频率有关，忽略了高阶频率的影响。6.循环变应力解析：疲劳破坏是由荷载或应力在某个或某些应力水平上经历大量循环后逐渐累积损伤所导致的。风荷载的脉动特性正是提供这种循环变应力的主要来源。7.混合长，风洞网格解析：在风洞中模拟大气湍流，可以采用混合长法（MixingLengthMethod）来模拟湍流脉动的传递，也可以通过在风洞中设置特定形状的网格（风洞网格）来强制产生湍流。8.耐久性，安全性解析：建筑结构不仅要满足承载能力（抵抗荷载作用），还要有足够的刚度（控制变形），并且在整个设计使用年限内保持功能正常（耐久性），最重要的是保证在各种荷载作用下（包括风荷载）都能安全可靠（安全性）。9.卡门涡街解析：当气流绕流钝体（如建筑物）时，在建筑物后缘会交替脱落两列旋转方向相反的涡旋，形成卡门涡街。这种周期性的涡旋脱落会产生垂直于来流方向的交替脉动力，可能引发结构的横风向振动。10.风险发生的可能性，后果解析：风险评估通常包含两个核心要素：一是事件发生的可能性（Likelihood），二是事件发生后可能造成的后果（Consequence），两者结合构成风险值。三、名词解释1.湍流积分尺度：在湍流场中，某一点的湍流脉动（如速度脉动）与其他点的脉动在空间上相关联的范围或平均波长。它反映了湍流涡旋的平均大小，是描述湍流结构特性的重要参数。2.风振系数：在建筑结构抗风设计中，用于考虑风荷载脉动对结构动力响应（尤其是惯性效应）影响的无量纲系数。它将随时间变化的脉动风压等效为一个等效静风压，乘以风振系数即可得到考虑脉动效应的设计风压值。3.涡激振动（VIV）：也称为锁频振动，是指不稳定的卡门涡街（交替脱落的涡旋）与受迫振动系统（如细长结构）发生共振现象。当涡街脱落频率与结构在特定方向（通常是横向）的自由振动频率接近时，结构会像“拔河”一样被涡街“拖”着一起振动，振幅可能急剧增大。4.疲劳寿命：材料或结构在循环载荷作用下，从初始状态到发生疲劳断裂或达到规定损伤程度所经历的循环次数。对于建筑结构，通常指其在设计基准期内的疲劳失效概率所对应的循环次数。5.风致风险评估：对大气湍流（风）可能对建筑物、构筑物或工程设施造成的损害进行综合评价的过程。它涉及分析风荷载特性、结构响应、潜在破坏模式，并评估其发生的可能性、后果严重性以及总体风险水平，为工程设计、维护和防灾减灾提供决策依据。四、简答题1.大气湍流的基本特性包括随机性（速度、压力等湍流分量随时间和空间随机变化）、非定常性（湍流场状态随时间快速变化）、非各向同性（湍流特性在不同方向上可能不同，尤其在近地面）、存在不同尺度涡旋（从微小尺度到大气边界层整体尺度）等。这些特性对建筑结构风工程研究的影响体现在：湍流是风荷载脉动的主要来源，决定了风荷载的大小、作用方向和作用时间的不确定性；湍流特性（如强度、尺度、谱特征）影响建筑物在风作用下的振动响应（顺风向、横风向、扭转振动）的幅值和频率；湍流与结构相互作用产生的气动弹性效应（如涡激振动）可能导致结构剧烈振动甚至破坏；湍流特性是进行风洞试验模拟、数值模拟以及风荷载预测和结构抗风设计规范制定的基础和难点。2.产生大气边界层湍流的主要机制包括：①机械湍流（MechanicalTurbulence）：由于地表与大气层之间的摩擦和动量交换，特别是在近地面形成剪切层。风速随高度的变化（梯度）导致动量传递，当梯度超过一定阈值或剪切层不稳定时，会触发湍流脉动并向高层发展。地形起伏、障碍物（如建筑物、树木）也会加剧机械湍流。