STU大气边界层风洞流场特性的模拟

表 1 曲边梯形尖塔的曲边表达式的多项式系数
地貌类型
A B C、D
a -0.012 -0.006 -0.045
多项式系数
b
c
0.050
-0.097
0.033
-0.099
0.217
-0.386
d 0.124 0.150 0.303
14.2m
50cm
50cm 50cm
尖塔正视图
尖塔侧视图
图 1 不同地貌使用的尖塔的外形
的，但湍流度分布有待改善。 采用曲边梯形尖塔，结合粗糙元进行边界层模拟，提高了边界层中上部的湍流度，使湍流度分
布更加合理。应该指出的是：湍流积分尺度也是衡量一个重要….,，模拟有相当的难度。
参考文献
［1］ Nicholas Isyumov , Wind tunnel studies of buildings and structures / Aerospace Division of the American Society of Civil Engineers, Reston, Virginia, 1999, pp65-81, ISBN 0-7844-0319-8
从图 3 可以看出在所模拟的结果中，四种地貌的平均风剖面都是较理想。在图 4 中，所模拟的 顺风向脉动风谱和理论顺风向脉动风谱进行了比较，可以看出不管是边界层较低高度的顺风向脉动 风谱还是边界层较高高度的顺风向功率谱都和 Karman 谱比较接近。从图 3 也可以看出，我国规范 的湍流度规定相对于世界上一些主要国家规范的湍流度要小得多。西方主要国家的风荷载规范对湍 流度有明文说明，而我国荷载规范并没有这样的说明，只是在风振分析中间接使用到，据此可以导 出我国规范中的湍流度表达式 4)。在汕头大学风洞中模拟的四种地貌的湍流度剖面中，C、D 类地貌 的湍流度剖面基本上处于各主要国家规范中的湍流度剖面之间。B 类地貌的湍流度剖面基本上处于 各主要国家规范中的湍流度剖面的下限，A 类地貌中等高度范围的湍流度剖面要比各主要国家规范 中的湍流度剖面小。
关键词 风洞、大气边界层、流场模拟
1. 引 言
大气边界层的风洞模拟是研究风对建筑结构的作用以及建筑物周围的风环境等风工程问题的基 础工作。在进行建筑结构的风洞试验时，除了必须满足建筑结构的几何特性相似外，还要准确地模 拟出建筑结构所在区域的大气边界层特性。大气边界层的特性主要包括平均风速剖面、湍流度剖面、 风功率谱以及湍流积分尺度等。尤其对于研究建筑结构风致响应以及气动弹性效应的风洞试验，准 确模拟湍流结构有着更重要的意义。
3. 模拟结果
图 2 风洞中模拟装置的布置图
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表 2 四类地貌流场模拟的布置方案
地貌 类型 数量
A A类
尖塔
位置
B B类 C C类
风洞入口下游 0.8m 处 3 距离转盘 14.2m
尖塔之间间隔为 75cm
D D类
尺寸 迎风面 8cm×5cm 顺风向长 6.5cm 迎风面 8cm×5cm 顺风向长 6.5cm 迎风面 10cm×10cm 顺风向长 10cm 迎风面 10cm×10cm 顺风向长 10cm
大气边界层风洞流场特性的模拟
石碧青 洪海波 谢壮宁 倪振华
（汕头大学土木系，广东汕头，515063）
摘 要 风场模拟的准确程度是保证风洞试验结果准确程度的重要因素。文中采用了一种曲边梯形的尖塔，结 合粗糙元等被动装置进行风洞大气边界层的模拟，模拟出试验对象所在区域的大气边界层特性，包括 A、B、C 和 D 类四种地貌下的平均风速剖面、湍流度剖面和顺风向脉动风谱，为进一步的流场特性研究和风洞试验奠定了基础。 通过对曲边梯形尖塔和三角形尖塔模拟的风洞大气边界层的湍流度剖面的比较，可以发现本文所采用的曲边梯形尖 塔更有利于提高风洞大气边界层中部以上高度的湍流度，使得整个湍流度剖面更为合理。
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2. 模拟装置
汕头大学风洞的主试验段尺寸为长 20m、宽 3m 和高 2m，风速从 0.5m/s～45m/s 连续可调。大 气边界层的模拟主要使用尖塔旋涡发生器和一定数量的粗糙元来进行。不同地貌所使用的尖塔尺寸 不尽相同，根据多年的实践摸索，得到了用于不同地貌的尖塔，见图 1，尺寸单位为 cm。尖塔迎风 面的基本外形为曲边梯形，高为 200cm。曲边可以采用多项式表示为
图 3 四类地貌平均风剖面及湍流度分布
(a) 32.6cm 高度
(b) 120.1cm 高度
图 4 C 类地貌不同高度顺风向脉动风谱
4. 讨论
对于在风洞中采取被动模拟方法，Irwin 给出了尖塔和粗糙元设计的经验公式 5)，但通过对四种 不同地貌的大气边界层的模拟，发现并不能简单地套用经验公式模拟得到满意的结果，还需要对模
表 3 国内风洞 C 类地貌湍流度的比较
高度 360m 240m 40m
文献[9] 4.5％ 6.5％ 19％
文献[10] 8％ 11.5％ 23％
本文 13.6％ 15.5％ 25.7％
图 5 三角形尖塔和曲边梯形尖塔模拟的 C 类地貌湍流度剖面
5. 结论
