風洞試驗技術介紹及應用[通用]

1、風洞試驗技術介紹及應用 余世策 建工學院實驗中心 2014.2一、風洞簡介什么是風洞 風洞是指一個按一定要求設計的、具有動力裝置的、用于各種氣動力試驗的可控氣流管道系統(tǒng)。風洞的分類 1. 按流動方式分：閉口回流式風洞和開口直流式風洞 2. 按風速大小分：低速風洞，高速風洞和高超聲速風洞 3. 按風洞試驗段的構造分：封閉式風洞和敞開式風洞 4. 按風洞的功能分： 航空風洞，建筑風洞， 環(huán)境風洞，汽車風洞 1. 洞體： 動力段、擴散段、穩(wěn)定段、收縮段、試驗段、蜂窩器、阻尼網(wǎng) 2. 動力驅(qū)動系統(tǒng)： 直流調(diào)速器/交流變速器控制電機驅(qū)動風扇 3. 測控系統(tǒng)： 速壓控制、/機構控制、移測架控制、風壓(速)

2、測量系統(tǒng)等低速風洞的組成邊界層風洞 相對于航空風洞來說，用于土木工程結構的風洞一般都是風速較低的低速風洞，并且紊流度要求不高，用于土木工程結構的風洞一般擁有較長的試驗段，以模擬大氣邊界層風場，因此，常被稱為邊界層風洞。 國內(nèi)近年興建的邊界層建筑風洞： 湖南大學(2004), 長安大學(2004), 大連理工大學(2006), 中國建科院(2007), 西南交通大學(2007), 哈爾濱工業(yè)大學(2008), 石家莊鐵道大學(2009)，浙江大學(2010)中國建科院直流式邊界層風洞長安大學回流式邊界層風洞ZD-1邊界層風洞簡介風洞類型：閉口回流風洞結構類型：立式混合結構風洞試驗段類型：單試驗段

3、風洞風速類型：低速風洞建成時間：2010年10月ZD-1邊界層風洞照片ZD-1邊界層風洞技術參數(shù)與特色主要技術參數(shù)：風洞尺寸：試驗段尺寸為4m(寬)3m(高)18m(長)試驗段風速范圍：3-55m/s，控制精度：優(yōu)于1.0%試驗段轉(zhuǎn)盤：前轉(zhuǎn)盤直徑1.5m，后轉(zhuǎn)盤直徑2.5m主要特色：試驗斷面大、風速高、流場品質(zhì)好；應用范圍廣:涵蓋建筑、橋梁、交通、工業(yè)空氣動力學、航空航天領域；配有全國領先的移測架，能實現(xiàn)風速實時移測。二、風洞測試技術風速測試技術風壓測試技術風力測試技術風速測量技術皮托靜壓管（Pitot-static tube） 對于低速（即風速不超過0.3倍音速，約100m/s）、不可壓縮的

4、流動，沿某一流線作穩(wěn)定流動的不可壓縮無粘性氣流應滿足下述伯努力方程： 常與微壓計（補償式、傾斜式）相連用來測定來流的平均風速皮托靜壓管原理圖風速測量技術熱線（膜）風速儀（hot wire/film anemometer）原理：利用探頭上的熱線（膜）在氣流流過時由于散熱量增加而降溫從而導致電阻變化的原理來測量風速。能測定高頻動態(tài)風速，測量精度取決于標定熱線用直徑只有幾微米的合金細絲制成，因非常脆而容易斷裂，且價格昂貴風速測量技術Irwin探頭原理：它由一個帶有較深靜壓孔的圓柱形基座和一根安裝于靜壓孔中央的細長探頭管組成。探頭管外徑一般在1mm 左右，靜壓孔的直徑略大于探頭管。探頭管應軸對稱地安裝

5、在靜壓孔的中央，其高出基座頂面的高度由行人高度和模型試驗的幾何縮尺比確定。試驗中，來流風速時程u(t) 可以按照下式確定： u(t) = A+ BP0.5能測定任意方向來流風速，成本不高風壓測量技術微壓計補償式微壓計傾斜式微壓計原理：以流體靜壓力基本方程為基礎 ,根據(jù)液柱受壓時液柱高度發(fā)生變化來度量空氣壓力的大小用途：主要用來測定靜態(tài)風壓和風速的監(jiān)測風壓測量技術微壓差變送器微壓差變送器原理：將兩個壓力引入一張膜片（膜盒）的兩邊，由于兩個壓力差（差壓）引起膜片產(chǎn)生位移或位移的趨勢（力），然后將這種位移量或作用力，轉(zhuǎn)化為電量或其它標準信號輸出。用途：主要用來風速閉環(huán)控制以及測定高頻風壓風壓測量技術

