4_风洞试验
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主要设备：风洞是进行实验的主要设备，进行实验
还需要风速、风压、气动力等测量设备。
实验模型：用于实验的结构模型必须遵循一定的相 似准则；
风场模拟：风洞模拟的风场必须反映实际的大气边
界风场的主要特性。
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4.2.1、试验风洞
结构抗风研究风洞：低速大气边界层风洞，其气流的马赫 数Ma≤0.4，忽略空气压缩。另外，实验段较长，可在实验 段中加设必要的装置模拟出地表风速。 风洞有回流式风洞和直流式风洞两种。和回流式风洞相比， 直流式风洞占地小，造价低，但噪声大，实验段风速的品质 会受到风洞进、出口处外界大气的干扰以及实验段的压强低 于洞外大气压强等。
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（3）压强 扫描阀：电 子切换开关
21:46:21
4.2.3 风速测量
（1）风速管 风速管是将总压管和静压管组合在一起的一种复 合管。如下图。
风速管
21:46:21
风速计算
设总压和静压之差由风速管测出为Δ pm，考虑仪 器和测量误差为ξ，根据柏努利方程，则有
所以，风速为
1 2 pm U 2
21:46:21
国内主要风洞
同济大学风洞：有大、中、小三座边界层风洞，总体规模 居世界前列，其中 TJ-3 号风洞为世界同类风洞的第二位。
TJ-1 ：直流闭口式，实验段1.8 m高×1.8m宽×14m长 ， 风速1～30 米/秒。
21:46:21
TJ-2 ：实验段高2.5 米×宽3.0米×长15m ，风速 3～67 米/秒。
脉动风速常用热线风速仪测量紊流度的方法测量。
根据测得的瞬时速度随时间的变化情况，进一步分
析可得脉动风速功率谱。
4.3 风场模拟
1、风场模拟主要参数 平均风速沿高度的变化、紊流度沿高度的变 化、脉动风功率谱、紊流积分尺度等。
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2、模拟方法
自然形成法和人工形成法。
（1）自然形成法：在均匀粗糙壁上自然形成模拟 的大气边界层，所需试验段非常长，一般要求20米 以上，而且通常还需加上一定的人工紊流装置，目 前很少采用。
H测点区
DH测点区 I测点区 DI测点区 J测点区 K测点区 DK测点区
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中间高屋盖西侧上表面Hale Waihona Puke Baidu
中间高屋盖西侧下表面 中间高屋盖东侧上表面 中间高屋盖东侧下表面 西侧排柱正反面 东侧排柱正面 东侧排柱反面 建筑物内表面
56
21 56 14 16 12 12 15
N测点区
3 试验设备
风洞：广东省建科院建筑风洞实验室，为串联双 试验段回流式风洞，分为大小两个试验段。本试验 使用的是大试验段。 1）大试验段为闭口试验段：长10m、宽3m、高2m， 最高风速为18m/s；
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TJ-3 ：实验段 2.0 米高×15米宽× 15米长 ，风速 0.5～17 米/秒。
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湖南大学风洞
2004 年 6 月建成，占地 2000m2 ，建筑面积
3200 m2。风洞全长53米、宽18米，为低速、单回
流、并列双试验段的边界层风洞。
高速试验段高2.5 米×宽3米×长17米，试验段风
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（b）压阻式：压阻效应。圆形硅膜片上采用集成 电路工艺制造了4个等值电阻，组成平衡电桥。 优点是灵敏度高，频率响应高。但易受环境温 度变化的影响。 （c）电容式：平板电容器的可动极发生移动或变 形，电容量亦变化。 结构简单、灵敏度和频率响应高。但精度较低。 （d）压电式 ：压电效应。 频率响应及灵敏度均很高。但低频性能不好， 不适于测量变化缓慢的或静态压强。
控制
电信号
数据 计算机
采集主机 DSM3200
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电子扫描阀测压系统组成示意图
4、风场模拟
考虑到本建筑物周围比较空旷，相邻建筑物对本
建筑物的风荷载的风致干扰影响主要来自西侧的武
汉大剧院，但由于d/b和d/H均在3.8以上，对本建筑 风荷载的干扰影响很小可以不加考虑。按国《荷载 规范》为B类地貌场地条件下的单体建筑风洞风压 试验考虑，地面粗糙度系数取为α＝0.16。风荷载 按50年重现期考虑，其基本风压为0.35kN/m2，对 应的实际风速约为23.7m/s。
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测点层位置及测压点个数