②热力湍流（ThermalTurbulence）：由于地表加热不均匀，导致大气温度层结不稳定。地面不同部位受热程度不同，产生温度差异，形成热力对流，冷、热空气上升下降，带动动量交换，形成湍流。白天非晴朗天气、晴朗但风速较小的夜晚等条件容易产生热力湍流。在边界层底部，机械湍流和热力湍流常常同时存在并相互影响。3.风荷载脉动对建筑物产生顺风向振动的主要途径如下：①平均风压差：建筑物迎风面和背风面（或侧面）的平均风压通常不相等，产生一个持续的、指向迎风面的合力，使建筑物产生绕其重心的静力位移和绕质心的角位移。②风压脉动：风荷载的脉动分量（时大时小的压力波动）作用在建筑物表面，由于建筑物具有质量，这种快速变化的力会迫使建筑物围绕其刚度中心（通常与质心不重合）产生振动。这种振动可以是低频的“摇摆”，也可以是高频的“抖动”。脉动风压通过建筑物表面传递到结构内部，引起结构的惯性力，导致结构的振动响应。建筑物越高、越柔，其对脉动风压的响应（即振动）通常越剧烈。4.建筑结构设计中考虑湍流效应的主要体现包括：①风荷载计算：在基本风压的基础上，引入风振系数来考虑风荷载脉动对结构动力效应的影响，特别是在计算结构的惯性力（如地震作用下的地震力，或风振作用下的等效静力风压）时。②结构响应分析：进行结构的动力学分析（如时程分析、随机振动分析），考虑风荷载脉动的作用，计算结构的振动响应（如位移、速度、加速度、应力等时程曲线），评估结构的舒适度（如层间位移角、加速度）和安全性（如应力幅值、疲劳损伤）。③抗风设计要求：根据结构类型、高度、重要性以及所在地的风气候特征和湍流强度，制定相应的抗风设计标准，如限制结构的最大风速响应、满足抗风可靠度要求、进行疲劳验算等。④特殊效应考虑：对于高柔结构、高管结构、大跨度结构、桥梁等，需要特别关注由湍流引起的横风向振动（涡激振动）、驰振（锁频振动）、抖振以及气动弹性失稳等问题，并在设计中采取相应的控制措施（如设置阻尼器、调整结构外形、进行气动优化设计等）。5.进行大气湍流测量的主要方法及其优缺点如下：①机械式风速仪（如杯式、旋桨式）：利用风力驱动仪器内部的机械部件旋转来测量风速。优点是结构简单、坚固耐用、成本较低、技术成熟。缺点是测量频带宽有限（通常只能捕捉较低频段脉动）、有启动风速限制、可能存在启动误差和信号失真（尤其在湍流脉动剧烈时）、测量三维风速比较困难。②热线/热膜风速仪：利用一根极细的金属丝（热线）或涂有金属膜的探头（热膜），通过测量其因气流吹过而散失的热量来推算风速。优点是响应时间快（可测量高频脉动）、精度高、测头小、对流场干扰小、可测三维风速。缺点是易受温度、湿度影响、需要外部电源、成本较高、探头相对脆弱。③超声波风速仪：利用超声波在空气中传播速度受风速影响而变化的原理来测量风速。优点是响应快、无转动部件、不干扰流场、可测三维风速及其脉动、维护方便。缺点是初始成本较高、在低风速下测量精度可能受影响、信号处理相对复杂。④激光雷达（Lidar）：利用激光束探测大气中的粒子（如空气分子、气溶胶）受风作用而产生的背向散射信号来反演风场信息。优点是测量范围大、非接触式测量、可连续自动测量、可获取空间分布信息。缺点是初始投资巨大、受大气能见度（粒子浓度）影响大、测量精度受多普勒频移分辨率限制、目前对湍流精细结构的探测能力仍在发展中。⑤系留气球/飞艇：携带各种气象传感器（包括风速风向仪）升空，进行高空大气湍流测量。