解密河北首家風(fēng)洞實驗室

1、解密河北首家風(fēng)洞實驗室 "呼風(fēng)喚雨"考驗重大工程（ 2009-07-14 08:46:31）稿件來源：河北日報    核心提示     要風(fēng)得風(fēng)，最大風(fēng)速可達(dá)80米/秒，是12級風(fēng)速的兩倍多；     要雨得雨，可模擬從小雨到大暴雨的各級降雨     有這等“呼風(fēng)喚雨”本事的是石家莊鐵道學(xué)院于近日建成的我省首家風(fēng)洞實驗室。     7月10日，風(fēng)洞實驗室正在進(jìn)行福建某熱電廠煤棚

2、的風(fēng)洞試驗，記者得以了解那“神奇”背后的力量。     “試驗是為保證大風(fēng)不能把屋頂刮跑”     7月10日上午8時多，當(dāng)記者趕到石家莊鐵道學(xué)院風(fēng)工程研究中心時，中心主任劉慶寬教授正和其他工作人員一起忙著做試驗前的準(zhǔn)備。     實驗室一工作間內(nèi)，記者看到，邯鄲市文化藝術(shù)中心結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載試驗?zāi)Ｐ鸵颜健跋戮€”，被擱置在此 這是第一個進(jìn)入該風(fēng)洞進(jìn)行試驗的項目。而在風(fēng)洞內(nèi)，按照1：125的比例縮小后的福建某熱電廠煤棚風(fēng)荷載試驗?zāi)Ｐ驼诒痪牡匕惭b在位于風(fēng)洞低速試驗段的轉(zhuǎn)盤上?！昂?/p>

3、單說，風(fēng)洞試驗就是人工制造大風(fēng)，看看建筑物抗風(fēng)能力有多大，最終目的是保證建筑設(shè)計合理，大風(fēng)不會把屋頂刮跑。”作為項目的合作者、北京大學(xué)湍流與復(fù)雜系統(tǒng)國家重點實驗室魏慶鼎教授指著實驗室內(nèi)的設(shè)備通俗地向記者解釋著?！按罂缍葮蛄海呗柦Y(jié)構(gòu)如電視塔，大跨空間結(jié)構(gòu)如水立方、鳥巢等，還有一些特種結(jié)構(gòu)如發(fā)電廠的冷卻塔等，由于風(fēng)荷載十分重要，都需要進(jìn)行風(fēng)洞試驗校驗?！眲c寬教授補充說：“前一陣子媒體熱炒的河北第一高樓開元環(huán)球中心，239米高，有53層，也需要通過風(fēng)洞試驗，為強度的設(shè)計和舒適度的檢驗提供依據(jù)。這個煤棚和邯鄲市文化藝術(shù)中心一樣，都屬大跨空間結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載復(fù)雜，有必要通過風(fēng)洞試驗確定具體荷載的大小。”

4、     走進(jìn)風(fēng)洞試驗段，里面是一個長方形的立體空間，視線所及，一邊是入風(fēng)口，一邊則是風(fēng)洞高速試驗段。     據(jù)介紹，該風(fēng)洞高速試驗段寬2.2米，高2米，長5.0米，最大風(fēng)速大于80.0米/秒，是12級風(fēng)風(fēng)速的兩倍多。假如這么大風(fēng)速的風(fēng)是從下往上吹的，可以讓四個疊加起來的人在空中飄浮。低速試驗段則寬4.0米，高3.0米，長24.0米，最大風(fēng)速大于30.0米/秒，接近12級風(fēng)。     風(fēng)洞入風(fēng)口處，設(shè)有5個三角形的尖劈，尖劈與試驗?zāi)Ｐ椭g的地板上，則精心地布置著一排排像磚頭

5、的粗糙元。“在風(fēng)洞試驗中，正是通過調(diào)整尖劈的角度和粗糙元的擺放，來模擬出與結(jié)構(gòu)當(dāng)?shù)叵嗨频娘L(fēng)環(huán)境?！眲c寬教授解釋說，按地表粗糙程度，設(shè)計規(guī)范將地貌分為A、B、C、D四類，每一類地貌對風(fēng)的摩擦及阻礙作用不同，造成風(fēng)速和湍流度沿高度變化的規(guī)律也不同。“有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)、起伏較大的丘陵地，屬于D類地貌；像邯鄲市文化藝術(shù)中心項目，位于B類地貌區(qū)域；海面、海岸、開闊地面、沙漠，則屬于A類地貌，此次進(jìn)行試驗的煤棚項目位于福建省沿海地區(qū)，在此列中。     劉慶寬告訴記者，7月9日下午，根據(jù)地貌類別的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，他們一直通過調(diào)整尖劈的角度和粗糙元的擺