6、電子壓力掃描閥原理：利用多通道的傳感器（ZOC）進行多點壓力的測量和數(shù)據(jù)采集，并利用數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（DSM或DSA模塊）和微處理器對數(shù)據(jù)進行處理。 工作方式：多通道模塊高速掃描，模塊間相同通道同步采集。 工作原理圖 主機 模塊 用途：主要用于同步測定多點高頻動態(tài)風壓。 風力測試技術天平 測力天平是直接測量作用在結構物模型上靜風荷載（空氣動力）的一種測量裝置，簡稱天平。 天平可以將作用在模型上的靜風荷載按天平的直角坐標系分解成三個互相垂直的力分量和繞三個坐標軸的力矩分量，并分別測量。天平分類 按測力原理分：機械天平、應變天平、壓電天平和磁懸浮天平 按所測分量分：單分量天平、三分量天平、五分量天平和

7、六分量天平 按安裝型式分：外式天平、內(nèi)式天平 按頻率響應分：靜力天平、高頻天平天平測力技術ZD-1風洞精密儀器介紹熱線風速儀品牌：DANTEC出產(chǎn)地：丹麥量程：0.560m/s精度：1.5%或0.02m/s采樣頻率：10kHz通道數(shù)：4通道購置時間：2010.9ZD-1風洞精密儀器介紹電子壓力掃描閥品牌：SCANIVALVE出產(chǎn)地：美國量程： 2500Pa精度： 0.15F.S.采樣頻率：625Hz模塊數(shù)：8同步測壓數(shù)：512通道購置時間：2010.9三、邊界層風洞在風工程研究中的應用相似理論大氣邊界層流場模擬氣動剛性模型測壓試驗氣動剛性模型測力試驗氣動彈性模型測振試驗相似理論風洞實驗的基礎：

8、繞模型的流動和繞原型的流動相似流動相似的五大要素：幾何相似最基本的流動相似條件運動相似速度和加速度場的相似動力相似同名作用力場的相似質(zhì)量相似密度場的相似熱力相似溫度場的相似相似理論相似準則斯特拉哈數(shù)：非定常慣性力與定常慣性力的比值歐拉數(shù)：流體壓力與流體慣性力的比值雷諾數(shù)：流體慣性力與流體粘性力的比值弗勞德數(shù)：流體慣性力與重力的比值柯西數(shù)：結構彈性力與流體慣性力的比值慣性參數(shù)：結構慣性力與流體慣性力的比值阻尼參數(shù)：無量綱阻尼比相似理論基本縮尺比第一基本縮尺比：幾何縮尺比風洞的尺寸結構的尺寸風洞堵塞度模型順風向投影面積/風洞試驗段截面積6%模型制作的精度和難度湍流積分尺度第二基本縮尺比：風速比風洞

9、的最大風速設計風速結構承受的最大風力考慮重力影響第三基本縮尺比：密度比1相似理論導出縮尺比時間、頻率縮尺比位移、加速度縮尺比彈性模量、剛度縮尺比力的縮尺比結構質(zhì)量、質(zhì)量慣性矩縮尺比大氣邊界層流場模擬大氣邊界層風特性平均風剖面：描述平均風速沿高度的變化規(guī)律，常用指數(shù)率紊流度剖面：描述相對紊流強度沿高度的變化規(guī)律功率譜：描述紊流運動強度隨頻率的分布情況，即不同尺度旋渦的運動對風速脈動的貢獻程度，順風向功率譜常采用Karman譜湍流積分尺度：描述氣流中各種旋渦沿某一方向的平均尺度，順風向湍流積分尺度介于100300m，隨高度增大而增大大氣邊界層流場模擬大氣邊界層流場的被動模擬技術利用格柵、尖劈和粗糙

10、元等被動紊流發(fā)生裝置形成所需模擬紊流優(yōu)點：價格較低，應用方便缺點：參數(shù)變化困難平板格刪紊流場模擬尖塔陣和粗糙元模擬邊界層流場ZD-1風洞特色流場調(diào)試技術多功能尖劈組合裝置和可移動粗糙元相結合三維移測架與風速排管聯(lián)合調(diào)試平均風速與脈動風速、豎向風剖面和橫向均勻性兼顧氣動剛性模型測壓試驗主要對象：低矮建筑高層建筑體育場館會展中心等目的：確定結構物表面風壓（系數(shù)）平均風壓脈動風壓確定結構體型系數(shù)確定結構物的面/線荷載應用：建筑物幕墻、屋蓋等覆面設計 瞬時風荷載主結構設計靜力風荷載 - 平均風荷載結構風致振動響應分析（動荷載、位移、加速度 ) 脈動風荷載方法：均勻流場格柵紊流場大氣邊界層流場剛性不變體

