風洞試驗研究綜述

1、風洞試驗研究綜述姓名：許德 學(xué)號要：本文介紹了大氣邊界層風洞的發(fā)展過程和模擬方法。大氣邊界層的模擬方法主要有主動模擬方法和被動模擬方法，前者包括多風扇風洞技術(shù)與振動尖塔技術(shù)，后者采用尖劈、粗糙元、擋板、格柵等裝置進行模擬。被動模擬技術(shù)較為經(jīng)濟、簡便，所以得到了廣泛采用。關(guān)鍵詞：風洞；大氣邊界層；主動模擬；被動模擬.Performance of Simulation of Atmospheric Boundary Layer in Wind TunnelsxudeAbstract：In this paper , the simulation of atmospheric

2、 boundary layer are introducted from the history of the development and the methods of the technology. The methods of atmospheric boundary layer simulation contain active simulation and passive simulation. The active simulation mainly include multiple fans wind tunnel technology and vibratile spire

3、technology. The equipments of the passive simulation main include spire, roughness element, apron and gridiron. The passive simulation technology is simple and economical, so it has been widely used.Key words：wind tunnel; atmospheric boundary layer; active simulation; passive simulation. 一、引言1940年，美

4、國塔科馬懸索橋由于風致振動而破壞的風毀事故,首次使科學(xué)家和工程師們認識到了風的動力作用的巨大威力1。在此之前， 1879年發(fā)生了蘇格蘭泰橋的風毀事故已經(jīng)使工程師們認識到風的靜力作用。塔科馬橋的風毀開始了土木工程界考慮橋梁風致振動的新時期，并以此為起點, 發(fā)展成為了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)風工程學(xué)。結(jié)構(gòu)風工程研究方法可分為現(xiàn)場測試、風洞試驗和理論計算三種。現(xiàn)場測試方法是一種有效的驗證理論計算和風洞試驗方法和結(jié)構(gòu)的手段；然而，現(xiàn)場測試需要花費巨大，試驗環(huán)境條件很難人為控制和改變。與現(xiàn)場測試方法相比，風洞試驗兼具直觀性和節(jié)約的優(yōu)點，同時可以上人為地控制、調(diào)節(jié)和重復(fù)一些試驗條件，是一種很好的研究結(jié)構(gòu)風工程現(xiàn)象的變參數(shù)

5、影響和機理的手段。近些年來隨著流體力學(xué)和計算機技術(shù)的發(fā)展，計算流體動力學(xué)逐漸成為風工程研究中越來越重要的工具。然而，由于風工程問題的復(fù)雜性，要深入了解由于空氣流動所引起的許多復(fù)雜作用，風洞試驗仍然是起著非常重要的作用。在整個50 年代和60 年代初，建筑物和橋梁風洞試驗都是在為研究飛行器空氣動力學(xué)性能而建的“航空風洞”的均勻流場中進行，而試驗結(jié)果往往被發(fā)現(xiàn)與實地觀測結(jié)果不一致，原因顯然在于風洞中的均勻氣流與實際自然風的紊流之間所存在明顯差別。1950 年代末，丹麥的杰森對風洞模擬相似率問題作了重要的闡述，認為必須模擬大氣邊界層氣流的特性。1965 年，加拿大西安大略大學(xué)建成了世界上第一個大氣邊

6、界層風洞，即具有較長試驗段、能夠模擬大氣邊界層內(nèi)自然風的一些重要紊流特性的風洞。緊接著，在美國的科羅拉多州立大學(xué)，舍馬克教授也負責建造了一個大氣邊界層風洞，并首次用被動模擬方法對大氣邊界層的風特性進行了模擬，使結(jié)構(gòu)抗風試驗進入了精細化的新階段，世界各地也隨之陸續(xù)建成了許多不同尺寸的邊界層風洞，從而大大促進了結(jié)構(gòu)風工程的研究。在早期的風洞中,大氣邊界層主要研究大氣剪切流場的模擬.而在近期,除注意剪切流場的模擬外,已認識到流場湍流結(jié)構(gòu)特性模擬的重要性,特別對大跨橋梁、高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)的風載和風振試驗有十分重要的意義.二、大氣邊界層風洞簡介2.1風洞試驗的概念風洞是指一個按一定要求設(shè)計的、具有動力