测点层/区序号 A测点层 B测点层 C测点层 D测点层 Da测点层 E测点层 F测点区 G测点区 测压点所在建筑物表面位置 2.7米标高处外墙面 8.4米标高处外墙面 14.4米标高处外墙面 20.4米标高处外墙面 23.4～26.2米标高处外墙面 25.9～36.4米标高处外墙面 北面低屋盖外表面 南面低屋盖外表面 测压点个数 36 60 60 60 28 42 60 60
2）小试验段为可开口亦可闭口试验段：长9m、宽 1.2m、高1.8m，最高风速为46m/s。
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测压系统
美国Scanivalve公司生产的电子扫描阀测压系统， 型号：DSM3200，SPC3000，ZOC33×3压力扫描 模块，每次可测量372个测点。
模型测压孔 导管
ZOC33测压模块
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风场模拟 1）风洞
在风洞试验段内采用B类尖塔、前方100mm挡板、 尖塔1.5m以下处加50mm木条和连续分布B类粗糙 元等模拟出B类地貌的风剖面。
1.6 1.4 1.2
平均风速测试值 湍流强度测试值
指数＝0.16 指数= -0.3
高度（m）
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
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0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
U(z)/UG
2）实验风速
试验中风速（风压）参考点高度设置在0.5m（相
当于实际高度100m），参考点高度处试验风速约
为6.3m/s，风速比为1: 3.76，风洞试验时间比为1: 53.2。风洞试验中采用的采样时间为13.1s，采样频 率为313Hz。因此，试验采集的风压系数时程对应 的实际时间约为11.6min（=53.3*13.1）。
（2）人工形成法：当前国际上主要采用的大气边 界层模拟方法。方法有：曲网法、棍栅法、曲线切 面蜂窝法、1/4椭圆尖劈+挡板+粗糙元法、大孔眼 格网法、尖塔旋涡发生器法和孔板速度车法。
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首都机场3号航站楼测压试验
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4.4 试验模型
2004年7月建成。风洞为回、直流两用构造型式，
试验段宽3.0 m×高2.5m ×长15.0 m 。
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北京大学风洞
宽3米×高2米×长32米直流式大气边界层风洞
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哈工大风洞与波浪模拟实验室
单回流闭口双试验段构造。 风洞小试验段入口截面宽4.0m ×高3.0m ×长 25m，空风洞最大风速44m/s，主要用于单体建筑 和建筑群的流场显示、测力、测压等试验。 风洞大试验段入口截面宽6.0m ×高3.6m ×长 50m ，最大风速25m/s，主要用作风环境试验和桥 梁模型试验。 大试验段底板可开启，下设水槽，水槽宽5.0m， 深4.5，长50m，最大工作水深4 m；另在水槽中部 设有一10m长，5m宽，22m深的深井，主要用于深 海海洋平台研究。
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中国空气动力研究与发展中心：最全，绵阳
低速所FL - 13直流风洞：宽8m×高6m×长15m/ 宽12m×高16m×长25m，其转盘直径为6m。20～
100米/秒/5～25米/秒
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Φ3.2米低速回流风洞
4米×3米低速回流风洞
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Φ5m立式风洞
直径5米，试验区 高7.5米；速度范围： 0～50米/秒
速 0 ～ 60 米 /秒连续可调。
低速试验段高4.4 米×宽5.5米×长15米，最大风
速不小于 16 米 /秒。
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汕头大学风洞实验室
1996 年 11 月，风洞主试验段宽 3 米 ×高 2 米
×长 20 米 ，最高风速达 45 米 / 秒。
长安大学风洞实验室
建筑面积1600余平方米，投资约1200万元，于
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21:46:21
（4）气动弹性模型
适用于所有结构。
采用相似理论设计
试验模型。 优点：直接获得结 构响应； 缺点：模型复杂。
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21:46:21
东莞国际金融大厦