6、放規(guī)律，來著力模擬目標(biāo)風(fēng)環(huán)境。傍晚時分，終于得到了十分理想的結(jié)果。     “兩個成人站在這兒，可以被吹得飄在空中”     上午近10時，一切準(zhǔn)備就緒，就要開始進(jìn)行試驗了。劉慶寬、魏慶鼎教授再次進(jìn)入風(fēng)洞中，仔細(xì)查驗每個細(xì)節(jié)。     記者留意到，熱電廠煤棚風(fēng)荷載試驗?zāi)Ｐ拖駜蓚€半球，其中左邊的半球模型內(nèi)外表面上布置了近二百個微小的孔洞，在每個孔洞下方都連接著傳感器，正是通過這些孔洞和傳感器測試模型在各個風(fēng)向角下的風(fēng)壓力，通過線路傳遞到計算機(jī)內(nèi)進(jìn)行存儲和分析，為進(jìn)一步的設(shè)計提供

7、風(fēng)荷載。     10時許，試驗正式開始了。從監(jiān)測屏幕上記者看到，風(fēng)洞低速試驗段的控制風(fēng)速為20.00米/秒，相當(dāng)于8級大風(fēng)；高速試驗段的風(fēng)速則為54.55米/秒，超過12級風(fēng)。     站在風(fēng)洞外，只聽到機(jī)器轟隆隆的聲音，里面的試驗?zāi)Ｐ?、粗糙元、尖劈卻未見動靜，讓人感覺不到風(fēng)的力量。     其實，外面看來風(fēng)平浪靜，里面卻是狂風(fēng)怒吼。     在高速試驗段下游，有一道寬約10厘米、平衡洞體內(nèi)外壓力差的“平衡縫”，記者忍不住伸進(jìn)手指，頓

8、時一股強大的風(fēng)“浪”撲手而來，再伸進(jìn)去一點，整個手掌不聽使喚，順風(fēng)向而彎，記者趕緊抽回手來。     據(jù)介紹，如人站在此伸手位置，可以讓兩個成人疊加起來在空中飄浮。     試驗進(jìn)行時，工作人員一直聚精會神地監(jiān)測著每個測點采集的數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行簡單的處理和分析，并做出初步判斷。認(rèn)為合格后，再轉(zhuǎn)入下一個工況進(jìn)行試驗。一個小時后，試驗結(jié)束了。     據(jù)了解，接下來的時間里，他們將對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行深入詳細(xì)地分析、繪制畫表、撰寫研究報告，為設(shè)計院提供設(shè)計依據(jù)。   

9、  在采訪中，記者發(fā)現(xiàn)，在上次邯鄲市文化藝術(shù)中心項目中采取的風(fēng)速和此次一樣，都是20米/秒。不同地域的項目為何采取相同的“風(fēng)考驗”呢？     據(jù)介紹，此類風(fēng)洞實驗，一般是為了得到一個抗風(fēng)設(shè)計荷載比值。結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀蠼y(tǒng)計的風(fēng)速值，計算出該結(jié)構(gòu)在設(shè)計風(fēng)速下的風(fēng)荷載，給設(shè)計方提供依據(jù)。經(jīng)過嚴(yán)格的理論計算，風(fēng)洞試驗風(fēng)速只有在合理范圍內(nèi)得出的比值才是準(zhǔn)確的，20米/秒的試驗風(fēng)速對于這兩個試驗都是很合適的。     據(jù)介紹，石家莊鐵道學(xué)院風(fēng)洞洞體第一、二拐角沿軌道可以移開，直接變回流風(fēng)洞為U型直流風(fēng)洞，這就

10、意味著，風(fēng)雨試驗、污染擴(kuò)散、質(zhì)量遷移等各種不能在回流風(fēng)洞中進(jìn)行的試驗，在這里都可以進(jìn)行。     “不能讓斜拉橋的斜拉索出現(xiàn)風(fēng)雨振”     在風(fēng)洞實驗室一工作間內(nèi)，記者看到許多帶噴頭的長管子。     “這就是模擬降雨系統(tǒng)?！眲c寬告訴記者，風(fēng)洞實施降雨時，就會使其裝在風(fēng)洞頂部的設(shè)施噴下雨滴來。大風(fēng)吹著雨滴斜著往下落的感覺，跟自然界的刮風(fēng)下雨很相似?！坝陱姶笥?5毫米/小時就是暴雨?！?    據(jù)介紹，石家莊鐵道學(xué)院風(fēng)洞實驗室引進(jìn)了中

