风洞试验技术介绍及应用

风洞试验技术介绍及应用
一、风洞简介
什么是风洞 风洞是指一个按一定要求设计的、具有动力装置的、用于
各种气动力试验的可控气流管道系统。 风洞的分类
1. 按流动方式分：闭口回流式风洞和开口直流式风洞 2. 按风速大小分：低速风洞，高速风洞和高超声速风洞 3. 按风洞试验段的构造分：封闭式风洞和敞开式风洞 4. 按风洞的功能分： 航空风洞，建筑风洞，
度，顺风向功率谱常采用Karman谱
nSu (n)
2 u
4n* 1 70.8n*2
5/6
➢湍流积分尺度：描述气流中各种旋涡沿某一方向的平均尺度，顺风向湍流积分尺度介于
100～300m，随高度增大而增大
Lx
100
Z 30
0.5
大气边界层流场模拟
大气边界层流场的被动模拟技术
➢利用格栅、尖劈和粗糙元等被动紊流发生装置形成所需模拟紊流
国内近年兴建的边界层建筑风洞： 湖南大学(2004), 长安大学(2004), 大连理工大学(2006), 中国建科院 (2007), 西南交通大学(2007), 哈尔滨工业大学(2008), 石家庄铁道大学 (2009)，浙江大学(2010)
中国建科院直流式边界层风洞
长安大学回流式边界层风洞
ZD-1边界层风洞－简介
天平测力技术
ZD-1风洞精密仪器介绍
热线风速仪
品牌：DANTEC 出产地：丹麦 量程：0.5～60m/s 精度：±1.5%或±0.02m/s 采样频率：10kHz 通道数：4通道 购置时间：2010.9
ZD-1风洞精密仪器介绍
电子压力扫描阀
品牌：SCANIVALVE 出产地：美国 量程： ± 2500Pa 精度： ± 0.15％F.S. 采样频率：625Hz 模块数：8 同步测压数：512通道 购置时间：2010.9
平均气动力 <- 三分力天平、五分力天平、六分力天平 脉动风荷载 <- 高频天平
ZD-1风洞典型工程测压试验wenku.baidu.com
覆冰导线气动力试验
ZD-1风洞典型工程测压试验
施工防护网测力试验
ZD-1风洞典型工程测压试验
电动转轴风洞测力试验
气动弹性模型测振试验
目的：研究气弹模型的风振特性和响应、获得风振系数等参数
目的： 确定结构物表面风压（系数） 平均风压／脉动风压
确定结构体型系数
确定结构物的面/线荷载
应用： 建筑物幕墙、屋盖等覆面设计 － 瞬时风荷载
主结构设计静力风荷载 - 平均风荷载
结构风致振动响应分析（动荷载、位移、加速度 )– 脉动风荷
方法：
载 均匀流场
格栅紊流场
刚性不变体 压力传感器系统 表面风压
➢ 风洞类型：闭口回流风洞 ➢ 结构类型：立式混合结构风洞 ➢ 试验段类型：单试验段风洞 ➢ 风速类型：低速风洞 ➢ 建成时间：2010年10月
ZD-1边界层风洞－照片
ZD-1边界层风洞－技术参数与特色
➢主要技术参数： 风洞尺寸：试验段尺寸为4m(宽)×3m(高)×18m(长) 试验段风速范围：3-55m/s，控制精度：优于1.0% 试验段转盘：前转盘直径1.5m，后转盘直径2.5m
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ZD-1风洞典型工程测压试验
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ZD-1风洞典型工程测压试验
宁波中国港口博物馆
绍兴东方山水图
刚性模型测力试验
目的：获得建筑、桥梁等整体和局部风荷载和动态气动力
方法：利用测力天平测出作用在整体结构上的气动合力（系数）或者作用 在结构不同节段上的气动力（系数） 对象：刚性不变形的全模型或节段模型 测试内容：
u(t) = A+ B×ΔP^0.5