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珠江新城
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深圳证卷交易中心
重庆袁家岗体育场风洞试验模型
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武汉体育中心体育场风洞模型
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4.5 武汉音乐风洞试验
武汉音乐厅主体建筑物东西轴线长约112米，南北 轴线长约70米，最大高度37.2米，建筑物外形酷似 一台巨大的钢琴 ，体形独特，从现有荷载规范中不 可能直接查到相应的风荷载。因此，必须通过风洞 试验来测试建筑物表面各部分的风压系数。
大连理工大学风洞、
西南交通大学风洞 等等
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4.2.2 测量设备
1、压强测量（测压管、压强计、压强扫描阀） 1） 静压测量：低压管，测量流场中某一点的静压。 根前端为封闭的半球形管子，管前端开有4~8个小 孔（直径0.3mm~0.5mm ）。孔位支杆修正系数。
L1=（3~8）D1， L2=（8~20）D2
变截面的U形管压强计 （c）斜管微压计 单管压强计的玻璃管倾斜一角度后便成斜管微 压计 。
21:46:21
（a）U形管压强计；（b）单管压强计；（c）斜管微压计
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（2）测压传感器 液柱式压强计因体积大、反应慢、易受环境条 件影响等缺点，其应用已逐渐减少。代之以体积小、 反应快、数据量可直接采集和处理的测压传感器。 （a）应变式：测压范围广，结构简单，线性度好， 性能稳定。但灵敏度低。
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回流式风洞全景图
21:46:21
回流式风洞构成
（1）试验段；（2）扩压段；（3）拐角与导流片； 21:46:21 （4）稳定段、蜂窝器和整流网；（5）收缩段。
回流式低速大气边界层风洞构成
（1）实验段；（2）扩压段；（3）拐角与导流片； 21:46:21 （4）稳定段、蜂窝器和整流网；（5）收缩段。
模型通过其端部的轴和两边的端杆相连。每边的
端杆上安装四根弹簧，弹簧的另一端和固定支架相
连。这样，模型和八个弹簧构成竖向弯曲和扭转两
自由度振动系统。
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Rigid frame Rigid bar
Transducer Spring Rigid frame
Rigid bar Rigid bar
（1）测压模型
适用于桥梁、高层建筑、空间结构等。 优点： 风压分布；缺点：试验过程复杂（注意的问题：管 路系统的畸变和修正）
（2）高频动态测力天平试验（模型）
适用于高层建筑、高耸结构（格构式）。优点： 试验方便；缺点：用途受限
21:46:21
21:46:21
（3）桥梁专门模型（节段模型）
测力、测振-识别桥梁气动参数。 刚体模型，保证在振动过程中模型本身不会发 生弹性变形。
4
4.1 风洞试验目的
结构风洞实验
结构抗风研究与设计时需要结构的体形系数和风
振系数，但仅依靠荷载规范，往往很难精确得到。
在实际中，常采用风洞试验来准确获得体形复杂结
构的体型系数和风振系数。
风压分布、体型系数：刚性模型侧压风洞试验；
动力效应、风振系数：气动弹性模型风洞试验。
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4.2 风洞实验主要设备
U 2
p m
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（2）热线风速仪
目前常用的风速测量仪器。热线探头为表面镀铂钨丝，直 径约为5μm，长度约为1~2mm。测量前先通电加热并使接 入的电桥平衡，风作用下探头降温，再增加电压使探头升温， 直到电桥再平衡。根据电压变化即可知道风速变化。
21:46:21
4.2.4 脉动风速测量
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1、试验模型
21:46:21
1：200
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2、测压点布置
在各墙面和屋面边缘区域以及屋面屋脊区域布置 的测压点相对较为密集，而在建筑物外表面的其他 区域布置的测压点则相对稀疏。另一方面，考虑到 风压压差测量的要求，屋面挑檐部分上下表面和排 柱正反两面的测压点均一一对应布置，据此共布置 了608个测压点： 外墙表面：286个； 屋面上下表面：267个； 东西排柱上：40个； 建筑物内部：15个。
21:46:21
总压测量：平头总压管（皮托管），开口端平面 与气流方向垂直，另一端用导管与压强计相连接。
21:46:21
总压管
气流方向修正系数
2）压强测量仪
（1）液柱式压强计 （a）U形管压强计：设ρ1为被测压强，ρ2为参考 压强（常用大气压强），则
