风洞试验概述-黄本才

第六章风洞实验概述风洞试验是依据运动的相似性原理，将被试验对象（飞机、大型建筑、结构等）制作成模型或直接放置于风洞管道内，通过驱动装置使风道产生一股人工可控制的气流，模拟试验对象在气流作用下的性态，进而获得相关参数，以确定试验对象的稳定性、安全性等性能。世界上公认的第一个风洞是英国人于1871年建成的。美国的莱特兄弟于1901年制造了试验段0.56米见方、风速12m/s的风洞，从而于1903年发明了世界上第一架实用的飞机。风洞自19世纪后期问世以后，为风效应研究创造了良好的试验条件，开始了风对建筑物的破坏作用的研究。1894年，丹麦J.O.V.Irminger在风洞中测量了建筑物模型的表面风压。风洞的大量出现是在20世纪中叶，随着工业技术的发展，风洞试验(主要是低速风洞)从航空航天领域扩大到一般工业部门。到了20世纪20年代，Jaray将空气动力学理论应用于汽车外形设计，以降低汽车的气动阻力系数。例如，当汽车速度达到180km/h时，空气阻力可占总阻力的1/3。对小汽车模型进行风洞试验，合理修形，可使气动阻力减小75%。20世纪30年代，英国国家物理试验室（NPL）在低湍流度的航空风洞中进行了风对建筑物和构筑物影响的研究工作，指出了在风洞中模拟大气边界层湍流结构的重要性。1934年，德国L.Prandtl在哥廷根流体力学研究所（AVA）建造了世界上第一座环境风洞，开展环境问题的试验研究。20世纪50年代末，丹麦M.Jensen对于风洞模型相似律问题作了重要阐述，认为必须模拟大气边界层气流的特性。另外，美国J.E.Cermak在科罗拉多州大学和加拿大A.G.Davenport在西安大略大学分别建成了长试验段的大气边界层风洞，标志着对风工程有了专门的模拟试验研究设备。从20世纪80年代开始，大气边界层风特性的模拟技术，特别是大尺度湍流的模拟技术有了较大的发展，另外一些专用的实验设备及测试仪器的研制成功，使风洞中模拟各种气象、地面及地形条件的范围扩大以及研究空气污染和风载、风振问题的能力提高。对建筑物模型进行风载荷试验，从根本上改变了传统的设计方法和规范，大型建筑物如大桥、电视塔、大型水坝、高层建筑群、大跨度屋盖等超限建筑和结构，我国结构风荷载规范建议进行风洞试验。对于大型工厂、矿山群等也可以做成模型，在风洞中进行防止污染和扩散的试验。§4-1风洞实验基础一、风洞风洞就是用来产生人造气流(人造风)的管道。在该管道中能造成一段气流均匀流动的区域，利用这一经过标定的流场，可以进行各种有关学科的科研活动。风洞种类繁多，有不同的分类方法。按行业分，有航空风洞和工业风洞；按实验段气流速度大小来区分，可以分为低速、高速和高超声速风洞；按回路分类，风洞可分为直流式、回流式；按运行时间分类，风洞可分为连续式、暂冲式。近年来，由于工程材料及施工方法的大幅进步，工程设计逐步走向轻质量、大跨度及超高度的方向发展，使得在传统上地震力为结构的主要水平荷重观念逐渐改变。风荷重成为超高层建筑、体育场馆大跨屋盖、斜拉桥等结构的主要水平荷载。除此之外，由于环保意识的加强，社会上对于生活质量的要求，使得工业废气的排放及都市中大型建筑物造成环境微气候的改变，亦成为工程界必须予以重视的课题。为此，应运而生出现了许多大气边界层风洞（BLWT）。在这种风洞中，试验段的气流并不是均匀的，从风洞底板向上，速度逐渐增加，模拟地表风的运动情况(称为大气边界层)。大气边界层风洞是工业风洞的一种，为低速风洞，回路形式有直流式和回流式。国内已出现了十几座这样的风洞。直流式低速风洞（Opencircuittype）（图6-1）一般由进气口、稳流段（包括蜂窝器和阻尼网）、收缩段、试验段（可分为主试验段和第二试验段）、扩散段、动力段（包括电机）以及支架和流速控制系统组成。[1]在这种风洞中，动力段的风扇向右端鼓风而使空气从左端外界进入风洞的稳定段，这种形式为鼓风式，动力段也可置于试验段的右侧，这是吸风式。