随着科技进步和经济发展,超高层建筑不断涌现,数量和高度每年在不断刷新纪录。建筑高度的增加使得风荷载逐渐成为超高层建筑结构安全和舒适性的控制性荷载,超高层建筑的气动噪声问题也越来越严重。因此开展超高层建筑的风荷载、风致响应和气动噪声研究非常重要。与现场测试和风洞试验相比,CFD具有计算结果可靠、无需模型制作、无测量设备干扰和方便可视化等优点,尤其是大涡模拟(LES)。本文基于大涡模拟对方形、方形凹角和方形切角断面超高层建筑的风场、风荷载和气动噪声进行了数值模拟,重点研究了角沿形式和修角率的影响。本文的主要工作和结论包括:(1)综述了超高层建筑抗风与角沿修正研究、超高层建筑气动噪声研究的现状及存在的问题。阐述了湍流控制方程、CFD数值模拟方法及适用性,重点论述了大涡模拟的基本理论和优势。详细论述了计算域设置、首层网格高度、边界条件、时间步长和湍流模型选择等CFD模拟质量控制要求。(2)针对随机流(RFG)技术在入口生成的湍流风场缺点,提出了通过调整湍流积分尺度提高模拟精度的方法。研究表明,B、C类地貌下湍流积分尺度调整系数分别为0.4和0.55时,模拟风场的特性与大气边界层较为相似。开展了B类地貌CAARC标准模型的LES分析,研究了湍流积分尺度对风荷载的影响。研究表明,B类地貌湍流积分尺度调整系数为0.4时,风场模拟结果与试验值吻合较好。随着湍流积分尺度的增大,平均运动的变形率向湍流脉动输入能量,平均风速出现略降,湍流强度出现略增,因而风压脉动性降低、分离流附着性增强;同时,基底弯矩谱和扭矩谱的峰值及高频段幅值、涡脱频率、平均阻力系数、风压系数均方根和负压区风压系数平均值均呈降低趋势。另外,湍流积分尺度对气动力的竖向相关性影响小,但对风压水平相关性的影响明显。(3)对方形和方形修角断面超高层建筑风荷载进行了LES研究,分析了角沿形式和角率对超高层建筑风压分布和风压相关性的影响。利用CFD流场可视化的优点,揭示了角沿修正对风压影响的内在机理。与方形模型相比,角沿修正能降低超高层建筑平均风压系数,背风面和侧风面受角率的影响显著,表现为角率越大、降幅越大。角沿修正会导致迎风角部风压系数较方形模型偏大。另外,角沿修正导致角部与主体面的风压相关性降低,也导致脉动风压谱高频段幅值减少,低频段幅值基本不变,脉动风压谱的能量分布更宽,也即漩涡脱落的能量分布频率范围更广,表明角沿修正使得迎风前缘的漩涡脱落强度降低,以及前缘分离流在侧面的再附能力增强,且切角模型分离流的再附着性较相同角率的凹角模型强。因此,平面切角处理的效果优于凹角处理。(4)基于LES建立了方形和方形修角断面超高层建筑的外加风荷载数学模型。研究了角沿形式、角率和地貌类别对超高层建筑的层气动力及其竖向相关性、基底弯矩和基底扭矩的影响。研究表明,角沿修正导致层阻力系数、层升力系数、层扭矩系数、基底横风向弯矩系数和基底顺风向弯矩系数的平均值均较方形小,且角率越大,降幅越明显。角沿修正会增大基底顺风向弯矩系数均方根,且随角率的增大,其增幅也大。另外,凹角模型基底弯矩平均值和均方根值均较相同角率的切角模型大。基底弯矩功率谱随角率的增大,谱峰值逐渐下降,高频段出现衰减,谱曲线由“窄带谱峰”向宽频带转变。角率越大,高频段普曲线衰减越明显,尤其以切角模型表现最为显著。(5)通过LES获得了作用在超高层建筑上的风荷载并开展了风致响应分析。研究表明,随着风向角的增大,各建筑顶部位移和加速度均减小。对顶部顺风向位移和加速度,凹角和切角处理具有相同的降低效果,且角率越大,降幅越大;对顶部横风向位移和加速度,切角建筑随角率的增大均显著降低,但凹角建筑不同凹角率间的降幅差别不大。从降低超高层建筑顶部位移和加速度考虑,切角处理优于凹角处理,尤其是横风向,角率越大,效果越明显。(6)开展了高雷诺数圆柱绕流的大涡模拟研究,得到的平均阻力系数、脉动升力系数,特别是涡脱St数与文献报道的吻合较好。研究表明,圆柱的涡脱能量集中在一个有限的频带上。圆柱表面的脉动压力来源于其表面交替的漩涡脱落,升力主要来自涡脱频率附近圆柱上、下表面脉动压力的反相部分,阻力源于2倍涡脱频率附近圆柱上、下表面脉动压力的同相部分。开展了二维圆柱和地面直立三维圆柱绕流及气动噪声数值模拟。研究认为,圆柱气动噪声属于偶极子声,声场的辐射强度受圆柱表面的脉动力主导,降低表面脉动力是降噪最有效的途径。(7)通过对Fluent软件二次开发,开展了超高层建筑气动噪声数值模拟研究,揭示了气动噪声产生的机理,分析了声场声压级空间分布特征和传播特性以及角沿修正、地面效应和风向角对声场声压级的影响。结果表明,超高层建筑每个面声源均是偶极子声,顺流向的脉动力和横风向的脉动力分别主导相应方向的声场辐射强度,降噪的关键是降低其表面脉动力。角沿修正对顺流向总声压级值影响很小,但对横风向影响较大。角率不大于5%时对声场辐射强度的影响很小,但角率不小于10%时,总声压级值明显降低,虽然顺流向总声压级降幅很小,但横风向总声压级降幅显著;角率越大,声压辐射强度降幅越大。地面效应导致总声压级沿高度方向先增后减,在离地0.1H增幅最大、0.7H增幅最小,且背风面增幅最大、迎风面最小。另外,地表粗糙度越大,总声压级增幅越大。