p1 p2 gh
（b）单管压强计
还需要风速、风压、气动力等测量设备。
实验模型：用于实验的结构模型必须遵循一定的相 似准则；
风场模拟：风洞模拟的风场必须反映实际的大气边
界风场的主要特性。
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4.2.1、试验风洞
结构抗风研究风洞：低速大气边界层风洞，其气流的马赫 数Ma≤0.4，忽略空气压缩。另外，实验段较长，可在实验 段中加设必要的装置模拟出地表风速。 风洞有回流式风洞和直流式风洞两种。和回流式风洞相比， 直流式风洞占地小，造价低，但噪声大，实验段风速的品质 会受到风洞进、出口处外界大气的干扰以及实验段的压强低 于洞外大气压强等。
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（3）压强 扫描阀：电 子切换开关
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4.2.3 风速测量
（1）风速管 风速管是将总压管和静压管组合在一起的一种复 合管。如下图。
风速管
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风速计算
设总压和静压之差由风速管测出为Δ pm，考虑仪 器和测量误差为ξ，根据柏努利方程，则有
所以，风速为
1 2 pm U 2
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国内主要风洞
同济大学风洞：有大、中、小三座边界层风洞，总体规模 居世界前列，其中 TJ-3 号风洞为世界同类风洞的第二位。
TJ-1 ：直流闭口式，实验段1.8 m高×1.8m宽×14m长 ， 风速1～30 米/秒。
21:46:21
TJ-2 ：实验段高2.5 米×宽3.0米×长15m ，风速 3～67 米/秒。
脉动风速常用热线风速仪测量紊流度的方法测量。
根据测得的瞬时速度随时间的变化情况，进一步分
析可得脉动风速功率谱。
4.3 风场模拟
1、风场模拟主要参数 平均风速沿高度的变化、紊流度沿高度的变 化、脉动风功率谱、紊流积分尺度等。
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2、模拟方法
自然形成法和人工形成法。
（1）自然形成法：在均匀粗糙壁上自然形成模拟 的大气边界层，所需试验段非常长，一般要求20米 以上，而且通常还需加上一定的人工紊流装置，目 前很少采用。
H测点区
DH测点区 I测点区 DI测点区 J测点区 K测点区 DK测点区
21:46:21
中间高屋盖西侧上表面Hale Waihona Puke Baidu
中间高屋盖西侧下表面 中间高屋盖东侧上表面 中间高屋盖东侧下表面 西侧排柱正反面 东侧排柱正面 东侧排柱反面 建筑物内表面
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21 56 14 16 12 12 15
N测点区
3 试验设备
风洞：广东省建科院建筑风洞实验室，为串联双 试验段回流式风洞，分为大小两个试验段。本试验 使用的是大试验段。 1）大试验段为闭口试验段：长10m、宽3m、高2m， 最高风速为18m/s；
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TJ-3 ：实验段 2.0 米高×15米宽× 15米长 ，风速 0.5～17 米/秒。
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湖南大学风洞
2004 年 6 月建成，占地 2000m2 ，建筑面积
3200 m2。风洞全长53米、宽18米，为低速、单回
流、并列双试验段的边界层风洞。
高速试验段高2.5 米×宽3米×长17米，试验段风
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（b）压阻式：压阻效应。圆形硅膜片上采用集成 电路工艺制造了4个等值电阻，组成平衡电桥。 优点是灵敏度高，频率响应高。但易受环境温 度变化的影响。 （c）电容式：平板电容器的可动极发生移动或变 形，电容量亦变化。 结构简单、灵敏度和频率响应高。但精度较低。 （d）压电式 ：压电效应。 频率响应及灵敏度均很高。但低频性能不好， 不适于测量变化缓慢的或静态压强。
控制
电信号
数据 计算机
采集主机 DSM3200
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电子扫描阀测压系统组成示意图
4、风场模拟
考虑到本建筑物周围比较空旷，相邻建筑物对本
建筑物的风荷载的风致干扰影响主要来自西侧的武
汉大剧院，但由于d/b和d/H均在3.8以上，对本建筑 风荷载的干扰影响很小可以不加考虑。按国《荷载 规范》为B类地貌场地条件下的单体建筑风洞风压 试验考虑，地面粗糙度系数取为α＝0.16。风荷载 按50年重现期考虑，其基本风压为0.35kN/m2，对 应的实际风速约为23.7m/s。
