气动参数识别
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MY — 侧向弯矩 (Yawing moment)
MR
U
L B
图3. 测力天平
要求： 高灵敏度 大刚度 稳定性 非耦合
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
2.2 测力模型
(1) 轻质—惯性力小、频率高
(2) 刚性—无变形、频率高
(3) 外型—按比例缩尺、相似
2.3 三分力系数（定常气动力系数3个）
气动力数值与天平测量精度 例如： 天平量程10kg，精度+1% 气动力≥100g
• 数据采样
1 n Fx Fx (ti ) — 样本均值 n i 1
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
3.准定常气动参数识别
3.1 准定常假定
任意时刻的气动力仅仅与结构当前时刻 的姿态有关，
而与以前时刻的姿态无关 动压： Q (U u dp )2
建筑结构 表面测压试验 (Cladding load test) 气弹模型试验 (Aeroelastic model test) 节段模型试验 (Sectional model test) 桥梁结构 拉条模型试验 (Taut strip model test) 气弹模型试验 (Aeroelastic model test)
' [2CD u(t ) ( CL CD ) w(t )]
UB
2 UB 2 2 ' 2 S D ( w) ( ) [4CD | Du |2 Su ( w) ( CL CD ) | Dw |2 Sw ( w)] 2 UB2 2 2 '2 S M ( w) ( ) [4CM | Mu |2 Su ( w) CM | Mw |2 S w ( w)] 2
4.4 识别原理(续) (t )} [ K ]{ y (t )} 0 识别方程： [M ]{y(t )} [C ]{ y
t t t * * B 21 H1 B 32 H 2 [Ct ] [Cs ] 3 * 4 * B 1 A1 B 2 A2 * 2 * B 212 H 4 B 32 H3 [Kt ] [K s ] 3 2 * 4 2 * B A B A 1 4 2 3
* A4 ( K1 )
A1* ( K1 )
* A2 (K2 )
Im ( K s 21 K t 21 ) B 312 Im ( K s 22 K t 22 ) 2 B 42
* A3 (K2 )
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
4.4 识别原理(续) 阻尼参数： Cs11 Cs12
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
1.3
风洞试验分类
高空或行人风环境 (Pedestrian level test)
风 环 境
建筑物周边风环境 (Topographical model test)
环境空气动力学试验 (Environment aerodynamics) 天平测力试验 (Force balance test)
方法改进主要体现在提高精度和稳定性上
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
5. 气动导纳识别
5.1 气动导纳定义 [2C u(t ) (C 抖振力时域表达式：L (t ) UB 2
b L ' L
CD ) w(t )]
Db (t )
UB
抖振力频域表达式：
S L ( w) (
2 UB ' M b (t ) [2CM u(t ) CM w(t )] 2
2 * 1
2m hh 0 [Cs ] ; 0 2 I m
2 mh 0 [K s ] 2 0 I m
基本假定：
竖向运动时第一阶模态为主，第二阶模态可忽略
扭转运动时第二阶模态为主，第一阶模态可忽略
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
(1)运动相关力 (自激力)
FLf
U 2 B
2 U 2 B ' ' nB )] / U } CD FDf {CD [2CD p (h 2 U 2 B 2 ' ' nB )] / U } CM Mf {CM [2CM p (h 2
同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系
桥梁抗风设计
第六讲
气动参数识别
主讲教师：杨詠昕
教授．副研究员
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
1、风洞试验简介 2、定常三分力系数识别
3、准定常气动参数识别 4、非定常气动参数识别
5、气动导纳识别
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
1. 风洞试验简介
1.1
' ' )] / U } CL {CL [2CL p ( h nB
(2) 准定常参数（6个）
dCL CL d dCD CD ' CD d dCM CM ' CM d
' CL
— 升力系数关于攻角的导数 — 阻力系数关于攻角的导数 — 升力矩系数关于攻角的导数
2
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
下周同一时间再见!
