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风洞试验研究综述剖析

风洞试验研究综述

摘要：

本文介绍了大气边界层风洞的发展过程和模拟方法。

大气边界层的模拟方法主要有主动模拟方法和被动模拟方法，前者包括多风扇风洞技术与振动尖塔技术，后者采用尖劈、粗糙元、挡板、格栅等装置进行模拟。

被动模拟技术较为经济、简便，所以得到了广泛采用。

关键词：

风洞；大气边界层；主动模拟；被动模拟.

PerformanceofSimulationofAtmosphericBoundaryLayerinWindTunnels

xude

Abstract：

Inthispaper,thesimulationofatmosphericboundarylayerareintroductedfromthehistoryofthedevelopmentandthemethodsofthetechnology.Themethodsofatmosphericboundarylayersimulationcontainactivesimulationandpassivesimulation.Theactivesimulationmainlyincludemultiplefanswindtunneltechnologyandvibratilespiretechnology.Theequipmentsofthepassivesimulationmainincludespire,roughnesselement,apronandgridiron.Thepassivesimulationtechnologyissimpleandeconomical,soithasbeenwidelyused.

Keywords：

windtunnel;atmosphericboundarylayer;activesimulation;passivesimulation.

一、引言

1940年，美国塔科马悬索桥由于风致振动而破坏的风毁事故,首次使科学家和工程师们认识到了风的动力作用的巨大威力[1]。

在此之前，1879年发生了苏格兰泰桥的风毁事故已经使工程师们认识到风的静力作用。

塔科马桥的风毁开始了土木工程界考虑桥梁风致振动的新时期，并以此为起点,发展成为了现代结构风工程学。

结构风工程研究方法可分为现场测试、风洞试验和理论计算三种。

现场测试方法是一种有效的验证理论计算和风洞试验方法和结构的手段；然而，现场测试需要花费巨大，试验环境条件很难人为控制和改变。

与现场测试方法相比，风洞试验兼具直观性和节约的优点，同时可以上人为地控制、调节和重复一些试验条件，是一种很好的研究结构风工程现象的变参数影响和机理的手段。

近些年来随着流体力学和计算机技术的发展，计算流体动力学逐渐成为风工程研究中越来越重要的工具。

然而，由于风工程问题的复杂性，要深入了解由于空气流动所引起的许多复杂作用，风洞试验仍然是起着非常重要的作用。

在整个50年代和60年代初，建筑物和桥梁风洞试验都是在为研究飞行器空气动力学性能而建的“航空风洞”的均匀流场中进行，而试验结果往往被发现与实地观测结果不一致，原因显然在于风洞中的均匀气流与实际自然风的紊流之间所存在明显差别。

1950年代末，丹麦的杰森对风洞模拟相似率问题作了重要的阐述，认为必须模拟大气边界层气流的特性。

1965年，加拿大西安大略大学建成了世界上第一个大气边界层风洞，即具有较长试验段、能够模拟大气边界层内自然风的一些重要紊流特性的风洞。

紧接着，在美国的科罗拉多州立大学，舍马克教授也负责建造了一个大气边界层风洞，并首次用被动模拟方法对大气边界层的风特性进行了模拟，使结构抗风试验进入了精细化的新阶段，世界各地也随之陆续建成了许多不同尺寸的边界层风洞，从而大大促进了结构风工程的研究。

在早期的风洞中,大气边界层主要研究大气剪切流场的模拟.而在近期,除注意剪切流场的模拟外,已认识到流场湍流结构特性模拟的重要性,特别对大跨桥梁、高层建筑和高耸结构的风载和风振试验有十分重要的意义.

二、大气边界层风洞简介

2.1风洞试验的概念

风洞是指一个按一定要求设计的、具有动力装置的、用于各种气动力试验的可控气流管道系统[2]。

虽然实际风洞有多种多样的形式，以适应不同的研究要求，但是从流动方式来看，总体上可划分为两个基本类型：

即闭口回流式风洞和开口直流式风洞。

而从风洞试验段的构造来看又有封闭式和敞开式之分。

图1.闭口回流式风洞

风洞试验目前是结构抗风研究中最主要的方法。

借鉴航空领域的技术和方法，风洞试验在土木工程结构的抗风研究中发挥了巨大的作用。

但相比而言，土木工程结构的模型试验和航天航空器的模型试验有很多不同之处。

前者外形非常复杂，而后者则相对简单；前者处在高湍流的近地风场中且风场变化类型多，而和后者相关的流动则是低紊流流动；此外，前者尺度大，因而模型缩尺比例小，导致雷诺数模拟的难度比后者更加突出；前者处在低速流动中，不需要考虑流体的压缩性，而后者则需考虑流动的压缩效应，等等。