7、裝置的、用于各種氣動力試驗的可控氣流管道系統(tǒng)2。雖然實際風洞有多種多樣的形式，以適應(yīng)不同的研究要求，但是從流動方式來看，總體上可劃分為兩個基本類型：即閉口回流式風洞和開口直流式風洞。而從風洞試驗段的構(gòu)造來看又有封閉式和敞開式之分。圖1.閉口回流式風洞風洞試驗?zāi)壳笆墙Y(jié)構(gòu)抗風研究中最主要的方法。借鑒航空領(lǐng)域的技術(shù)和方法，風洞試驗在土木工程結(jié)構(gòu)的抗風研究中發(fā)揮了巨大的作用。但相比而言，土木工程結(jié)構(gòu)的模型試驗和航天航空器的模型試驗有很多不同之處。前者外形非常復(fù)雜，而后者則相對簡單；前者處在高湍流的近地風場中且風場變化類型多，而和后者相關(guān)的流動則是低紊流流動；此外，前者尺度大，因而模型縮尺比例小，導(dǎo)致雷

8、諾數(shù)模擬的難度比后者更加突出；前者處在低速流動中，不需要考慮流體的壓縮性，而后者則需考慮流動的壓縮效應(yīng)，等等。相對于航空風洞來說，用于土木工程結(jié)構(gòu)的風洞一般都是風速較低的低速風洞，并且通常采用封閉式試驗段。為了能在風洞中對建筑結(jié)構(gòu)所處的大氣邊界層風場進行合理的模擬，其試驗段長度一般較大，因此，也被稱為邊界層風洞。早在1894年丹麥人J.O.V. Irminger在風洞中測量建筑物模型的表面風壓，然而直到1931年為了確定帝國大廈的設(shè)計風荷載，研究人員利用航空風洞進行了專門的模型風試驗，風洞試驗才成為研究結(jié)構(gòu)風荷載的重要手段。1940年美國舊塔科馬海峽大橋發(fā)生風振坍塌事故后，人們才開始逐步研究并

9、認識風對結(jié)構(gòu)的動力作用。1950年，為了探究塔科馬海峽橋的風毀事故的確切原因，美國華盛頓州立大學(xué)的法庫哈森教授通過全橋氣彈模型風洞試驗，成功地重現(xiàn)了塔科瑪海峽大橋的顫振風毀現(xiàn)象，并對對橋梁的風振振動進行了研究，這也是第一次結(jié)構(gòu)氣彈模型試驗。結(jié)構(gòu)風洞試驗開始成為結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計和檢驗的重要手段而得到普遍發(fā)展，許多學(xué)者把研究機翼顫振的風洞試驗方法引用到了橋梁的顫振研究，取得了一定的成果。1950 年代末，丹麥的杰森提出了建筑結(jié)構(gòu)風洞試驗必須模擬大氣邊界層氣流的特性。1965 年，在達文波特負責下，加拿大西安大略大學(xué)建成了第一個大氣邊界層風洞，即具有較長試驗段、能夠模擬大氣邊界層內(nèi)自然風的一些重要紊流特

10、性的風洞。隨后，在美國建成了第一個用被動模擬方法對大氣邊界層風特性進行了模擬的結(jié)構(gòu)風洞，使結(jié)構(gòu)抗風試驗進入了精細化的新階段，世界各地也隨之陸續(xù)建成了許多不同尺寸的邊界層風洞，從而大大促進了結(jié)構(gòu)風工程的研究。2.2大氣邊界層的概念按照大氣運動的動力學(xué)性質(zhì)可以將對流層中的大氣沿垂直方向粗略地分為上部自由大氣層和下部的大氣行星邊界層。受粗糙地表的摩擦而引起的阻滯作用的影響，大氣邊界層中的氣流在近地表處的速度明顯減慢，并在地表處降為零。而由于相鄰氣層之間的紊流摻混使得這種地表阻滯或摩擦的影響可擴展到整個大氣邊界層，并在沿高度方向各氣層之間產(chǎn)生剪切應(yīng)力。嚴格地講，大氣邊界層的高度可達11.5km，在此范