基本原理
• 良态气候模式 • 飓风气候模式
(1)风速及其风向分布模拟
(2)结构物风效应模拟
• 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
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
1.2
试验模型
(1)精确的结构物模型 • 适当的比例、刚度、质量和外观 (2)简化的周边环境模型 • 刚度很大、外形相似 (3)粗略的上游地表模型 • 用统一的或几种粗糙元模拟
传感器 2 节段模型
来流 U
传感器 1
端杆 弹簧
长钢丝
端杆
传感器 3
长钢丝 节段模型 来流 U 风洞洞壁
传感器 1
传感器 2
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
4.4 识别原理 振动方程：
(t )} [Cs ]{ y (t )} [ K s ]{ y (t )} {F f (t )} [ M s ]{ y m 0 [M s ] ; 0 I m L f {Ft(t)} M f h * B 2 * * h L f U B[ K1 H K2H 2 K2 H3 K12 H 4 ] U U B 2 2 * h * B 2 * * h M f U B [ K1 A1 K 2 A2 K2 A3 K12 A4 ] U U B
识别公式：
H1* ( K1 )
* H2 (K2 )
m m * ( C C ); H ( K ) ( K s11 K t11 ) s11 t11 4 1 B 21 B 212 m m * ( C C ); H ( K ) ( K s12 K t12 ) s12 t12 3 2 2 B 32 B 32 Im (Cs 21 Ct 21 ); B 31 m (Cs 22 Ct 22 ); B 42
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
1.4
主要试验设备
(1)皮托管测压—平均风速
Pstatic
Ptotal
Pt Ps Pd P0 Pd Pt Ps 1 aU 2 2
1 aU 2 w gh 2
来自百度文库
Pdyn
w U 2g h a
图1. 皮托管测压
w
4. 非定常气动参数识别
4.1 模型要求 (1) 刚性—无挠曲变形 (2) 振动—质量、刚度、频率 (3) 外形—按比例缩尺
4.2 识别方法 (1) 自由振动测振法 (2) 强迫振动测振法 (3) 自由振动测压法 (4) 强迫振动测压法
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
4.3 自由振动试验系统
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
2. 定常三分力系数识别
2.1 测力天平
FL MY
FL — 升力(Lift force) FD — 阻力(Drag force) FS — 侧向力 (Side force)
FS
MP
FD
MP — 竖向弯矩 (Pitching moment)
MR — 扭矩 (Rolling moment)
CL FL 1 U 2 B 2 FD CD 1 U 2 H 2 MP CM 1 U 2 B 2 2
— 升力系数
— 阻力系数 — 升力矩系数
通常是在均匀流场中进行的
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
2.4 系数识别
• 模型姿态
风攻角：-12° +12° 风偏角：模拟比较困难
• 试验风速
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
1.4
主要试验设备 (续)
(2) 热线风速仪—脉动风速
U
静力：W H W I 2 Rw , H A1 B1 U Tw Te 动力：CW dTw / dt W H
热线（膜）在气流流过时由于散热量
图2. 热线风速仪
增加而降温从而导致电阻变化
2 ' 2 )2 [4CL | Lu |2 Su ( w) (CD CL ) | Lw |2 S w ( w)]
气动导纳：χLu,χLw,χDu,χDw,χMu,χMw
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
5.2
简化识别方法
假定： | L |2 | Lu |2 | Lw |2
注意：△α的单位为弧度(arc)
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
3.3 Strouhal数
(1)定义
fd St U
f — 振动频率；d —直径或宽度；U —风速
(2)涡振参数
U pv f pd p Sp f pd p Sm
(3)尾流卓越频率
模型不同风速下实测尾流卓越频率 fp
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
| D |2 | Du |2 | Dw |2 | M |2 | Mu |2 | Mw |2
公式：
| L |2
2
S L ( w) 2 ' 2 ( UB / 2)2 [4CL S u ( w) (C D C L ) S w ( w)]
S D ( w) | D | 2 ' 2 ( UB / 2)2 [4CD S u ( w ) ( C L C D ) S w ( w)] S M ( w) | M | 2 '2 ( UB2 / 2)2 [4CM S u ( w) C M S w ( w)]
2 dt dC j
参数： C j C j ( ) 有效攻角： rel
d nB nB w w h h U u p U
rel
n—表示气动升力作用位置，机翼n=0.75