相对于航空风洞来说，用于土木工程结构的风洞一般都是风速较低的低速风洞，并且通常采用封闭式试验段。

为了能在风洞中对建筑结构所处的大气边界层风场进行合理的模拟，其试验段长度一般较大，因此，也被称为边界层风洞。

早在1894年丹麦人Irminger在风洞中测量建筑物模型的表面风压，然而直到1931年为了确定帝国大厦的设计风荷载，研究人员利用航空风洞进行了专门的模型风试验，风洞试验才成为研究结构风荷载的重要手段。

1940年美国旧塔科马海峡大桥发生风振坍塌事故后，人们才开始逐步研究并认识风对结构的动力作用。

1950年，为了探究塔科马海峡桥的风毁事故的确切原因，美国华盛顿州立大学的法库哈森教授通过全桥气弹模型风洞试验，成功地重现了塔科玛海峡大桥的颤振风毁现象，并对对桥梁的风振振动进行了研究，这也是第一次结构气弹模型试验。

结构风洞试验开始成为结构抗风设计和检验的重要手段而得到普遍发展，许多学者把研究机翼颤振的风洞试验方法引用到了桥梁的颤振研究，取得了一定的成果。

1950年代末，丹麦的杰森提出了建筑结构风洞试验必须模拟大气边界层气流的特性。

1965年，在达文波特负责下，加拿大西安大略大学建成了第一个大气边界层风洞，即具有较长试验段、能够模拟大气边界层内自然风的一些重要紊流特性的风洞。

随后，在美国建成了第一个用被动模拟方法对大气边界层风特性进行了模拟的结构风洞，使结构抗风试验进入了精细化的新阶段，世界各地也随之陆续建成了许多不同尺寸的边界层风洞，从而大大促进了结构风工程的研究。

2.2大气边界层的概念

按照大气运动的动力学性质可以将对流层中的大气沿垂直方向粗略地分为上部自由大气层和下部的大气行星边界层。

受粗糙地表的摩擦而引起的阻滞作用的影响，大气边界层中的气流在近地表处的速度明显减慢，并在地表处降为零。

而由于相邻气层之间的紊流掺混使得这种地表阻滞或摩擦的影响可扩展到整个大气边界层，并在沿高度方向各气层之间产生剪切应力。

严格地讲，大气边界层的高度可达1~1.5km，在此范围内，风速是随高度的变化而变化。

再往上就是自由大气层，地表摩擦力对大气运动的影响可以忽略，气层之间的剪切应力基本等于零。

在自由大气层中，无加速的空气相对于地表的水平运动可以通过气压梯度力、地转偏向力和离心力之间的平衡来确定，风向与等压线保持一致，风速与高度无关。

图3.对流层结构示意图图4.大气边界层中的风速螺旋线

大气流体动力学中，把气压梯度力、地转偏向力和离心力到达平衡的、与高度无关的定常风速称为梯度风速，常用UG表示，边界层高度也因此而常被称为梯度风高度。

当所关心的区域远离气象系统中的低压或高压区时，等压线的半径很大，曲率很小，可近似为直线，此时可忽略作用在空气微团的离心力，与高度无关的定常风速由气压梯度力和地转偏向力的平衡条件确定，成为地转风速。

在大气边界层中，由于粗糙地表产生的摩擦力的影响，风向与等压线成一定的夹角。

随着高度的增加，地面摩擦效应的影响逐渐降低，这种夹角也越来越小，在梯度风高度处，夹角降为零，风向与等压线一致。

大气边界层内风速风向随高度的这种变化规律可用如图5.3所示的螺线来描绘，从地面至边界层高度顶，风向角的变化约为20°。

由于土木工程结构均建在大气边界层中，因此大气边界层内的风特性是土木工程结构设计者最为关心的。

三、大气边界层的风特性

风特性研究是风工程的基础工作。

过去,关于风的资料主要来源于各气象站约10米高风标上所安装的旋转杯式风速仪。

这种于1846年发明的风速仪至今还在使用,但由于仪器的惯性大,它所测量的是有一定时距的平均风。

近50年来,测风仪器有了巨大的进步,从较灵敏的螺旋桨式风速仪发展到激光、超声以及微波风速仪,可用来测量空气的微小瞬时运动。

经过长期的现场实测，近地风可处理为平均风速和脉动风速的叠加；平均风速沿高度可用对数律或幂函数来描述，而脉动风的主要特征是紊流度、脉动风速自功率谱和互功率谱、紊流尺度等。