过渡段是为了保证实验段稳定的气动性能所设计的辅助结构。稳定段的蜂窝器和阻尼网使气流得到梳理，然后由收缩段使气流得到加速而在实验段中形成流动方向一致、速度均匀的稳定气流。试验段是整个风洞的核心，长度应该是直径的1.5-2.5倍，在实验段中可进行大气边界层的模拟和模型的吹风实验，以取得作用在模型上的空气动力实验数据。扩散段的目的是减少气流速度，降低风洞耗能。这种风洞的气流速度是靠风扇的转速来控制的。直流式低速风洞造价低，但试验段气流品质受外界环境影响大，噪音大。(a)典型的直流式低速风洞主要组成(b)典型的直流式低速风洞图6-1直流式低速风洞回流式低速风洞（Closecircuittype）（图6-2）实际上是将直流式风洞首尾相接，增加回流段，形成封闭回路。[1]气流在风洞中循环回流，既节省能量又不受外界的干扰。除了直流式风洞的主要组成外，回流式风洞设有调压缝，可以向风洞内补充空气。导流片和整流装置可调整空气流的不均匀度，使气流的剖面和紊流度达到实际要求。建筑模型试验所采用的风洞既有直流式，又有回流式，还有直流和回流两用式，图6-3所示为国内同济大学土木工程防灾国家重点实验室三个边界层风洞。图6-2典型的回流式低速风洞平面示意图（a）TJ-1直流式边界层风洞（b）TJ-2边界层风洞（c）TJ-3回流式边界层风洞实验段1.8m高×1.8m宽×14m长实验段2.5m×3.0m×15m实验段2.0m×15m×14m风速1～30米/秒风速3～67米/秒风速0.5～17米/秒图6-3同济大学土木工程防灾国家重点实验室边界层风洞二、相似理论建筑和结构的风洞模拟通常采用缩尺模型，其理论依据就是流动的相似性原理。从流体流动的运动微分方程出发，可寻求流体流动的一般相似性判据。流体运动可通过运动微分方程及边界条件和起始条件来描述，流体的缩尺模型试验中模型与原型之间须满足运动相似（遵循相同的运动方程）和几何相似（边界条件相似），起始条件相似的要求通常不用考虑。两种流动相似的必要和充分条件是几何相似和运动相似。[2]1.几何相似几何相似就是模型与原型的外形相同，各对应部分夹角相等而且对应部分长度（包括粗糙度）均成一定比例。长度*llCl=；面积2**2AAlCAl==；体积3**3VVlCVl==（6-1）夹角***;;ααββγγ===（6-2）带*的变量为模型变量，不带*的原型变量。几何相似即使通过比例尺Cl来表达，只要Cl维持一定，就能保证两个流动保持几何相似。2．运动相似运动相似指的是原型和模型的流体运动遵循同一微分方程，物理量间的比值彼此互相约束，则可以认为它们是相似的。风工程中的空气为低速、不可压缩、牛顿粘性流，其运动的控制方程为1jiiijijijjiuuuupuftxxxxxνρ⎛⎞∂∂∂∂∂∂+=−++⎜⎟⎜⎟∂∂∂∂∂∂⎝⎠（i，j=1~3）（6-3）/νμρ=为空气的动力粘度，原型和模型物理量之间的关系采用式（6-4）表示，带*的变量为模型变量，不带*的原型变量，Ct，Cl，Cu，Cf，Cv，Cρ分别为时间、几何、速度、附加外力、动力粘度、密度的比值，为常数。*ttCt=,*ilixCx=，*iuiuCu=，*ppCp=,*ffCf=，*Cννν=，*Cρρρ=(6-4)将式（6-4）代入动量方程（6-3）得到式（6-5）**2********2***pjuiuuijiftjlilljjiCuCuCCCuupufCtCxCxCCCxxxνρ⎛⎞∂∂∂∂∂∂+=−++⎜⎟⎜⎟∂∂∂∂∂∂⎝⎠(6-5)对式（6-5）所有项乘以2/luCC，得到*********2*2***flpjliijiutjuiuuljjiCCCuCuCuupuftCCxCxCCCCxxxνρ⎛⎞∂∂∂∂∂∂+=−++⎜⎟⎜⎟∂∂∂∂∂∂⎝⎠(6-6)式（6-3）表示原型中流体的运动方程，式（6-6）表示模型中流体的运动方程，为保证原型和模型流体运动的相似性，物理量的比值必须满足式（6-7）221pfllutuuluCCCCCCCCCCCCνρ====(6-7)由此得到粘性不可压缩流的相似准则：（1）LutCCC=1即：***tllSutut==(6-8)St为斯特劳哈数（Strouhal），须为常数。