第十讲 风洞试验技术

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uU vU wU
z(2)
阵风因子：Gu
=U
+ umax U
,
Gv
=
vmax U
,
Gw
=
wmax U
z(3) 功率谱密度： S ( f ), S ( f ), S ( f )
u
v
w
z(4) 相关函数： R (x , x ,t), R (x , x ,t), R (x , x ,t)
uu 1 2
vv 1 2
z(3) 相似变量
V — 特征风速
ρa —空气质量密度 υ — 粘性系数 ρs —结构质量密度
g —重力加速度 L — 特征长度
ξ —结构阻尼比
E —结构弹性模量
6.2 边界层模拟 z(1) 风速相似比 z(2) 平均风剖面 z(3) 紊流强度比 z(4) 功率谱密度
z(5) 紊流度剖面 z(6) 空间相关性 z(7) 积分尺度比 z(8) 来流风攻角
BF — Buoyancy Force(流体浮力)
z(2) 基本变量(续)
c) 边界条件
压力梯度： p(x, y, z)
来流特性：平均风速：U (y, z ≤ zg )
脉动风谱：S jj ( f , y, z) ( j = u, v, w) 相关函数：Rjj ( f , Δx, Δy, Δz) (i, j = u, v, w) 流体/固体几何形状
1.2 试验模型
z(1) 精确的结构物模型 z(2) 简化的周边环境模型 z(3) 概略的上游地表模型
1.3 风洞试验分类
风环境风洞试验 风洞试验 建筑结构风洞试验
桥梁结构风洞试验
1.3 风洞试验分类(续)
风环境
地面或行人风环境(Pedestrian level) 建筑物周边风环境 (Topography model) 环境空气动力学试验(Environmental aerodynamics)
u
* j
=
uj
/v
,
t* = t ⋅v / L
p* = p /(ρv2 ), δT * = δt / T
b) 五种作用力
IF — Initial Force(惯性力)
CF — Coriolis Force(地球旋转力)
PF — Preasure Force(流体压力)
VF — Viscosity Force(粘性力)
¾ 2.风环境试验
2.1 模拟范围 z(1) 上游地表粗糙类别模拟 z(2) 周边地形 500m至750m (或10 倍桥面高度) z(3) 缩尺比 1:500~1:2000 (小区)
2.2 模型要求
z(1) 刚性块体 z(2) 外形相似 z(3) 表面粗糙程度相似
2.3 试验设备
z(1)皮托管测压——平均风速
建筑结构
天平测力试验(Force balance test) 表面测压试验(Cladding load test) 气弹模型试验 (Aeroelastic model test)
桥梁结构
节段模型试验(Sectional model test) 拉条模型试验(Taut strip model test) 气弹模型试验 (Aeroelastic model test)
ww 1 2
z(5) 积分尺度： x Lu , yLu , zLw
¾ 3. 天平测力试验
3.1 模型要求 z(1) 轻质—惯性力小，频率高
z(2) 刚性—无变形，频率高 FS
z(3) 外型相似
3.2 测力原理 z(1) 六分量天平
FL M
P
M Y MR
UL
图3. 天平
FL: Lift FD: Drag FS: Vertical
∫1 T [p(t) − p]2 dt
T0 q
z(3) 最大压力系数：C = pmax
pˆ
q
z(4) 最小压力系数：C = pmin
pˆ
q
z(5)
压力峰值因子：g p
=
( pmax
− pmin ) / 2
p
z(6) 两种不同方法
风洞试验直接测得的最大、最小值 按保证率推算的峰值因子换算到最大、最小值
z(1) 基本方程(续) c) 六个基本假定 z流场是由理想气体组成的、是各向同性的 z流场中p 、ρ和T的均值保持不变 z空气不可压缩、ρ不随p变化
z动态粘性系数ν和热扩散系数κ为常数 z由粘性引起的温度变化忽略不计 z无源流动