其他风特性参数，例如阵风因子、摩阻速度以及空间相关函数等可以认为是这些关键特性的延拓和补充。

在初步掌握这些重要特性的基础上，给出了这些特征量的推荐值和推荐公式。

尽管人们在强风分布及结构响应的实测方面做了很多努力，但是，由于强风分布特性现场实测的费用大、周期长、难度大，人们对近地风特性的认识还远不清楚。

目前国际上常用的几种脉动风速功率谱值（Davenport谱,Kaimal谱和Karman谱等）在某些重要频段内相差很大，甚至以倍计。

脉动风速相干函数指数的推荐范围上下限的不同取值可能造成结构响应计算值的成倍差别。

台风的平均风剖面和紊流结构及登陆后的衰减特性如何？

此外，人们对特殊地形（包括我国西部地区复杂地形）的强风分布特性的理解也还甚浅。

风参数的不确定性是影响结构抗风设计精度最重要的因素。

a）.瞬时风速b）.平均风速c）.脉动风速

图5.实测瞬时风速的分解

四、大气边界层模拟方法研究现状

在风洞中正确重现大气边界层的流动特性,是风洞模拟试验结果具备可信性的必要条件,也是风工程研究重要的基础工作[3]。

20世纪80年代以来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；一些专用的测试设备和实验仪器研制成功，使得各种气象、地面和地形条件能够更好地在风洞中模拟，研究风载、风振的能力提高。

大气边界层湍流的风洞模拟技术按照有无控制部件可分为主动模拟和被动模拟两类。

被动模拟主要靠障碍的尾流形成分离漩涡模拟大气湍流，目前主要利用尖劈、格栅、挡板和粗糙元来实现。

主动模拟有两种方式，一种是依靠震动机构本身运动作为风洞中气流注入随机的脉动能量来实现，主要有震动翼栅、震动尖塔；另一种为变频调速风扇阵列。

依靠运动机构向风洞中的气流注入随机脉动能量,激励湍流涡旋的形成。

4.1大气边界层被动模拟技术

20世纪60年代后期，研究人员发现格栅尾流可以制造出适当的尾流场，不同宽度和间距的平板格栅在风洞下游足够远处形成各向同性湍流，湍流的强度与尺度一般与平板的宽度有关[4],[5]。

采用变间距布置的平板格栅可以近似的模拟出大气边界层风速剖面[6]，但这项技术并没有广泛的应用。

得到广泛应用的是通过劈尖与粗糙元的组合实现了风速剖面与湍流剖面的模拟[7]。

此后伴随着风工程实验技术的发展，利于劈尖和粗糙元的被动模拟技术一直沿用至今。

Irwin[8]最早给出了基于劈尖和粗糙元阻力和动量分析的三角形劈尖设计经验公式，但实际应用中会遇到对不同风洞断面的普适性难题。

Sill[9~11]等人的研究则集中在立方体粗糙元的尺寸和排列方式与粗糙参数的关系上。

理论上讲，近地的自然风剖面是由于大气大尺度涡旋作用和地面摩擦共同形成的[1]，两者在风速的模拟上扮演者不同的角色。

劈尖的作用是在风洞中形成大尺度涡旋迎风板的宽度决定了涡旋的大小和湍流的脉动强度；而粗糙元则相当于实际的地面粗糙物，以调整平均风速和湍流度的剖面分布。

然而，尖塔下宽上窄的形状导致积分尺度随高度增加而减小，这与实际情况恰好相反。

因此，仅强调尖劈或粗糙元的作用都是片面的，而且，风洞断面尺寸的不同也会影响一些经验公式的使用，这导致各个风洞都必须建立适用于自己的模拟装置[12],[13]。

H.J.Ham和庞加斌分别采用了不同的非三角形尖劈，较好地模拟出大缩尺比下的流场特性，满足了低矮建筑物和桥梁的抗风试验研究。

石碧青等人采用曲边梯形尖塔，其一定宽度的上底边长保证了在边界层较高的高度能够保持较大的湍流度，尖塔宽度随着高度降低而缓慢增加，不至于使得风洞底层的堵塞度过大而导致难于协调小地貌指数和高湍流度之间的矛盾，最终模拟得到的边界层上部具有较高湍流度，整个湍流度分布较为合理。

