风洞试验

《桥梁风工程》之——风洞试验技术

主要内容简介

第一章风洞试验的理论基础——相似性

（概述、相似性基本要求、无量纲参数的来源、基本缩尺考虑）

1.1 概述

理论流体力学——物理实验——数值模拟（风工程研究的“三大手段”）；

桥梁、建筑结构在结构设计方面，只要求结构在风荷载作用下具有足够的强度、刚度和稳定性即可，即确保桥梁结构、建筑结构的安全性、舒适性和耐久性即可；（这区别于航空器的设计——力求其周围运动空气对其的阻力最小），主要关注绕尖角的流动和分离流动，因此，称为“钝体空气动力学”。个别建筑、桥梁已开展了实际结构的实测。

Fig.1 Research methods of Wind Engineering of Bluff Body

1932年，Flachsbart O.“建筑物气动特性的模拟应当在具有与自然风相似的风洞气流中进行”。

几何缩尺——经济性和方便性

由于缩尺几何引出了物理相似的一系列问题，相似性准则是风洞试验的理论基础。应该说明的是，由于模型的几何缩尺，导致部分物理现象不能准确反映，如雷诺数效应。因此，在实际设计模型试验时，需要进行一系列权衡，确保主要问题能模拟即可。（科学与艺术结合！）

1.2 模型相似性

在分析一切物理问题，特别是需要通过实验进行研究的问题时，通常需要确定一组无量纲的控制参数。该组无量纲参数通常是根据描述所研究物理系统的偏微分方程得到的，用一个具有对应量纲的参考值遍除所有关键变量，使之无量纲化，于是得到大量的无量纲组合参数，它们就是控制系统的物理特性的因子。如果这些控制参数组从一种情况（原型物）到另一种情况（模型）保持不变，则自然保证了相似性。具体风洞试验相似性无量纲参数推导见下。

假设一个物体浸在流动的流体中，在物体上某处形成的作用力F 只是下列六个参数的函数：即密度ρ、流速V 、某个特征尺寸D 、某个频率n 、流体粘性系数μ和重力加速度

g 。即

ξ

εδγβαμρg n D V F d

= (1)

式中：ξεδγβα,,,,,为待定指数。将上式各参数采用三个基本量纲（质量M 、长度L 和时间T ）来表示，便得到如下量纲形式的恒等式：

()ξ

ε

δγβα⎪⎭

⎫ ⎝⎛⎪⎭

⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=232

1T L LT M T L T L L M T ML d （2）

令对应的指数相等，由上式可得到下列三个独立的方程

:M εα+=1

:L ξεγβα+-++-=31 :T ξεδβ22----=-

可将γβα,,由另外三个参数来表示，即

εα-=1

ξδεβ22---= ξδεγ++-=2

即

ξεδξδεξδεεμρg n D V F d

++-----=2221

将上式按“指数”合并，即

ξ

ε

δ

ρμρ⎪

⎭⎫ ⎝⎛⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝

⎛⋅⎪

⎭

⎫

⎝⎛=222V Dg DV V Dn V D F d

即

ξ

ε

δ

ρμρ⎪⎭

⎫

⎝⎛⋅⎪⎪⎭

⎫ ⎝

⎛⋅⎪⎭

⎫ ⎝⎛=22

2V Dg DV V Dn V D F d

需要说明的是，上式左边对应于我们熟悉的三分力系数的表达式。上式右边的三个量则

为我们所熟悉的三个无量纲参数：

V

Dn

、DV ρμ

、2

V

Dg

。

讨论：

m

P V Dn V Dn ⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛ 1） 斯脱罗哈数：V Dn St s

=（s n 为从截面尺寸为D 钝体脱落出旋涡的频率）； 2） 折算频率：V

Dn n m

red

=（m n 为结构的振动频率，相对于绕结构速度为V 的定常流的折 算频率）；

3） 折算速度：m

red Dn V

V =

（m n 为结构的振动频率，相对于绕结构速度为V 的定常流的折 算速度）；

4） 莫宁（Monin ）坐标：V

Zn

f =

（n 为风速脉动分量的频率，V 为平均风速，Z 为离地高度）。

m

P DV DV ⎪⎪⎭⎫

⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ρμρμ （L V λλ/1=）

雷诺数ν

μρVD

VD R e ==

，对于风洞试验，该条一般很难满足。对于钝体断面，雷诺数的影响究竟如何，有待于进一步研究；

m

P V Dg V Dg ⎪⎭⎫

⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛22 弗劳德数Dg

V F r 2

= （L V λλ=）

相似准则：在模型试验中，只要保证这三个无量纲参数对模型和实际结构是相等的，

即可真实反应结构的实际规律。这也是桥梁、结构工程风洞试验的理论基础。

注：几何相似应包括几何外型相似和振动模态、振幅的相似。这对于结构风洞试验的结果应用与推广具有十分重要的意义。

第二章风洞介绍

（详细参考《桥梁风工程》第9.1节）

第三章桥梁风洞试验方法3.1 桥梁结构风洞试验的目的及意义

哪些桥梁需要进行风洞试验？

大跨度桥梁为什么要进行风洞试验？

通过风洞试验可以得到哪些有意义的结论？