11、科院某研究所研制的精確模擬降雨系統(tǒng)，可以模擬從毛毛雨到大暴雨的各級雨強的降雨，最大雨強甚至能達(dá)到240毫米/小時。     由于降雨不是此煤棚項目的試驗內(nèi)容，記者并未得見暴雨如何考驗工程。     “什么工程必須要經(jīng)受暴雨考驗？”     “通常斜拉橋的斜拉索都要經(jīng)受風(fēng)和雨的考驗。另外，降雨對其他結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能有什么影響，還沒有明確的結(jié)果，需要從基礎(chǔ)研究工作開始做起?！备械接浾哂行┻z憾，劉教授補充道。     據(jù)了解，斜拉橋的斜拉索在“

12、風(fēng)雨交加”的情況下容易發(fā)生大幅度的振動。世界最大跨徑的斜拉橋是我國的蘇通長江大橋，主跨徑為1088米，其最長的斜拉索為574米，將近標(biāo)準(zhǔn)體育場跑道一圈半的長度。     “如果采用傳統(tǒng)的光滑表面的斜拉索，很有可能發(fā)生大幅的風(fēng)雨振，危害大橋的安全。采用什么方法才能防止這種振動？這些研究都需要通過風(fēng)洞試驗來完成?！眲c寬說，通過模擬自然界的風(fēng)雨，他們測試“風(fēng)雨交加”下試驗?zāi)Ｐ偷氖芰η闆r和振動情況，受到的脈動力是什么性質(zhì)的，振動的振幅有多大、是什么性質(zhì)的振動，對其結(jié)構(gòu)的影響又會怎樣，應(yīng)該開發(fā)哪一類的減振措施     記者

13、了解到，目前他們正在進(jìn)行風(fēng)雨振的基礎(chǔ)研究，這項研究已得到了國家自然科學(xué)基金的資助。     “隨著中國城市化進(jìn)程的提速，越來越多大工程上馬，越來越多的建筑追求新、奇、特、高，就越需要在設(shè)計階段進(jìn)行風(fēng)洞試驗?！眲c寬對風(fēng)洞的前景非常看好。    鏈接    就是人為地建造一個管道，通過動力裝置驅(qū)動空氣在里面流動，同時把一些試驗?zāi)Ｐ桶惭b在風(fēng)洞中進(jìn)行測壓、測力、測振試驗，進(jìn)而對試驗對象的抗風(fēng)性能進(jìn)行評價，為設(shè)計提供依據(jù)，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計、消除安全隱患的目的。   &

14、#160; 據(jù)了解，在人類遭受的各種自然災(zāi)害中，風(fēng)災(zāi)給人類造成的經(jīng)濟(jì)損失超過其它自然災(zāi)害的總和，而我國是世界上風(fēng)災(zāi)最嚴(yán)重的國家之一。     近些年，風(fēng)洞已被廣泛地應(yīng)用于民用項目，特別是隨著我國大型土木工程越來越多，風(fēng)洞在其建設(shè)中發(fā)揮了巨大的作用。     除了建筑工程，其它領(lǐng)域也需要研究風(fēng)的影響。像汽車工業(yè)，什么樣式的汽車造型風(fēng)阻會最小，最節(jié)能？高速行駛時，運行是否安全？這也需要做風(fēng)洞試驗。目前世界上很多大的汽車公司有專門的汽車風(fēng)洞。另外，列車橫風(fēng)引起的側(cè)向傾覆問題也需要大量的風(fēng)洞試驗研究。  

15、;   風(fēng)洞試驗還可用于解釋某些體育項目的科學(xué)原理，幫助運動員提高競技水平。例如排球中的飄球、足球、香蕉球、乒乓球中的弧圈球，都蘊含著空氣動力學(xué)原理。     石家莊鐵道學(xué)院風(fēng)洞實驗室的風(fēng)洞有高低速試驗段串聯(lián)設(shè)計、回直流可調(diào)、模擬降雨系統(tǒng)等特點，不僅可用于土木、交通及其它工業(yè)的相關(guān)研究，也可勝任某些航空領(lǐng)域的相關(guān)項目研究。     小資料:風(fēng)洞檔案    1871年世界上出現(xiàn)了第一個低速風(fēng)洞 一個兩端開口的風(fēng)箱，風(fēng)箱長3.05米，截面為邊長47.5厘米的正方形。     真正現(xiàn)代意義上的風(fēng)洞是1916年德國廷根大學(xué)普朗特風(fēng)洞。     1934年，清華大學(xué)航空工程系自行設(shè)計了我國第一個中型低速風(fēng)洞。     20世紀(jì)60年代，我國低速風(fēng)洞的建設(shè)和使用初具規(guī)模。     國內(nèi)真正開始建造專門用于建筑和橋梁結(jié)構(gòu)試驗的風(fēng)洞始于上世紀(jì)90年代。