风洞试验技术介绍及应用

风洞试验技术介绍及应用余世策建工学院实验中心2014.2一、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，环境风洞，汽车风洞1.洞体：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)测量系统等低速风洞的组成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。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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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-statictube）212pUC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：常与微压计（补偿式、倾斜式）相连用来测定来流的平均风速皮托静压管原理图212pUC2()/totalUpp风速测量技术热线（膜）风速仪（hotwire/filmanemometer）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。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：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微压计补偿式微压计倾斜式微压计原理：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风压测量技术微压差变送器微压差变送器原理：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。工作原理图主机模块用途：主要用于同步测定多点高频动态风压。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：2010.9ZD-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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设计风速结构承受的最大风力考虑重力影响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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紊流度剖面：描述相对紊流强度沿高度的变化规律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度，顺风向功率谱常采用Karman谱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zrrVZVZu1010ZII*u5/62*2()4170.8unSnnn0.5x10030ZL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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)–脉动风荷载方法：均匀流场格栅紊流场大气边界层流场刚性不变体压力传感器系统表面风压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：几何相似严格模拟被测建筑主体结构的外形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需要模拟以主建筑为中心300～500m半径范围内的周边环境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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采样时间：上限受压力扫描阀系统性能的限制ZD-1风洞典型工程测压试验昆明宜良体育场港丽商务综合楼ZD-1风洞典型工程测压试验青岛绿城深蓝广场浦江体育场ZD-1风洞典型工程测压试验青岛绿城深蓝广场浦江体育场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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：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目的：获得建筑、桥梁等整体和局部风荷载和动态气动力ZD-1风洞典型工程测压试验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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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参考教材黄本才,汪丛军.结构抗风分析原理及应用(第二版)[M].上海：同济大学出版社,2008.[日]风洞实验指南研究委员会.建筑风洞实验指南[M].孙瑛,武岳，曹正罡译.北京：中国建筑工业出版社，2011.埃米尔.希缪,罗伯特.H.斯坎伦.风对结构的作用—风工程导论[M].刘尚培，项海帆，谢霁明译.上海：同济大学出版社,1992.2014年创新实验指南项目一：高层建筑风荷载干扰效应的测压试验研究（工程型）1.背景资料：建筑结构荷载规范（GB20009-2012）8.3.2规定:当多个建筑物，特别是群集的高层建筑，相互间距较近时，宜考虑风力相互干扰的群体效应;一般可单独建筑物的体型系数μs乘以相互干扰系数。相互干扰系数可按下列规定确定:1)对矩形平面高层建筑，当单个施扰建筑与受扰建筑高度相近时，根据施扰建筑的位置，对顺风向风荷载可在1.00－1.10范围内选取，对横风向风荷载可在1.00-1.20范围内选取;2)其他情况可比照类似条件的风洞试验资料确定，必要时宜通过风洞试验确定。2.任务书：查阅相关文献,自主设计一种建筑体型,设计风压测点,制作试验模型,设计试验工况,进行风洞试验,研究干扰效应对高层建筑风荷载的影响,并与规范结果进行对比。3.实验设计要求：建筑体型不限但要求便于组装测点数量控制在120个以内试验工况控制在40个以内4.组队要求：组数：3组每组人数：3-5人2014年创新实验指南项目二：雷诺数效应对圆柱绕流特性影响的测力试验研究（科研型）1.背景资料：圆柱绕流是空气动力学研究的一个经典问题，空气流过圆柱体时，空气的流动状态会随着雷诺数的变化而变化，从而造成圆柱体受到的风荷载发生改