（土木工程专业论文）风洞中大气边界层主动模拟技术研究.pdf

摘要 摘要 本文采用白行设计开发的主动控制振动尖劈装置在同济大学土木工程防灾国家重点实 验室t j 一2 风洞中进行了大气边界层风场模拟的初步尝试，j f ：得到了一些有意义的结论。这 是国内首次采用主动模拟技术进行大气边抖层模拟的研究。 由于钝体空气动力学在理论上的困难，结构风工程研究的主要手段还是通过风洞试验的 方法获得作川在结构l 的风载和风致振动响应值。风洞试验的首要任务就是合理的模拟大气 边界层。目前风洞试验中主要采用的尖劈和粗糙元的被动模拟方法，存在紊流尺度小筲难以 兜服的缺欠，而国外采川的主动模拟技术义存在造价昂贵，凋试复杂等缺点。 考虑到这些因素本文自行设汁开发了土动控制振动尖劈装置以及相应的控制系统的硬 件和软件。这套装置土要通过步进电机的运动带动尖劈做往复摆动，尖劈的运动向风场中注 入机械能，以期能够增强低频紊流的模拟，改善素流尺度的模拟效果。步进电机由电脑上的 控制程序通过自行开发的控制卡进行控制，可以在其运动允许范围内完成由用户白定义的任 意运动形式。此装置具有结构简单、操作方便、造价低h 功能多样等特点。 使用此装置在t j 2 风洞中进行了人气边界层风场模拟的尝试。首先进行了仅布置尖劈、 没有布置粗糙元的试验，讨论尖劈的运动对风场特性的影响；然后进行了尖劈和粗糙元组合 的试验，讨沦婀者的组合对风场特性的影响：接着讨论r 尖劈之问的距离对风场特性的影响； 最，f 亓进行了另外两种不同尺寸尖劈的试验，讨论尖劈的大小对试验结果的影响。 试验结果表明：尖劈运动与尖劈静止的情况相比，平均风速剖面指数会降低；剖面指数 随着尖劈之间距离的减小和尖劈尺寸的增大而增人。在尖劈运动的情况下，其各种不同的运 动形式对甲均风速剖面的影响不人。 尖劈运动与尖劈静止的情况相比，对紊流度的影响不大；紊流度随着尖劈尺寸的增人而 增人随着尖劈之间距离的减小而增人。在尖劈运动的情况下，其各种不同的运动形式对紊 流度的影啊不人。 尖劈运动与尖劈静止的情况相比，紊流尺度增大；紊流尺度随着尖劈尺寸的增人明显增 大，随着尖劈距离的减小而增人。在尖劈运动的情况下，紊流尺度随尖劈运动频率的降低而 增大，但其各种不同的运动形式对紊流尺度的影响没有明显规律； 尖劈的运动会使功率谱上出现与尖劈运动频率相对应的峰值，且随着尖劈运动频率的增 大，峰值的幅值也增大；随着尖劈运动频率的降低，频率成分的增多，功率谱低频部分的变 化也越趋于平缓；尖劈的运动会抬高功率谱低频部分的能量，而对高频部分则影响很小。 根据一些试验的结论最后进行了调试风场的试验，土要采用试凑的方法，给出了c 类风场的惘试结果。结果表明，与被动模拟方式比较，紊流尺度有较大提高。 在本文的最后总结了试验的主要结论，指出了本次试验中存在的一些问题，留待在以后 的研究过程当中加以解决。根据试验中的体会，提出了一些设想。 关键词：风洞大气边界层主动模拟振动尖劈 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , an e wm e t h o d ，c a l l e dc o n t r o l l a b l e - o s c i l l a t i n g - s p i r e ( c o s ) ，i sd e s i g n e df o r w i n dt u n n e ls i m u l a t i o no fa t m o s p h e r i cb o u n d a r yl a y e ri nt j - 2w i n dt u n n e lo ft h es t a t ek e y l a b o r a t o r yf o rd i s a s t e rr e d u c t i o ni nc i v i le n g i n e e r i n gi nt o n 西iu n i v e r s i t y t h i si st h ef i r s tt i m e t h a tt h ea c t i v e s i m u l a t i o nt e c h n i q u ei su s e di nc h i n a t h em a i nm e t h o df o rs t r u c t u r a lw i n de n g i n e e r i n gs t u d yi sw i n dt u n n e lt e s tb e c a u s eo ft h e l i m i t a t i o no fb l u n ta e r o d y n a m i c s t h ef i r s tt a s ko fw i n dt u n n e lt e s t si st os i m u l a t ea t m o s p h e r i c b o u n d a r yl a y e ra c c u r a t e l y a tp r e s e n t ，t h ep a s s i v em e t h o do fs p i r ea n dr o u g h u e s se l e m e n t st h a ti s w i d e l yu s e dh a sl i m i t a t i o n ss u c ha st o os m a l li n t e g r a ls c a l eb e c a u s eo fi t ss t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c a tt h es a m et i m et h ea c t i v et e c h n i q u ei sd i f f i c u l tt oo p e r a t ea n di t se x p e n s ei st o oh i 曲 c o n s i d e r i n go ft h et h i n g sm e n t i o n e da b o v e ，i nt h i sp a p e rt h ea c t i v ec o n t r o l l a b l eo s c i l l a t i n g s p i r e ( c o s ) a n dr e l e v a n th a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o rc o n t r o ls y s t e ma r ed e s i g n e d i nc o s ，t h e s t e p - m o t o rd r i v e st h es p i r e st oi m p o r te n e r g yi n t ot h ew i n df i e l dt oi m p r o v et h es i m u l a t i o ne f f e c t e s p e c i a l l yi n t e g r a ls c a l es i m u l a t i o n t h es t e p - m o t o ri sc o n t r o l l e db yt h es o f t w a r ei nt h ec o m p u t e r t h r o u g ht h es p e c i a l l yd e s i g n e dc h i p u s e r sc a nd e f m em o t i o nc h i v e sf o r t h em o t o r , t h ef i r s tp a r to ft h et e s ti st od i s c u s st h ef u n c t i o no fs p i r ew i t h o u tr o u g h n e s se l e m e n t s i nt