若两种流动的斯特劳哈数相等，则流体的非定常惯性力是相似的。对周期性非定常流动，反映其周期性相似。对定常流动，不必考虑斯特劳哈数。（2）1ulCCCν=即：***Reululνν==(6-9)Re为雷诺数（Reynolds），须为常数。若两种流动的雷诺数相等，则流体的粘性力是相似的。对于雷诺数很大的湍流，惯性力起主导作用，粘性力相对较小，雷诺数相等的要求可相对放低。（3）21puCCCρ=即：*2**2ppEuuuρρ==(6-10)Eu为欧拉数（Euler），须为常数。流体中的压力不是流体固有的物理性质，其数值取决于其它参数，因此欧拉数并不是相似准数，它是其它相似准数的函数，即它不是相似条件，而是相似结果。（4）21fluCCC=即：2*2**uuFrflfl==(6-11)Fr为佛劳德数（Froude），须为常数。若流体所受的质量力只有重力，f=f*=g，则2uFrgl=（6-12）Fr数相等，表示了流动的重力作用相似，反映了重力对流体的作用。如果粘性不可压缩流体的流动相似，则在边界条件和起始条件相似情况下，St、Eu、Re和Fr数应相等，这就是相似准则。3.决定性相似准则并不是所有的流动现象都能做模型实验。只有对其流动现象有充分的认识，并了解支配其现象的主要物理法则。在实际的流体流动中，流体总有重力、粘性力、压力和惯性力等同时作用，但是在流体流动的力学现象中，通常只有一到两种力起主要作用，决定着流动现象的本质，另外一些力处于次要地位，因而在任何流动现象中，都存在着决定现象本质的主要作用力。由于实际流动的复杂性，同时满足上述四个相似准则十分困难，而且有些相似准则要同时满足也不可能实现，因此在流体力学的相似理论中，一般采用最主要的相似准则。实际上，工程实际中起主导作用的决定性相似准则通常较少超过两个。实际的风洞试验或水洞试验中，一般很难同时实现Re和Fr或Re和St准则数相等。模型的试验的一个优点是采用缩尺模型，但此时Re数就难以满足。例如建筑模型的风洞试验，若几何缩尺比为Cl=100，采用空气介质Cv=1，这就要求增加风速100倍才能满足雷诺数相等，此时风速已超过声速，流体的性质也已发生改变，这在试验中是难以实现的。在有压流动的情况下，流体的质量通常可以忽略，因此可以不考虑Fr数相等的要求。流动有层流状态、过度状态和湍流状态三种，它由临界雷诺数Rec1（称为第一临界值）决定，当试验的Re在小于Rec1的范围内流动时，流体处于层流状态，这是模型与原型的流速分布彼此相似，与Re数无关，这种现象称为“自模性”。当ReRec1时，流动发展为湍流状态。在最初，随Re数增加，流动的紊乱程度和流速分布随Re数变化较大，随着Re数继续增大，这种变化逐渐减小，当Re数大于某一临界值Rec2（称为第二临界值）时，流体的紊乱程度和流速分布已不再随Re数的增加而变化，此后流体又处于自模化状态，称为第二模化区。当模型和原型处于同一模化区时，模型试验的Re数可不必与原型中的Re数相等。显然，这对模型设计和试验带来很大方便。实践证明，建筑物和结构的风洞试验通常处于第二模化区，因此常常不考虑Re数相等，而只是满足St数相等。§6-2建筑模型风洞试验对于超过风荷载规范规定的建筑和结构，通常需要采用风洞试验方法来确定风荷载及风效应。建筑模型的风洞试验包括大气边界层的模拟、建筑模型上风荷载及风效应的测试。本节首先将介绍大气边界层模拟的技术及要点，然后系统阐述风洞试验在建筑工程领域的应用范围，最后介绍建筑模型上压力测试方法及风环境测试要点。一、大气边界层的模拟为了能正确反应实际结构上的风荷载和风致响应，风洞模型试验需要考虑两个方面的问题:一是所涉及的大气边界层风场特征，包括风剖面、湍流结构等因素:二是如何恰当地模拟结构的外形，质量和刚度等结构特性。前者