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测点层位置及测压点个数
测点层/区序号 A测点层 B测点层 C测点层 D测点层 Da测点层 E测点层 F测点区 G测点区 测压点所在建筑物表面位置 2.7米标高处外墙面 8.4米标高处外墙面 14.4米标高处外墙面 20.4米标高处外墙面 23.4～26.2米标高处外墙面 25.9～36.4米标高处外墙面 北面低屋盖外表面 南面低屋盖外表面 测压点个数 36 60 60 60 28 42 60 60
2）小试验段为可开口亦可闭口试验段：长9m、宽 1.2m、高1.8m，最高风速为46m/s。
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测压系统
美国Scanivalve公司生产的电子扫描阀测压系统， 型号：DSM3200，SPC3000，ZOC33×3压力扫描 模块，每次可测量372个测点。
模型测压孔 导管
ZOC33测压模块
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风场模拟 1）风洞
在风洞试验段内采用B类尖塔、前方100mm挡板、 尖塔1.5m以下处加50mm木条和连续分布B类粗糙 元等模拟出B类地貌的风剖面。
1.6 1.4 1.2
平均风速测试值 湍流强度测试值
指数＝0.16 指数= -0.3
高度（m）
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
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0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
U(z)/UG
2）实验风速
试验中风速（风压）参考点高度设置在0.5m（相
当于实际高度100m），参考点高度处试验风速约
为6.3m/s，风速比为1: 3.76，风洞试验时间比为1: 53.2。风洞试验中采用的采样时间为13.1s，采样频 率为313Hz。因此，试验采集的风压系数时程对应 的实际时间约为11.6min（=53.3*13.1）。
（2）人工形成法：当前国际上主要采用的大气边 界层模拟方法。方法有：曲网法、棍栅法、曲线切 面蜂窝法、1/4椭圆尖劈+挡板+粗糙元法、大孔眼 格网法、尖塔旋涡发生器法和孔板速度车法。
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首都机场3号航站楼测压试验
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4.4 试验模型
2004年7月建成。风洞为回、直流两用构造型式，
试验段宽3.0 m×高2.5m ×长15.0 m 。
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北京大学风洞
宽3米×高2米×长32米直流式大气边界层风洞
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哈工大风洞与波浪模拟实验室
单回流闭口双试验段构造。 风洞小试验段入口截面宽4.0m ×高3.0m ×长 25m，空风洞最大风速44m/s，主要用于单体建筑 和建筑群的流场显示、测力、测压等试验。 风洞大试验段入口截面宽6.0m ×高3.6m ×长 50m ，最大风速25m/s，主要用作风环境试验和桥 梁模型试验。 大试验段底板可开启，下设水槽，水槽宽5.0m， 深4.5，长50m，最大工作水深4 m；另在水槽中部 设有一10m长，5m宽，22m深的深井，主要用于深 海海洋平台研究。
21:46:21
中国空气动力研究与发展中心：最全，绵阳
低速所FL - 13直流风洞：宽8m×高6m×长15m/ 宽12m×高16m×长25m，其转盘直径为6m。20～
100米/秒/5～25米/秒
21:46:21
Φ3.2米低速回流风洞
4米×3米低速回流风洞
21:46:21
Φ5m立式风洞
直径5米，试验区 高7.5米；速度范围： 0～50米/秒
速 0 ～ 60 米 /秒连续可调。
低速试验段高4.4 米×宽5.5米×长15米，最大风
速不小于 16 米 /秒。
21:46:21
汕头大学风洞实验室
1996 年 11 月，风洞主试验段宽 3 米 ×高 2 米
×长 20 米 ，最高风速达 45 米 / 秒。
长安大学风洞实验室
建筑面积1600余平方米，投资约1200万元，于
21:46:21
21:46:21
（4）气动弹性模型
适用于所有结构。
采用相似理论设计
试验模型。 优点：直接获得结 构响应； 缺点：模型复杂。
21:46:21
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21:46:21
东莞国际金融大厦
21:46:21
珠江新城
21:46:21
深圳证卷交易中心
重庆袁家岗体育场风洞试验模型
21:46:21
武汉体育中心体育场风洞模型
21:46:21
4.5 武汉音乐风洞试验