z(1) 基本变量
a) 五个无量纲变量
x*j = x j / L ,
5.4 气动导数试验方法 z(1) 自由振动测振法 z(2) 强迫振动测振法 z(3) 自由振动测压法 z(4) 强迫振动测压法
¾ 6. 气弹模型试验
6.1 相似要求 z(1) 基本方程 a) 6 个基本未知量 3 个速度分量 (u,v,w) 流体密度ρ、压力 p 和温度 T
b) 6 个基本方程 Navier — Stokes 公式三个分量 质量守恒方程 能量守恒方程 流体状态方程
桥梁及结构风振理论及其控制
——之第十讲
风洞试验技术
葛耀君 主讲教师：
博士．教授
1、风洞试验简介 2、风环境试验 3、天平测力试验 4、表面测压试验 5、节段模型试验 6、气弹模型试验
¾ 1.风洞试验简介
1.1 基本原理 z(1) 风速和风向模拟 •良态气候模式 •飓风气候模式
z(2) 结构风效应模拟 •刚性结构——无振动响应 •半刚性结构——仅有强迫振动 •柔性结构——气流与结构相互作用
6.3 模型基本组成 z(1) 模型结构刚度—模型骨架 z(2) 模型结构外型—模型外衣 z(3) 模型结构质量—模型配重
6.4 模型测量
z(1) 风速和风压测量 z(2) 结构振动测量
加速度传感器—接触式 速度传感器—接触式 位移传感器—接触和非接触式 z(3) 结构内力测量 动态应变计
H
¾ 4. 表面测压试验
4.1 模型要求 z(1) 刚性——外型无变形 z(2) 不漏气——压力为常数 z(3) 外形相似
4.2 测压原理 z(1) 测压位置多——要求非常高的采样频率 少测点：200~400 个 中测点：400~800 个 多测点：800 个以上
4.2 测压原理(续) z(2) 模型尺寸小—缩尺比 缩尺比：1:100~1:500 测压孔：1.1mm~1.6mm
F MP: Pitching moment
D MR: Rolling MY: Yawing
B
3.2 测力原理(续)
z(2) 竖向分量不要求 z(3) 要求: 高灵敏度、大刚度、稳定性、非耦合
3.3 测力过程
z(1) 平均值和 rms 值测量(一阶广义模态力) z(2) 力功率谱密度(紊流引起的非定常力) z(3) 模态修正: μ(z) = ( z )β (1 ≤ β ≤ 1.5)
U
动力：CW (dTw / dt ) = W − H
τ = CW /[(∂H / ∂Tw ) − (∂W / ∂Tw )]
图2. 热线风速仪
2.4 平均风速指标
z(1) 不同高度平均风速 z(2) 风剖面指数α z(3) 梯度风高度
2.5 脉动风速指标
z(1) 紊流强度： I = σ u , I = σ v , I = σ w
P static
Pt
=
Ps
+ Pd
=
P0
+
1 2
ρaU 2
P total
Pd
=
Pt
− Ps
=
1 2
ρaU 2
=
ρ w gΔh
U=
P dyn
2g
ρw ρa
Δh
ρ w
图1. 皮托管测压
2.3 试验设备
z(2) 热线风速仪——脉动风速
静力：W = H
( ) W = I 2Rw, H = A1 + B1 U (Tw − Te )
z(3) Scanvalve 扫描阀 最新型号：16 通道×64 测点=1024 点 采样频率：1000 Hz×1024 =1,012,000 个/秒 现有设备：4 通道×64 测点=256 点(4 个模块)

4.2
z(1)
测压过程
平均压力系数：Cp
=
1 T
T
∫ p(t)dt 0 q
z(2) rms压力系数：C~p =
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C pˆ
=
C p
+
gC ~p
¾ 5. 节段模型试验
5.1 模型要求 z(1) 刚性——无挠曲变形 z(2) 振动相似——测振试验: 质量、刚度、频率 z(3) 外形相似
5.2 测力试验 z(1) 原理方法同天平测力 z(2) 不同风攻角下的三分力系数
5.3 测振试验 z(1) 涡激共振—风速与振幅 z(2) 颤振风速—直接法确定颤振临界风速 z(3) 气动导数—不同风攻角下的气动导数值 z(4) 实时响应—抖振试验结果