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
3.2 准定常气动力
C s 21 Ct11 C t 21 刚度参数： K s11 K s 21 K t11 K t 21
1 [ M ] [Cs ] s Cs 22 Ct12 1 [ M ] [Ct ] s Ct 22 K s12 1 [ M ] [Ks ] s K s 22 K t12 1 [ M ] [ Kt ] s K t 22
MR
U
L B
图3. 测力天平
要求： 高灵敏度 大刚度 稳定性 非耦合
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
2.2 测力模型
(1) 轻质—惯性力小、频率高
(2) 刚性—无变形、频率高
(3) 外型—按比例缩尺、相似
2.3 三分力系数（定常气动力系数3个）
气动力数值与天平测量精度 例如： 天平量程10kg，精度+1% 气动力≥100g
• 数据采样
1 n Fx Fx (ti ) — 样本均值 n i 1
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
3.准定常气动参数识别
3.1 准定常假定
任意时刻的气动力仅仅与结构当前时刻 的姿态有关，
而与以前时刻的姿态无关 动压： Q (U u dp )2
建筑结构 表面测压试验 (Cladding load test) 气弹模型试验 (Aeroelastic model test) 节段模型试验 (Sectional model test) 桥梁结构 拉条模型试验 (Taut strip model test) 气弹模型试验 (Aeroelastic model test)
' [2CD u(t ) ( CL CD ) w(t )]
UB
2 UB 2 2 ' 2 S D ( w) ( ) [4CD | Du |2 Su ( w) ( CL CD ) | Dw |2 Sw ( w)] 2 UB2 2 2 '2 S M ( w) ( ) [4CM | Mu |2 Su ( w) CM | Mw |2 S w ( w)] 2
4.4 识别原理(续) (t )} [ K ]{ y (t )} 0 识别方程： [M ]{y(t )} [C ]{ y
t t t * * B 21 H1 B 32 H 2 [Ct ] [Cs ] 3 * 4 * B 1 A1 B 2 A2 * 2 * B 212 H 4 B 32 H3 [Kt ] [K s ] 3 2 * 4 2 * B A B A 1 4 2 3
* A4 ( K1 )
A1* ( K1 )
* A2 (K2 )
Im ( K s 21 K t 21 ) B 312 Im ( K s 22 K t 22 ) 2 B 42
* A3 (K2 )
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4.4 识别原理(续) 阻尼参数： Cs11 Cs12
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
1.3
风洞试验分类
高空或行人风环境 (Pedestrian level test)
风 环 境
建筑物周边风环境 (Topographical model test)
环境空气动力学试验 (Environment aerodynamics) 天平测力试验 (Force balance test)
方法改进主要体现在提高精度和稳定性上
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
5. 气动导纳识别
5.1 气动导纳定义 [2C u(t ) (C 抖振力时域表达式：L (t ) UB 2
b L ' L
CD ) w(t )]
Db (t )
UB
抖振力频域表达式：
S L ( w) (
2 UB ' M b (t ) [2CM u(t ) CM w(t )] 2
2 * 1
2m hh 0 [Cs ] ; 0 2 I m
2 mh 0 [K s ] 2 0 I m
基本假定：
竖向运动时第一阶模态为主，第二阶模态可忽略
扭转运动时第二阶模态为主，第一阶模态可忽略
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(1)运动相关力 (自激力)
FLf
U 2 B
2 U 2 B ' ' nB )] / U } CD FDf {CD [2CD p (h 2 U 2 B 2 ' ' nB )] / U } CM Mf {CM [2CM p (h 2
同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系
桥梁抗风设计
第六讲
气动参数识别
主讲教师：杨詠昕
教授．副研究员
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
1、风洞试验简介 2、定常三分力系数识别
3、准定常气动参数识别 4、非定常气动参数识别
5、气动导纳识别
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
1. 风洞试验简介
1.1
' ' )] / U } CL {CL [2CL p ( h nB
(2) 准定常参数（6个）
dCL CL d dCD CD ' CD d dCM CM ' CM d
' CL
— 升力系数关于攻角的导数 — 阻力系数关于攻角的导数 — 升力矩系数关于攻角的导数
2
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下周同一时间再见!