武汉音乐厅主体建筑物东西轴线长约112米，南北 轴线长约70米，最大高度37.2米，建筑物外形酷似 一台巨大的钢琴 ，体形独特，从现有荷载规范中不 可能直接查到相应的风荷载。因此，必须通过风洞 试验来测试建筑物表面各部分的风压系数。
大连理工大学风洞、
西南交通大学风洞 等等
21:46:21
4.2.2 测量设备
1、压强测量（测压管、压强计、压强扫描阀） 1） 静压测量：低压管，测量流场中某一点的静压。 根前端为封闭的半球形管子，管前端开有4~8个小 孔（直径0.3mm~0.5mm ）。孔位支杆修正系数。
L1=（3~8）D1， L2=（8~20）D2
变截面的U形管压强计 （c）斜管微压计 单管压强计的玻璃管倾斜一角度后便成斜管微 压计 。
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（a）U形管压强计；（b）单管压强计；（c）斜管微压计
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（2）测压传感器 液柱式压强计因体积大、反应慢、易受环境条 件影响等缺点，其应用已逐渐减少。代之以体积小、 反应快、数据量可直接采集和处理的测压传感器。 （a）应变式：测压范围广，结构简单，线性度好， 性能稳定。但灵敏度低。
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回流式风洞全景图
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回流式风洞构成
（1）试验段；（2）扩压段；（3）拐角与导流片； 21:46:21 （4）稳定段、蜂窝器和整流网；（5）收缩段。
回流式低速大气边界层风洞构成
（1）实验段；（2）扩压段；（3）拐角与导流片； 21:46:21 （4）稳定段、蜂窝器和整流网；（5）收缩段。
模型通过其端部的轴和两边的端杆相连。每边的
端杆上安装四根弹簧，弹簧的另一端和固定支架相
连。这样，模型和八个弹簧构成竖向弯曲和扭转两
自由度振动系统。
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Rigid frame Rigid bar
Transducer Spring Rigid frame
Rigid bar Rigid bar
（1）测压模型
适用于桥梁、高层建筑、空间结构等。 优点： 风压分布；缺点：试验过程复杂（注意的问题：管 路系统的畸变和修正）
（2）高频动态测力天平试验（模型）
适用于高层建筑、高耸结构（格构式）。优点： 试验方便；缺点：用途受限
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（3）桥梁专门模型（节段模型）
测力、测振-识别桥梁气动参数。 刚体模型，保证在振动过程中模型本身不会发 生弹性变形。
4
4.1 风洞试验目的
结构风洞实验
结构抗风研究与设计时需要结构的体形系数和风
振系数，但仅依靠荷载规范，往往很难精确得到。
在实际中，常采用风洞试验来准确获得体形复杂结
构的体型系数和风振系数。
风压分布、体型系数：刚性模型侧压风洞试验；
动力效应、风振系数：气动弹性模型风洞试验。
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4.2 风洞实验主要设备
U 2
p m
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（2）热线风速仪
目前常用的风速测量仪器。热线探头为表面镀铂钨丝，直 径约为5μm，长度约为1~2mm。测量前先通电加热并使接 入的电桥平衡，风作用下探头降温，再增加电压使探头升温， 直到电桥再平衡。根据电压变化即可知道风速变化。
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4.2.4 脉动风速测量
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1、试验模型
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1：200
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2、测压点布置
在各墙面和屋面边缘区域以及屋面屋脊区域布置 的测压点相对较为密集，而在建筑物外表面的其他 区域布置的测压点则相对稀疏。另一方面，考虑到 风压压差测量的要求，屋面挑檐部分上下表面和排 柱正反两面的测压点均一一对应布置，据此共布置 了608个测压点： 外墙表面：286个； 屋面上下表面：267个； 东西排柱上：40个； 建筑物内部：15个。
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总压测量：平头总压管（皮托管），开口端平面 与气流方向垂直，另一端用导管与压强计相连接。
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总压管
气流方向修正系数
2）压强测量仪
（1）液柱式压强计 （a）U形管压强计：设ρ1为被测压强，ρ2为参考 压强（常用大气压强），则
p1 p2 gh
（b）单管压强计