11、圍內(nèi)，風速是隨高度的變化而變化。再往上就是自由大氣層，地表摩擦力對大氣運動的影響可以忽略，氣層之間的剪切應(yīng)力基本等于零。在自由大氣層中，無加速的空氣相對于地表的水平運動可以通過氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力和離心力之間的平衡來確定，風向與等壓線保持一致，風速與高度無關(guān)。 圖3.對流層結(jié)構(gòu)示意圖圖4.大氣邊界層中的風速螺旋線大氣流體動力學(xué)中，把氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力和離心力到達平衡的、與高度無關(guān)的定常風速稱為梯度風速，常用UG 表示，邊界層高度也因此而常被稱為梯度風高度。當所關(guān)心的區(qū)域遠離氣象系統(tǒng)中的低壓或高壓區(qū)時，等壓線的半徑很大，曲率很小，可近似為直線，此時可忽略作用在空氣微團的離心力，與高度無關(guān)的

12、定常風速由氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力的平衡條件確定，成為地轉(zhuǎn)風速。在大氣邊界層中，由于粗糙地表產(chǎn)生的摩擦力的影響，風向與等壓線成一定的夾角。隨著高度的增加，地面摩擦效應(yīng)的影響逐漸降低，這種夾角也越來越小，在梯度風高度處，夾角降為零，風向與等壓線一致。大氣邊界層內(nèi)風速風向隨高度的這種變化規(guī)律可用如圖5.3所示的螺線來描繪，從地面至邊界層高度頂，風向角的變化約為20。由于土木工程結(jié)構(gòu)均建在大氣邊界層中，因此大氣邊界層內(nèi)的風特性是土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計者最為關(guān)心的。三、大氣邊界層的風特性風特性研究是風工程的基礎(chǔ)工作。過去, 關(guān)于風的資料主要來源于各氣象站約10米高風標上所安裝的旋轉(zhuǎn)杯式風速儀。這種于1846

13、年發(fā)明的風速儀至今還在使用, 但由于儀器的慣性大, 它所測量的是有一定時距的平均風。近50 年來, 測風儀器有了巨大的進步, 從較靈敏的螺旋槳式風速儀發(fā)展到激光、超聲以及微波風速儀, 可用來測量空氣的微小瞬時運動。經(jīng)過長期的現(xiàn)場實測，近地風可處理為平均風速和脈動風速的疊加；平均風速沿高度可用對數(shù)律或冪函數(shù)來描述，而脈動風的主要特征是紊流度、脈動風速自功率譜和互功率譜、紊流尺度等。其他風特性參數(shù)，例如陣風因子、摩阻速度以及空間相關(guān)函數(shù)等可以認為是這些關(guān)鍵特性的延拓和補充。在初步掌握這些重要特性的基礎(chǔ)上，給出了這些特征量的推薦值和推薦公式。盡管人們在強風分布及結(jié)構(gòu)響應(yīng)的實測方面做了很多努力，但是，

14、由于強風分布特性現(xiàn)場實測的費用大、周期長、難度大，人們對近地風特性的認識還遠不清楚。目前國際上常用的幾種脈動風速功率譜值（Davenport 譜, Kaimal 譜和Karman 譜等）在某些重要頻段內(nèi)相差很大，甚至以倍計。脈動風速相干函數(shù)指數(shù)的推薦范圍上下限的不同取值可能造成結(jié)構(gòu)響應(yīng)計算值的成倍差別。臺風的平均風剖面和紊流結(jié)構(gòu)及登陸后的衰減特性如何？此外，人們對特殊地形（包括我國西部地區(qū)復(fù)雜地形）的強風分布特性的理解也還甚淺。風參數(shù)的不確定性是影響結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計精度最重要的因素。 a).瞬時風速b).平均風速c).脈動風速圖5.實測瞬時風速的分解四、大氣邊界層模擬方法研究現(xiàn)狀在風洞中正確重現(xiàn)大