能测定任意方向来流风速，成本不高
风压测量技术
微压计
原理：以流体静压力基本方程为基础 ,根据液柱受压时液柱高度发生变化 来度量空气压力的大小
用途：主要用来测定静态风压和风速的监测
倾斜式微压计
补偿式微压计
风压测量技术
微压差变送器
原理：将两个压力引入一张膜片（膜盒）的两边，由于两个压力差 （差压）引起膜片产生位移或位移的趋势（力），然后将这种位移 量或作用力，转化为电量或其它标准信号输出。 用途：主要用来风速闭环控制以及测定高频风压
风力测试技术
天平
测力天平是直接测量作用在结构物模型上静风荷载（空气动力）的一种测 量装置，简称天平。
天平可以将作用在模型上的静风荷载按天平的直角坐标系分解成三个互相 垂直的力分量和绕三个坐标轴的力矩分量，并分别测量。
天平分类
按测力原理分：机械天平、应变天平、压电天平和磁悬浮天平 按所测分量分：单分量天平、三分量天平、五分量天平和六分量天平 按安装型式分：外式天平、内式天平 按频率响应分：静力天平、高频天平
➢第一基本缩尺比：几何缩尺比
风洞的尺寸
结构的尺寸
风洞堵塞度＝模型顺风向投影面积/风洞试验段截面积≤6%
模型制作的精度和难度
湍流积分尺度
➢第二基本缩尺比：风速比
风洞的最大风速 考虑重力影响
设计风速 结构承受的最大风力
➢第三基本缩尺比：密度比＝1
相似理论
导出缩尺比
➢时间、频率缩尺比 ➢位移、加速度缩尺比 ➢弹性模量、刚度缩尺比
方法：利用测振设备测试风荷载作用下气动弹性结构的振动响应
对象：气动弹性模型 测试内容：
动应变 <- 动态应变仪 动位移 <- 激光计 加速度 <- 加速度计
ZD-1风洞典型工程测振试验
同塔四回路输电铁塔
ZD-1风洞典型工程测振试验
1800t柔性腿吊机
ZD-1风洞典型工程测振试验
复合屋面板单元测振试验
大气边界层流场
气动刚性模型测压试验
相似准则：
➢几何相似 ➢一般无需模拟结构的刚度、质量和动力特性等 ➢对于紊流场试验
时间和频率的相似 脉动风特性：紊流度、功率谱和紊流积分尺度 ➢对于大开孔脉动内压试验 结构刚度和气动刚度的相似
气动刚性模型测压试验
风压测量系统示意图
气动刚性模型测压试验
模型制作原则：
气动刚性模型测压试验
风向角：
➢范围：0～360度 ➢间隔：10～15度，局部可加密
采样频率：
➢尽可能高 ➢上限受压力扫描阀系统性能的限制
采样时间：
➢以样本原型时间长度不少于10min为宜 ➢根据时间比计算模型所需的样本长度
ZD-1风洞典型工程测压试验
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ZD-1风洞典型工程测压试验
谢谢观赏！
三、边界层风洞在风工程研究中的应用
相似理论 大气边界层流场模拟 气动刚性模型测压试验 气动刚性模型测力试验 气动弹性模型测振试验
相似理论
风洞实验的基础：绕模型的流动和绕原型的流动相似
流动相似的五大要素： ➢几何相似－最基本的流动相似条件 ➢运动相似－速度和加速度场的相似 ➢动力相似－同名作用力场的相似 ➢质量相似－密度场的相似 ➢热力相似－温度场的相似
➢主要特色： 试验断面大、风速高、流场品质好； 应用范围广:涵盖建筑、桥梁、交通、工业空气动力学、航空航天领域； 配有全国领先的移测架，能实现风速实时移测。
二、风洞测试技术
风速测试技术 风压测试技术 风力测试技术
风速测量技术
皮托静压管（Pitot-static tube）
对于低速（即风速不超过0.3倍音速， 约100m/s）、不可压缩的流动，沿某一流 线作稳定流动的不可压缩无粘性气流应满 足下述伯努力方程：
气动刚性模型测压试验
测点布置原则：