4.2大气边界层主动模拟技术

被动模拟技术可以很好地模拟各种地貌和模型比例的平均风速和湍流度剖面，但是对湍流功率谱和积分长度的要求难以满足。

主动模拟技术可以弥补其这方面的不足。

该技术通过向流场内注入适当频率的机械能，增强低频成分湍流动能，从而改善功率谱和积分长度的模拟。

这其中最成功的两类技术为震动翼栅[4]和多风扇风洞[14]。

图6.多风扇风洞系统示意图

美国科罗拉多州立大学边界层风洞进口处装有两列可控的震动翼栅，可在4~16s的周期范围内随机振动，使得下层的边界层剖面和湍流结构能满足1:

100缩比风洞试验；日本宫崎大学的多风扇风洞则可以再现与自然风湍流一致的脉动风速时程[15]，模拟风的时程即使风速突变也可与目标曲线吻合的相当好。

震动翼栅装置虽然成本较低，但是智能模拟二维平均流场，对于模拟复杂流畅同样捉襟见肘，并且模拟的准确度和模拟流场的稳定性还存在着一定的问题。

多风扇风洞可以准确模拟各种流场，但是设备造价昂贵维护成本高，目前只在小实验断面中成功应用对于大风洞断面还有更多的问题有待解决。

五、大气边界的模拟中需进一步探讨的问题

5.1大气边界层风特性研究

风特性研究是风洞试验的基础，更是大气边界层模拟的重要理论依据，在这个问题上应进行长期的系统性的风特性现场实测采用高精度、抗干扰能力强的风速测量系统，测量近地风特性，特别关注台风的平均风剖面分布、紊流度分布和紊流谱结构，尽量能获得紊流尺度和空间相关性的实测数据；测量台风登陆后的衰减规律；研究台风的非平稳性。

同时着重现场实测研究特殊地形的强风分布特性，选择有代表性的地貌条件，结合现场实测和风洞试验，更深入地掌握典型特殊地貌条件下的风速分布特征，给出定量描述。

5.2大气边界层模拟方法

研究新的被动或主动模拟方法，提高模拟风场的紊流度和紊流尺度，模拟紊流尺度随高度增加而增加的方法；研究雷暴和龙卷风的模拟方法；结合现场实测、风洞试验和数值模拟研究，更深入地掌握特殊地貌条件下的平均风和脉动风的分布规律。

六、结论

随着风工程试验要求的不断提高大气边界层风洞模拟技术需要不断改进，纵观边界层风洞的研究现状，被动的劈尖和粗糙元仍然是常用的湍流边界层模拟装置。

近10年来日本出现的多风扇模拟技术引人关注，但与完善准确的模拟自然风仍然有一定的差距。

常用的三角形劈尖与粗糙元能够有效地模拟不同粗糙度地形的平均风速剖面模拟湍流度随披肩底部增大而增加，随离地高度增加而减少。

模拟脉动风速功率谱和积分尺度在一定范围内符合实际，但随着高度增加湍流积分尺度减少，脉动风速功率谱曲线向高频偏移。

三角形劈尖和粗糙元模拟适合几何缩比在1/500~1/300范围内模型风洞试验。

采用异性劈尖改善湍流度剖面模型使得平均风速剖面与湍流度剖面同时满足较大的几何缩比（~1/150）、平坦地形的边界层模拟。

增加劈尖宽度湍流积分尺度略有增大但是劈尖下宽上窄的特点决定，其不合理的积分尺度模拟成为其不可可克服的缺陷。

主动模拟技术通过向流场注入低频能量能大大提高湍流积分尺度，尤其是多风扇系统。

采用变频调速和反馈控制技术不仅可以重现目标风速谱，还能模拟目标脉动风速时程完全符合实际大气。

但是多风扇反馈测量技术仅限于纵向脉动风速和功率谱，如何将横向和垂直方向的分量纳入反馈系统还需要进一步的探讨和研究。

主动模拟与被动模拟的发展各有优缺点，如果二者能相互取长补短即使得模拟的平均风速剖面、湍流度剖面、功率谱与湍流积分更趋向实际情况同时不致使装置太复杂成本太高，将能更好的将这项技术推向应用。

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