优点是可到达较高高度（百米至千米级）、可进行剖面测量。缺点是部署和回收成本较高、测量平台稳定性和机动性有限、持续时间相对较短。五、计算题1.解：根据指数律公式U(z)=(u*/k)*ln(z/zo)。已知：U(10)=5m/s,u*=0.3m/s,k=0.4(常用卡门常数),z=50m,zo未知。首先需要确定摩擦速度u*和粗度长度zo的关系。通常u*与近地面风速和粗糙度有关，但题目未直接给出zo，且未提供足够信息反推。在缺乏具体地形信息时，有时会假设zo与地表特征相关，或题目意在考察指数律公式的应用形式。若按标准指数律形式处理，需假设或已知zo。此处假设题目意在考察公式应用，忽略zo不确定性。更严谨的处理是认识到题目可能遗漏了zo或u*与zo的关联信息。若假设地面粗糙度参数已知，则可解。但按现有信息，无法直接求解zo。若题目期望简化计算，可能需设定一个假设值。但严格来说，缺少zo无法完成计算。（修正思路）题目可能意图考察指数律的基本形式。若假设摩擦速度u*在10米和50米处变化不大（虽然物理上不准确，但可能是出题者的意图），或u*已知且与zo相关但此处未给，则无法直接计算。通常需要u*(z)的表达式或zo值。常见简化是认为u*在边界层内变化不大，或给出一个适用于该粗糙度的平均u*。此处信息不足，严格计算无法完成。（若强行按形式推导，需补充假设）例如，假设u*在10米和50米处取相同值，则需知道u*或zo。若无这些，无法计算。通常此类题目会给出完整条件。（基于常见题意，可能期望考察指数律本身，但条件不足）（重新审视题目条件，假设可能意图考察相对变化或给uo）题目条件可能不完整。若假设题目意在考察风速随高度增加的倍数关系，则可近似ln(z2/z1)≈(z2-z1)/z1*(1+ln(z1/zo))^-1(当z2>>z1时)。但这引入了未知的zo。更直接的是，若题目期望考察指数律形式，可能需要补充条件，如假设u*在10m和50m间变化不大，或直接给出50m处的u*。（结论：根据现有条件，无法直接计算50m处的风速。需要补充摩擦速度u*随高度变化的规律或地面粗糙度参数zo。）（作为模拟卷，若必须给出答案，可能需要引入一个合理的假设，但这违背了严格性。此处保留计算无法完成的结论更符合严谨性。）（假设出题者可能遗漏了zo，或期望学生认识到条件不足）（为完成试卷，此处提供一个可能的假设性解答框架，但结果无效）假设u*在10m和50m间不变，则ln(50/10)=ln(5)≈1.609=(50/10)*ln(z/zo)=>ln(z/zo)≈0.321。若假设zo=1m（仅为示例，无物理依据），则z≈1*e^0.321≈1.38m。这显然不合理，说明条件不足。（最终决定：明确指出条件不足）计算无法完成。缺少地面粗糙度参数zo或摩擦速度u*在50米处的值。2.解：顺风向风振荷载标准值（仅考虑脉动影响）通常表示为q_z=φ*w0*I*μ_z，其中：q_z是高度z处的顺风向风振荷载标准值（kN/m²或N/m²）；φ是风振系数；w0是基本风压（kN/m²）；I是风压脉动系数（无量纲）；μ_z是风压高度变化系数。题目仅给出了基本风压w0=0.6kN/m²，风振系数φ=1.25，高度z=10m，但未给出风压脉动系数I和风压高度变化系数μ_z。通常I和μ_z是根据地区、高度、地面粗糙度等参数确定的。风压脉动系数I通常与湍流强度和结构自振频率有关，或查表获得。风压高度变化系数μ_z根据地面粗糙度类别（题目未给出）和高度查规范或公式计算。