风工程多媒体(九)

风工程（九）风工程四、风特性风洞模拟尽管计算流体力学发展很快,但湍流作用在结构上的风荷载也只能在极少的情况下可以计算出来。确定风荷载精确的方法是建立在原型结构上的实地测量。为了得到更一般的结论，必须研究所有重要参数的影响规律，然而这在实践中是不可能的。因此确定风荷载最适当的方法就是进行结构模型风洞试验。为了使风洞模型试验结果能够应用到大气边界层流动的实物，原则上应使风洞实验段中的流动和大气边界层的流动做到几何相似，运动相似，动力相似，热力相似和边界条件相似。也就是要保证大气运动方程的无量纲相似参数相等，同时还要保证大气边界层特性相似。4.1模拟准则在分析一切物理问题时,特别是通过实验所研究的物理问题时,需要确定一组无量纲的控制参数.即对于所研究问题的控制方程组用一个具有对应量纲的的参考值遍除所有的关键变量,使之无量纲化。如果这些参数组从一种情况(原物)到另一种情况(模型)保持不变,自然也就保证了物理过程的相似性。对于流动问题,这组方程就是质量方程,运动方程和能量方程。Rossby数:相似参数:LVR0Froude数:Reynolds数:VLRePrandtl数:kCPPrEckert数:TCVEcp2Schmidt数:DScRichardson数:2VLgTTRiLgVFr2在风工程中，由于参数很多，不可能同时满足所有条件，因此有必要忽略那些对所讨论的实际情况不太重要的参数，这为形成不同的模型规律提供了基础，不同的模型规律分别能给出一定范围内实际适应的结果。研究风荷载对结构的作用时主要存在以下三种力：惯性力重力粘性力LVa/2LgVFr/2（1）弗劳德数弗劳德数表示气流的惯性力作用与结构的重力之比。在高层建筑风致振动中，重力荷载直接作用在基础上（永久荷载），与建筑物的风振不相互作用，因此弗劳德数并不太重要。但对气动弹性结构（输电线、悬索桥等）必须保证弗劳德数相等。gLaLFsr./.33（2）雷诺数雷诺数表示作用在流体上的惯性力与粘性力之比。23/LaLReLVLV/VLRe/作用在弧形表面的风荷载与雷诺数有关，对于这类结构的风洞实验必须考虑雷诺数的影响。(3)边界条件大气边界层风洞实验,除了保证模型与原型的无量纲相似参数相等外,还要保证模拟实验时的边界条件相似.•来流的风速廓线,温度廓线和纵向压力梯度•湍流强度,湍流积分尺度和湍流功率谱密度•地表面几何形状,粗糙度和地表面温度分布•来流流动状态(充分发展的湍流)pmzhzh00杰森（M.Jensen,1958)模型规律:风洞:在一个按一定要求设计的管道系统内，采用动力装置驱动可控制的气流，根据运动的相对性和相似性原理进行各种气动力试验的设备。4.2大气边界层风洞风洞分类:•低速风洞(M0.4)（压缩性可以忽略）•亚声速风洞(M=0.4-0.8)•跨声速风洞(M=0.8-1.2)•超声速风洞(M=1.4-4)•高超声速风洞(M5)•特种风洞（立式尾旋风洞，低密度风洞，脉冲型风洞，电弧加热设备，高温热结构风洞，弹道靶）低速风洞的基本形式直流式回流式造价低；适合做内燃机实验流场品质不受环境影响；能够实现增压运行低速风洞结构示意图拐角导流片动力段稳定段蜂窝器收缩段试验段扩散段回路段调压缝第二试验段NAV1213低速风洞的主要部件实验段——流场品质满足实验要求调压缝——使实验段中压强与环境大气压相同扩压段——使气流减速，减小气流能量损失拐角和导流片——减小气流经拐角时所产生的分离改善流场性能稳定段、整流网——使上游紊乱的不均匀气流稳定下来，使速度更均匀收缩段——使稳定气流均匀加速动力段——主要包括电机、风扇、导向片等风洞气动轮廓全长53m、宽18m，为低速、单回流、并列双试验段的边界层风洞。第一试验段(高速试验段)长17m，模型试验区横截面宽3m、高2.5m，试验段风速0～58m/s连续可调。第二试验段(低速试验段)长15m、模型试验区横截面宽5.5m、高4.4m，最大风速18m/s。湖南大学边界层风洞示意图回流式大气边界层风洞，试验段尺寸为2m高×15m宽×14m长，在试验段底板上的转盘直径为4.8m，其转轴中心距试验段进口为10.5m。试验风速范围从0.2m/s～17.6m/s连续可调。同济大学大气边界层风洞石家庄铁道学院大气边界层风洞4.3风洞测试技术热线风速仪电子扫描阀测压系统热线风速仪原理：将一根通电加热的细金属丝（称热线）置于气流中，热线在气流中的散热量与流速有关，而散热量导致热线温度变化而引起电阻变化，流速信号即转变成电信号。工作模式：①恒流式。通过热线的电流保持不变，温度变化时，热线电阻改变，因而两端电压变化，由此测量流速；②恒温式。热线的温度保持不变，如保持150℃，根据所需施加的电流可度量流速。恒温式比恒流式应用更广泛热线风速仪（铂、钨）kTmmlmdw3002110512RsEb热线风速仪工作原理),/,/,Pr,(Re,fwTTdlMaNuNukhdNu)(/fwTTdlQhkCp/Pr5.0ReBANu))((UBATTQfwnBAERe2nBUAE2)Pr,(Re,MaNuNu))((2UBATTREfw克英公式：热转换方程努塞尔数热线加热电压流体速度热传导系数对流传热系数耗散热量•探头尺寸非常小•响应频率高（1000kHz），可响应很快的气流脉动•灵敏度高，可测量很低的速度和脉动速度•热线风速仪为连续测量其信号容易进行统计处理•测量可压缩流场（亚、跨声速）信号很困难热线风速仪特点典型测压管路示意图压阻式压力传感器工作原理电子扫描阀压力测量系统4.4风特性风洞模拟方法在风洞中，速度边界层模拟包括风速廓线和湍流结构的模拟（湍流强度，湍流积分尺度和湍流功率谱密度）模拟方法分为人工形成法和自然形成法。•自然形成法是在风洞实验段中利用粗糙表面自然发展生成湍流边界层,模拟比较真实,但要求风洞有很长的实验段。•人工形成法的原理是在风洞实验段入口人为的造成气流分层的阻力不同，使得阻力自实验段底壁沿高度逐渐减小，从而造成模型区内平均风速自下而上按指数律变化。人工形成法又分为被动形成方法和主动形成方法两种。被动形成方法•格栅法•曲网法•曲面蜂窝器法•风障,旋涡发生器和粗糙元组合法主动形成方法•竖直喷射法•反向喷射法•震动格栅法•多风扇法风障,旋涡发生器和粗糙元组合法尖塔粗糙元实例尖塔粗糙元转盘实验段20x3x2模拟装置布置示意图模拟装置布置方案尖塔结构平均速度分布曲线湍流强度分布曲线A类地貌平均速度分布曲线湍流强度分布曲线B类地貌C类地貌平均速度分布曲线湍流强度分布曲线D类地貌平均速度分布曲线湍流强度分布曲线湍流功率谱分布曲线C类地貌实验结果主要结论