15、氣邊界層的流動特性, 是風洞模擬試驗結(jié)果具備可信性的必要條件, 也是風工程研究重要的基礎(chǔ)工作3。20世紀80年代以來大氣邊界層風特性的模擬技術(shù)，特別是大尺度湍流的模擬技術(shù)有了較大的發(fā)展；一些專用的測試設(shè)備和實驗儀器研制成功，使得各種氣象、地面和地形條件能夠更好地在風洞中模擬，研究風載、風振的能力提高。大氣邊界層湍流的風洞模擬技術(shù)按照有無控制部件可分為主動模擬和被動模擬兩類。被動模擬主要靠障礙的尾流形成分離漩渦模擬大氣湍流，目前主要利用尖劈、格柵、擋板和粗糙元來實現(xiàn)。主動模擬有兩種方式，一種是依靠震動機構(gòu)本身運動作為風洞中氣流注入隨機的脈動能量來實現(xiàn)，主要有震動翼柵、震動尖塔；另一種為變頻調(diào)速風

16、扇陣列。 依靠運動機構(gòu)向風洞中的氣流注入隨機脈動能量, 激勵湍流渦旋的形成。4.1大氣邊界層被動模擬技術(shù)20世紀60年代后期，研究人員發(fā)現(xiàn)格柵尾流可以制造出適當?shù)奈擦鲌觯煌瑢挾群烷g距的平板格柵在風洞下游足夠遠處形成各向同性湍流，湍流的強度與尺度一般與平板的寬度有關(guān)4,5。采用變間距布置的平板格柵可以近似的模擬出大氣邊界層風速剖面6，但這項技術(shù)并沒有廣泛的應(yīng)用。得到廣泛應(yīng)用的是通過劈尖與粗糙元的組合實現(xiàn)了風速剖面與湍流剖面的模擬7。此后伴隨著風工程實驗技術(shù)的發(fā)展，利于劈尖和粗糙元的被動模擬技術(shù)一直沿用至今。Irwin8最早給出了基于劈尖和粗糙元阻力和動量分析的三角形劈尖設(shè)計經(jīng)驗公式，但實際應(yīng)用

17、中會遇到對不同風洞斷面的普適性難題。Sill911等人的研究則集中在立方體粗糙元的尺寸和排列方式與粗糙參數(shù)的關(guān)系上。理論上講，近地的自然風剖面是由于大氣大尺度渦旋作用和地面摩擦共同形成的1，兩者在風速的模擬上扮演者不同的角色。劈尖的作用是在風洞中形成大尺度渦旋迎風板的寬度決定了渦旋的大小和湍流的脈動強度；而粗糙元則相當于實際的地面粗糙物，以調(diào)整平均風速和湍流度的剖面分布。然而，尖塔下寬上窄的形狀導(dǎo)致積分尺度隨高度增加而減小，這與實際情況恰好相反。因此，僅強調(diào)尖劈或粗糙元的作用都是片面的，而且，風洞斷面尺寸的不同也會影響一些經(jīng)驗公式的使用，這導(dǎo)致各個風洞都必須建立適用于自己的模擬裝置12,13。

18、H.J. Ham和龐加斌分別采用了不同的非三角形尖劈，較好地模擬出大縮尺比下的流場特性，滿足了低矮建筑物和橋梁的抗風試驗研究。石碧青等人采用曲邊梯形尖塔，其一定寬度的上底邊長保證了在邊界層較高的高度能夠保持較大的湍流度，尖塔寬度隨著高度降低而緩慢增加，不至于使得風洞底層的堵塞度過大而導(dǎo)致難于協(xié)調(diào)小地貌指數(shù)和高湍流度之間的矛盾，最終模擬得到的邊界層上部具有較高湍流度，整個湍流度分布較為合理。4.2大氣邊界層主動模擬技術(shù)被動模擬技術(shù)可以很好地模擬各種地貌和模型比例的平均風速和湍流度剖面，但是對湍流功率譜和積分長度的要求難以滿足。主動模擬技術(shù)可以彌補其這方面的不足。該技術(shù)通過向流場內(nèi)注入適當頻率的機