➢原型结构每120m2表面内不少于1个测压点 ➢根据建筑物表面不均匀布置
需要加密的部位：风压急剧变化的区域 可适当降低测点布置密度的部位：面积较大平缓的区域 ➢内外或上下两面均暴露受风的构筑物需双面布点
试验风速选择：
➢压力传感器的量程和灵敏度 ➢模型的刚度、强度和安装情况 ➢风洞的试验风速范围
相似理论
相似准则
➢斯特拉哈数：非定常惯性力与定常惯性力的比值 ➢欧拉数：流体压力与流体惯性力的比值 ➢雷诺数：流体惯性力与流体粘性力的比值 ➢弗劳德数：流体惯性力与重力的比值 ➢柯西数：结构弹性力与流体惯性力的比值 ➢惯性参数：结构惯性力与流体惯性力的比值 ➢阻尼参数：无量纲阻尼比
相似理论
基本缩尺比
p 1 U 2 C
2
U 2( ptotal p) /
常与微压计（补偿式、倾斜式）相连用 来测定来流的平均风速
p 1 U 2 C 2
皮托静压管原理图
风速测量技术
热线（膜）风速仪（hot wire/film anemometer）
原理：利用探头上的热线（膜）在气流流过时由于散热量增加而降温从而导致 电阻变化的原理来测量风速。
优点：价格较低，应用方便
缺点：参数变化困难
平板格删紊流场模拟
尖塔阵和粗糙元模拟边界层流场
ZD-1风洞特色流场调试技术
多功能尖劈组合装置和可移动粗糙元相结合 三维移测架与风速排管联合调试 平均风速与脉动风速、竖向风剖面和横向均匀性兼顾
气动刚性模型测压试验
主要对象： 低矮建筑 高层建筑 体育场馆 会展中心等
➢力的缩尺比 ➢结构质量、质量惯性矩缩尺比
大气边界层流场模拟
大气边界层风特性
➢平均风剖面：描述平均风速沿高度的变化规律，常用指数率
Vz Vr
Z Zr
➢紊流度剖面：描述相对紊流强度沿高度的变化规律
Iu
I10
Z 10
➢功率谱：描述紊流运动强度随频率的分布情况，即不同尺度旋涡的运动对风速脉动的贡献程
能测定高频动态风速，测量精度取决于标定 热线用直径只有几微米的合金细丝制成，因非常脆而容易断裂，且价格昂贵
风速测量技术
Irwin探头
原理：它由一个带有较深静压孔的圆柱形基座和一根安装于静压孔中央的细长 探头管组成。探头管外径一般在1mm 左右，静压孔的直径略大于探头管。探 头管应轴对称地安装在静压孔的中央，其高出基座顶面的高度由行人高度和模 型试验的几何缩尺比确定。试验中，来流风速时程u(t) 可以按照下式确定：
➢几何相似 严格模拟被测建筑主体结构的外形 需要模拟以主建筑为中心300～500m半径范围内的周边环境
➢几何缩尺比的确定 堵塞率＝模型顺风向投影面积/风洞试验段截面积≤5% 主建筑内部空间和扫描阀模块的尺寸数量 适度考虑紊流积分尺度的相似性
➢模型材料：有机玻璃、塑料、木材等，保证试验过程中不发生显著振动 ➢雷诺数效应对策：对于光滑曲面部分，需要进行适当的表面粗糙化处理
微压差变送器
风压测量技术
电子压力扫描阀
➢原理： 利用多通道的传感器（ZOC）进行多点压力
的测量和数据采集，并利用数模转换系统（DSM 或DSA模块）和微处理器对数据进行处理。 ➢工作方式：
多通道模块高速扫描，模块间相同通道同步 采集。 ➢用途：
主要用于同步测定多点高频动态风压。
工作原理图
主机
模块
环境风洞，汽车风洞
低速风洞的组成
1. 洞体： 动力段、扩散段、稳定段、收缩段、试验段、蜂窝器、阻尼网
2. 动力驱动系统： 直流调速器/交流变速器控制电机驱动风扇
3. 测控系统： 速压控制、α/β机构控制、移测架控制、风压(速)测量系统等
边界层风洞
相对于航空风洞来说，用于土木工程结构的风洞一般都是风速较低的低 速风洞，并且紊流度要求不高，用于土木工程结构的风洞一般拥有较长的试 验段，以模拟大气边界层风场，因此，常被称为边界层风洞。