11、壓力傳感器系統(tǒng)表面風壓氣動剛性模型測壓試驗相似準則：幾何相似一般無需模擬結構的剛度、質(zhì)量和動力特性等對于紊流場試驗時間和頻率的相似脈動風特性：紊流度、功率譜和紊流積分尺度對于大開孔脈動內(nèi)壓試驗結構剛度和氣動剛度的相似氣動剛性模型測壓試驗風壓測量系統(tǒng)示意圖氣動剛性模型測壓試驗模型制作原則：幾何相似嚴格模擬被測建筑主體結構的外形幾何縮尺比的確定堵塞率模型順風向投影面積/風洞試驗段截面積5%主建筑內(nèi)部空間和掃描閥模塊的尺寸數(shù)量適度考慮紊流積分尺度的相似性需要模擬以主建筑為中心300500m半徑范圍內(nèi)的周邊環(huán)境模型材料：有機玻璃、塑料、木材等，保證試驗過程中不發(fā)生顯著振動雷諾數(shù)效應對策：對于光滑曲面部

12、分，需要進行適當?shù)谋砻娲植诨幚須鈩觿傂阅Ｐ蜏y壓試驗測點布置原則：原型結構每120m2表面內(nèi)不少于1個測壓點根據(jù)建筑物表面不均勻布置需要加密的部位：風壓急劇變化的區(qū)域可適當降低測點布置密度的部位：面積較大平緩的區(qū)域內(nèi)外或上下兩面均暴露受風的構筑物需雙面布點試驗風速選擇：壓力傳感器的量程和靈敏度模型的剛度、強度和安裝情況風洞的試驗風速范圍氣動剛性模型測壓試驗風向角：范圍：0360度間隔：1015度，局部可加密采樣頻率：盡可能高以樣本原型時間長度不少于10min為宜根據(jù)時間比計算模型所需的樣本長度采樣時間：上限受壓力掃描閥系統(tǒng)性能的限制ZD-1風洞典型工程測壓試驗昆明宜良體育場 港麗商務綜合樓ZD

13、-1風洞典型工程測壓試驗青島綠城深藍廣場 浦江體育場ZD-1風洞典型工程測壓試驗青島綠城深藍廣場 浦江體育場ZD-1風洞典型工程測壓試驗寧波中國港口博物館 紹興東方山水圖剛性模型測力試驗方法：利用測力天平測出作用在整體結構上的氣動合力（系數(shù)）或者作用在結構不同節(jié)段上的氣動力（系數(shù)）對象：剛性不變形的全模型或節(jié)段模型測試內(nèi)容：平均氣動力 - 三分力天平、五分力天平、六分力天平脈動風荷載 - 高頻天平目的：獲得建筑、橋梁等整體和局部風荷載和動態(tài)氣動力ZD-1風洞典型工程測壓試驗覆冰導線氣動力試驗 ZD-1風洞典型工程測壓試驗 施工防護網(wǎng)測力試驗ZD-1風洞典型工程測壓試驗 電動轉(zhuǎn)軸風洞測力試驗氣動

14、彈性模型測振試驗方法：利用測振設備測試風荷載作用下氣動彈性結構的振動響應對象：氣動彈性模型測試內(nèi)容：動應變 - 動態(tài)應變儀動位移 - 激光計加速度 - 加速度計目的：研究氣彈模型的風振特性和響應、獲得風振系數(shù)等參數(shù)ZD-1風洞典型工程測振試驗 同塔四回路輸電鐵塔ZD-1風洞典型工程測振試驗1800t柔性腿吊機 ZD-1風洞典型工程測振試驗復合屋面板單元測振試驗參考教材黃本才,汪叢軍.結構抗風分析原理及應用(第二版)M.上海： 同濟大學出版社, 2008.日風洞實驗指南研究委員會.建筑風洞實驗指南M.孫瑛,武岳，曹正罡譯.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.埃米爾.希繆,羅伯特.H.斯坎倫. 風對結構的作用風工程導論M.劉尚培，項海帆，謝霽明譯.上海：同濟大學出版社,1992.2014年創(chuàng)新實驗指南項目一：高層建筑風荷載干擾效應的測壓試驗研究（工程型）1. 背景資料： 8.3.2規(guī)定: 當多個建筑物，特別是群集的高層建筑，相互間距較近時，宜考慮風力相互干擾的群體效應;一般可單獨建筑物的體型系數(shù)s 乘以相互干擾系數(shù)。相互干擾系數(shù)可按下列規(guī)定確定:1)對矩形平面高層建筑，當單個施擾建筑與受擾建筑高度相近時，根據(jù)施擾建筑的位置，對順風向風荷載可在1