19、械能，增強低頻成分湍流動能，從而改善功率譜和積分長度的模擬。這其中最成功的兩類技術(shù)為震動翼柵4和多風扇風洞14。圖6.多風扇風洞系統(tǒng)示意圖美國科羅拉多州立大學(xué)邊界層風洞進口處裝有兩列可控的震動翼柵，可在416s的周期范圍內(nèi)隨機振動，使得下層的邊界層剖面和湍流結(jié)構(gòu)能滿足1:100縮比風洞試驗；日本宮崎大學(xué)的多風扇風洞則可以再現(xiàn)與自然風湍流一致的脈動風速時程15，模擬風的時程即使風速突變也可與目標曲線吻合的相當好。震動翼柵裝置雖然成本較低，但是智能模擬二維平均流場，對于模擬復(fù)雜流暢同樣捉襟見肘，并且模擬的準確度和模擬流場的穩(wěn)定性還存在著一定的問題。多風扇風洞可以準確模擬各種流場，但是設(shè)備造價昂貴維

20、護成本高，目前只在小實驗斷面中成功應(yīng)用對于大風洞斷面還有更多的問題有待解決。五、大氣邊界的模擬中需進一步探討的問題5.1大氣邊界層風特性研究風特性研究是風洞試驗的基礎(chǔ)，更是大氣邊界層模擬的重要理論依據(jù)，在這個問題上應(yīng) 進行長期的系統(tǒng)性的風特性現(xiàn)場實測采用高精度、抗干擾能力強的風速測量系統(tǒng)，測量近地風特性，特別關(guān)注臺風的平均風剖面分布、紊流度分布和紊流譜結(jié)構(gòu)，盡量能獲得紊流尺度和空間相關(guān)性的實測數(shù)據(jù)；測量臺風登陸后的衰減規(guī)律；研究臺風的非平穩(wěn)性。同時著重現(xiàn)場實測研究特殊地形的強風分布特性，選擇有代表性的地貌條件，結(jié)合現(xiàn)場實測和風洞試驗，更深入地掌握典型特殊地貌條件下的風速分布特征，給出定量描述。

21、5.2大氣邊界層模擬方法研究新的被動或主動模擬方法，提高模擬風場的紊流度和紊流尺度，模擬紊流尺度隨高度增加而增加的方法；研究雷暴和龍卷風的模擬方法；結(jié)合現(xiàn)場實測、風洞試驗和數(shù)值模擬研究，更深入地掌握特殊地貌條件下的平均風和脈動風的分布規(guī)律。六、結(jié)論隨著風工程試驗要求的不斷提高大氣邊界層風洞模擬技術(shù)需要不斷改進，縱觀邊界層風洞的研究現(xiàn)狀，被動的劈尖和粗糙元仍然是常用的湍流邊界層模擬裝置。近10年來日本出現(xiàn)的多風扇模擬技術(shù)引人關(guān)注，但與完善準確的模擬自然風仍然有一定的差距。常用的三角形劈尖與粗糙元能夠有效地模擬不同粗糙度地形的平均風速剖面模擬湍流度隨披肩底部增大而增加，隨離地高度增加而減少。模擬脈

22、動風速功率譜和積分尺度在一定范圍內(nèi)符合實際，但隨著高度增加湍流積分尺度減少，脈動風速功率譜曲線向高頻偏移。三角形劈尖和粗糙元模擬適合幾何縮比在1/5001/300范圍內(nèi)模型風洞試驗。采用異性劈尖改善湍流度剖面模型使得平均風速剖面與湍流度剖面同時滿足較大的幾何縮比（1/150）、平坦地形的邊界層模擬。增加劈尖寬度湍流積分尺度略有增大但是劈尖下寬上窄的特點決定，其不合理的積分尺度模擬成為其不可可克服的缺陷。主動模擬技術(shù)通過向流場注入低頻能量能大大提高湍流積分尺度，尤其是多風扇系統(tǒng)。采用變頻調(diào)速和反饋控制技術(shù)不僅可以重現(xiàn)目標風速譜，還能模擬目標脈動風速時程完全符合實際大氣。但是多風扇反饋測量技術(shù)僅限于縱向脈動風速和功率譜，如何將橫向和垂直方向的分量納入反饋系統(tǒng)還需要進一步的探討和研究。主動模擬與被動模擬的發(fā)展各有優(yōu)缺點，如果二者能相互取長補短即使得模擬的平均風速剖面、湍流度剖面、功率譜與湍流積分更趨向?qū)嶋H情況同時不致使裝置太復(fù)雜成本太高，將能更好的將這項技術(shù)推向應(yīng)用。參考文獻：1 黃本才. 結(jié)構(gòu)抗風原理及應(yīng)用M. 上海: 同