通过以上的流场模拟结果的讨论，可以总结出一些结论： （1） 流场的模拟与风洞试验段的尺寸有一定关系，不能完全套用经验公式，但它对于流场的 模拟仍有积极的指导意义。 （2） 尖塔的作用显著，它的基本外形和尺寸确定了平均风剖面的大致形状。确定合适的尖塔 外形后，通过改变粗糙元的分布就可以模拟出所需的平均风剖面。 （3） 三角形尖塔和粗糙元的组合可以模拟出的平均风剖面和顺风向脉动风谱都还是比较满意
w = az 3 + bz 2 + cz + d
不同地貌所使用的曲边梯形尖塔有所不同，其曲边表达式的多项式系数见表 1，w 为曲边到中线
的距离，z 为离地高度，单位为 m。A 地貌所使用的尖塔上下底边长度分别为 7cm 和 25cm，B 地貌 所使用的尖塔上下底边长度分别为 7cm 和 30cm，C 地貌和 D 地貌所使用的尖塔上下底边长度分别 为 7cm 和 60cm。尖塔背风面的顺风向隔板为三角形板，高 147cm，底边为 20cm。粗糙元有 2 种尺 寸，分别为 8cm×5cm×6.5cm 和 10cm×10cm×10cm。
粗糙元 数量（排）
8
8
22
31
排列间距 纵向：50cm 横向：60cm 纵向：50cm 横向：60cm 纵向：40cm 横向：50cm 纵向：40cm 横向：50cm
流场模拟时采用图 1 中所示的各类型尖塔和不同的粗糙元，具体布置方案见表 2。粗糙元从转 盘的前沿开始向上游排列，纵横交错，如图 2 所示。按照 1/350 缩尺比模拟出四类地貌的平均风剖 面及湍流度剖面见图 3，对于湍流度剖面，同时给出了一些主要国家的风荷载规范的建议值用于比 较。限于篇幅，文中只给出了 C 类地貌下较低高度 32.6cm 处和梯度风高度以上 120.1cm 处的顺风向 脉动风谱，见图 4。
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自 Counihan（1969）和 Standen（1972）提出两种模拟大气边界层的装置以来，大气边界层的风 洞模拟技术和方法有了较大的发展。Irwin（1981）对 Standen 尖塔进行了改进，并进一步给出了尖 塔、粗糙元组合模拟梯度风高度的经验公式 1)。相比主动控制技术模拟大气边界层，被动模拟方法 所需的装置简单、造价低，并且比较容易模拟出各种地貌的平均风剖面。因此，风洞中更多地采用 被动模拟方法进行大气边界层的模拟。在国内外同行模拟的大气边界层特性中，平均风剖面的结果 是令人满意的，而湍流度分布、湍流积分尺度等湍流结构则有较明显的差别 2)3)。被动模拟方法中常 用的尖塔形状是三角形，但是三角形尖塔所模拟的湍流度随高度衰减太快，导致风洞大气边界层的 中上部分湍流度过低。本文采用了一种曲边梯形的尖塔，结合粗糙元等被动装置进行风洞大气边界 层的模拟，给出了 A、B、C 和 D 类四种地貌的平均风速剖面、湍流度分布和顺风向脉动风谱和湍 流积分尺度。从模拟的结果可以看出曲边梯形尖塔相对于三角形尖塔的更有利于提高边界层中部以 上高度湍流度，使得湍流度剖面更为合理。
H.J. Ham6)和庞加斌 7)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。针对风洞大气边界层上部湍流度较小的问题，陈凯 8)采 用了一种具有弹性底座的振动尖塔，改善了风洞大气边界层上部的湍流度，提高了湍流积分尺度， 文中模拟得到的湍流度剖面和风剖面都还有待进一步改善。本文使用的曲边梯形尖塔，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。图 5 比较了汕头大学风洞中分别使用 三角形尖塔和曲边梯形尖塔模拟的 C 类地貌的湍流度剖面。表 3 给出了国内几个风洞模拟的 C 类地 貌不同高度湍流度的比较，文献[9]采用三角形尖塔和粗糙元进行边界层模拟，文献[10]在三角形尖 塔上还添加了 3 条格栅，使得边界层上部的湍流度要比文献[8]要高些，本文采用曲边梯形尖塔进行 边界层模拟，得到的湍流度剖面在较高的位置仍能有较大的湍流度。曲边梯形尖塔相对于三角形尖 塔的优势在于提高了边界层中部以上高度湍流度，使得湍流度剖面更为合理。曲边梯形尖塔结合挡 板，模拟出的 D 类地貌在风洞 60cm 高度甚至可以达到 26%的湍流度，为高湍流度下的群体干扰效 应研究提供了流场条件。
拟装置进一步改进才能得到预定目标。在这些模拟装置中，尖塔的作用最为显著，它的基本外形尺 寸确定了风剖面的大致形状。确定合适的尖塔外形后，通过改变粗糙元的分布可以模拟出所需的风 剖面。三角形尖塔是采用较多的一种方式，它可以方便地模拟出不同地貌的平均风速剖面。通过改 变底部宽度可以提高中下高度的湍流度，但是湍流度沿高度方向衰减过快，使得中上高度的湍流度 则偏小，达不到要求，它在湍流度剖面的模拟就显得不足。挡板对增加湍流度有明显的作用，通过 在中上高度添加挡板将有助于提高上部的湍流度，但是随着挡板数量的增加和挡板宽度的增加，它 们对风剖面的影响也增大，给流场调试带来较大的困难。
附录： 基金项目：国家自然科学基金项目(50478118)资助 第一作者：石碧青 男，实验师，1974 年 9 月出生