例如，假设该地区地面粗糙度为B类，查规范得z=10m处的μ_z≈1.0（简化假设）。假设脉动系数I=0.5（简化假设）。则q_z=1.25*0.6*0.5*1.0=0.375kN/m²。（但请注意，这是一个基于过多假设的简化结果，实际计算需要完整参数。）（更严谨的表述）计算顺风向风振荷载标准值q_z=φ*w0*I*μ_z。已知φ=1.25,w0=0.6kN/m²。需要确定I和μ_z。缺少信息：①风压脉动系数I（与湍流特性、结构自振周期等有关）；②风压高度变化系数μ_z（与地面粗糙度、高度等有关）。无法在现有条件下完成精确计算。需要补充I和μ_z的具体值才能得到q_z。六、论述题1.大气湍流特性对高层建筑结构风致响应的影响机制是一个复杂的问题，主要体现在以下几个方面：①顺风向响应：湍流引起的脉动风压是高层建筑顺风向振动的主要驱动力。湍流强度越大，脉动风压的均方根值越大，导致结构的顺风向加速度和位移响应也越大。湍流尺度（积分尺度）影响脉动风的能量传递效率和结构响应的频率特性。通常，较大的湍流尺度有利于能量向更高频段传递，可能引发结构更高阶振型的参与。风速剖面形状（与湍流强度和尺度相关）也影响顺风向响应，如强剪切风场可能加剧结构扭转振动。②横风向响应（涡激振动）：湍流是诱发和维持结构横风向振动（涡激振动）的关键因素。当来流湍流中的涡旋与结构发生“锁定”时，结构的横向振动频率会锁定在涡街脱落频率上，可能导致共振，引起剧烈振动。湍流强度影响涡街的不稳定性，强湍流更容易引发锁频振动。湍流尺度影响涡旋的生成和脱落特性，进而影响锁频振动的幅值和频率。对于非圆形截面的结构，湍流还会引发附加的颤振（AeroelasticFlutter），其机理更为复杂。③扭转响应：结构的来流风场是非均匀的，湍流的存在使得来流风的不对称性加剧，产生绕结构竖轴的脉动力矩，从而引发结构的扭转振动。湍流强度越大，扭转响应通常也越强。结构的平面形状对扭转响应非常敏感。④风致疲劳：湍流引起的风荷载脉动是导致高层建筑结构（尤其是拉索、桁架、大跨度梁等构件）产生疲劳损伤的主要因素。脉动荷载的幅值和频率特性决定了疲劳损伤的累积速率和结构疲劳寿命。强湍流区域（如近地面、复杂地形附近）的脉动风压通常较大，疲劳风险更高。总体而言，大气湍流通过提供风荷载的脉动分量，驱动结构的振动；湍流的强度、尺度和空间分布特性深刻影响着结构在顺风向、横风向、扭转方向上的响应幅值、频率特性和疲劳风险。因此，在进行高层建筑抗风设计时，必须充分考虑当地大气湍流特性。2.利用数值模拟方法研究大气湍流对复杂体型建筑结构的影响，是风工程领域的重要手段，尤其适用于难以进行风洞试验或现场测试的情况。其主要过程和优缺点如下：主要过程：①建立几何模型：创建建筑物的精细化三维几何模型。②选择湍流模型：根据研究目的和计算资源，选择合适的湍流封闭模型。常用的有雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型（如Standardk-ε,SSTk-ω等）及其改进模型，以及大涡模拟（LES）和高保真直接数值模拟（DNS）模型。RANS模型计算效率高，适用于工程常规设计；LES模型能更真实地捕捉大尺度涡旋结构，精度更高，但计算量巨大；DNS理论上最精确，但计算成本极高，目前主要用于研究。③设定边界条件：定义计算域大小、边界类型（入口、出口、壁面）、来流风速、风向、湍流强度（