基本原理
• 良态气候模式 • 飓风气候模式
(1)风速及其风向分布模拟
(2)结构物风效应模拟
• 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
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1.2
试验模型
(1)精确的结构物模型 • 适当的比例、刚度、质量和外观 (2)简化的周边环境模型 • 刚度很大、外形相似 (3)粗略的上游地表模型 • 用统一的或几种粗糙元模拟
传感器 2 节段模型
来流 U
传感器 1
端杆 弹簧
长钢丝
端杆
传感器 3
长钢丝 节段模型 来流 U 风洞洞壁
传感器 1
传感器 2
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4.4 识别原理 振动方程：
(t )} [Cs ]{ y (t )} [ K s ]{ y (t )} {F f (t )} [ M s ]{ y m 0 [M s ] ; 0 I m L f {Ft(t)} M f h * B 2 * * h L f U B[ K1 H K2H 2 K2 H3 K12 H 4 ] U U B 2 2 * h * B 2 * * h M f U B [ K1 A1 K 2 A2 K2 A3 K12 A4 ] U U B
识别公式：
H1* ( K1 )
* H2 (K2 )
m m * ( C C ); H ( K ) ( K s11 K t11 ) s11 t11 4 1 B 21 B 212 m m * ( C C ); H ( K ) ( K s12 K t12 ) s12 t12 3 2 2 B 32 B 32 Im (Cs 21 Ct 21 ); B 31 m (Cs 22 Ct 22 ); B 42
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1.4
主要试验设备
(1)皮托管测压—平均风速
Pstatic
Ptotal
Pt Ps Pd P0 Pd Pt Ps 1 aU 2 2
1 aU 2 w gh 2
来自百度文库
Pdyn
w U 2g h a
图1. 皮托管测压
w
4. 非定常气动参数识别
4.1 模型要求 (1) 刚性—无挠曲变形 (2) 振动—质量、刚度、频率 (3) 外形—按比例缩尺
4.2 识别方法 (1) 自由振动测振法 (2) 强迫振动测振法 (3) 自由振动测压法 (4) 强迫振动测压法
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4.3 自由振动试验系统
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
2. 定常三分力系数识别
2.1 测力天平
FL MY
FL — 升力(Lift force) FD — 阻力(Drag force) FS — 侧向力 (Side force)
FS
MP
FD
MP — 竖向弯矩 (Pitching moment)
MR — 扭矩 (Rolling moment)
CL FL 1 U 2 B 2 FD CD 1 U 2 H 2 MP CM 1 U 2 B 2 2
— 升力系数
— 阻力系数 — 升力矩系数
通常是在均匀流场中进行的
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
2.4 系数识别
• 模型姿态
风攻角：-12° +12° 风偏角：模拟比较困难
• 试验风速
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1.4
主要试验设备 (续)
(2) 热线风速仪—脉动风速
U
静力：W H W I 2 Rw , H A1 B1 U Tw Te 动力：CW dTw / dt W H
热线（膜）在气流流过时由于散热量
图2. 热线风速仪
增加而降温从而导致电阻变化
2 ' 2 )2 [4CL | Lu |2 Su ( w) (CD CL ) | Lw |2 S w ( w)]
气动导纳：χLu,χLw,χDu,χDw,χMu,χMw
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5.2
简化识别方法
假定： | L |2 | Lu |2 | Lw |2
注意：△α的单位为弧度(arc)
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
3.3 Strouhal数
(1)定义
fd St U
f — 振动频率；d —直径或宽度；U —风速
(2)涡振参数
U pv f pd p Sp f pd p Sm
(3)尾流卓越频率
模型不同风速下实测尾流卓越频率 fp
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
| D |2 | Du |2 | Dw |2 | M |2 | Mu |2 | Mw |2
公式：
| L |2
2
S L ( w) 2 ' 2 ( UB / 2)2 [4CL S u ( w) (C D C L ) S w ( w)]
S D ( w) | D | 2 ' 2 ( UB / 2)2 [4CD S u ( w ) ( C L C D ) S w ( w)] S M ( w) | M | 2 '2 ( UB2 / 2)2 [4CM S u ( w) C M S w ( w)]
2 dt dC j
参数： C j C j ( ) 有效攻角： rel
d nB nB w w h h U u p U
rel
n—表示气动升力作用位置，机翼n=0.75
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3.2 准定常气动力
C s 21 Ct11 C t 21 刚度参数： K s11 K s 21 K t11 K t 21
1 [ M ] [Cs ] s Cs 22 Ct12 1 [ M ] [Ct ] s Ct 22 K s12 1 [ M ] [Ks ] s K s 22 K t12 1 [ M ] [ Kt ] s K t 22