h e s e c o n dp a r t ，b o t hs p i r e sa n dr o u g h n e s se l e m e n t sa r ep l a c e di nt h ew i n dt u n n e l t h et h i r dp a r ti st o c h a n g et h ed i s t a n c eb e t w e e nt h es p i r e sa n dt h el a s tp a r ti st oc h a n g ed i f f e r e n ts p i r e s r e s u l t so ft h et e s td e s c r i b et h a t ：c o m p a r e dt ot h es t a t i cs p i r e ，s p i r em o t i o nd e c r e a s e st h e a v e r a g ew i n dv e l o c i t yp r o f i l ee x p o n e n t a n dt h ee x p o n e n ti n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e m e n to fs p i r e d i m e n s i o na n dw i t ht h ed e c r e m e n to fs p i r ed i s t a n c e w h i l ed i f f e r e n tm o t i o nc u r v e so fs p i r e sh a v e l i t t l ei n f l u e n c eo nt h ee x p o n e n t s p i r em o t i o nh a sl i t t l ei n f l u e n c eo nt u r b u l e n c e t u r b u l e n c ei n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e m e n to f s p i r ed i m e n s i o na n dw i t ht h ed e c r e m e n to fd i s t a n c eb e t w e e ns p i r e s w h i l ed i f f e r e n tm o t i o nc m v e s o fs p i r e si n f l u e n c et u r b u l e n c el i t t l e t u r b u l e n c es c a l ei n c r e a s e sb e c a u s eo fs p i r em o t i o n a n dt u r b u l e n c es c a l ei n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e m e n to fs p i r ed i m e n s i o na n dw i t ht h ed e c r e m e n to fs p i r ed i s t a n c e t h e r ei sn oo b v i o u s r e g u l a r i t yi nt h ei n f l u e n c eo fd i l l e r e n tm o t i o nc u r v e so fs p i r e t h e r ea r ep e a kv a l u e sc o r r e s p o n d i n gt os p i r ef r e q u e n c yi nt h ep o w e rs p e c t r u m w i t ht h e i n c r e m e n to fs p i r em o t i o nf f e q u e n c xa m p l i t u d eo fp e a kv a l u ew i l li n c r e a s e t h er e g i o no fl o w f r e q u e n c yo fp o w e rs p e c t r u mc h a n g e sg e n t l yw i t ht h ed e c r e m e n to fs p i r em o t i o nf r e q u e n c ya n d w i t ht h ei n c r e m e n to fs p i r em o t i o nf r e q u e n c yc o m p o n e n t s s p i r em o t i o ni n c r e a s e st h ee n e r g yo f t h er e g i o no fl o wf r e q u e n c yo fp o w e rs p e c t r u mw h i l eh a sl i t t l ei n f l u e n c eo ut h er e g i o no fh i g h f r e q u e n c y a c c o r d i n gt ot h ec o n c l u s i o n sm e n t i o n e da b o v e w i n df i e l do ft y p eci ss i m u l a t e dw i t ht h e m e t h o do ft r i a la n de r r o r t h er e s u l t sd e s c r i b et h a t ：c o m p a r e dw i t hp a s s i v es i m u l a t i o nm e t h o d ， i n t e g r a ls c a l ei n c r e a s e so b v i o u s l y a tt h el a s t ，c o n c l u s i o n s ，p r o b l e m sa n ds u g g e s t i o n sa r eg i v e no u t k e yw o r d s ：w i n dt u n n e l ，a t m o s p h e r i cb o u n d a r yl a y e ga c t i v es i m u l a t i o n ，o s c i l l a t i n gs p i r e 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：杨硪 2 0 0 5 年4 月f 夕口 第一章引言 第一章引言 1 1 结构风工程的发展【1 1 【2 】f 3 】【。】【5 i 1 9 4 0 年秋，美国华盛顿州建成才4 个月的塔科马悬索桥，存小剑2 0 m s 的八级人风作 用下发生强烈的风致振动而导致风毁事故的发生。在为调查这一事故而收集桥梁风毁事故的 历史材料中，人们发现自1 8 1 8 年起，至少已有1 l 座悬索桥毁丁风暴，而日从目击者的记 载中口t 以明显地看剑关于振动地描述。然而，最开始_ t 程师们只认识剑风的静力作州。塔科 马桥风毁事故的发生，引起了上程界对桥梁风致振动这一问题的重视。以此为起点，经过近 半个世纪的发展，形成，一门新的边缘学科一风_ 程学。 按照国际风j 二程防会的定义，风上群学科的主要研究内容为：“大气边界层中的风与人 类在地球表面的活动及其劳动成果之间的相互作用。”具体的说，它包括三个方面的分支； f 1 ) 结构风t 程：研究风和结构的相互作用，亦称结构风效应问题，特别是动力风效应， 即风致振动问题； 犯) 车船风工程：研究除航空航天e 行器以外的运载j 二具如汽下、船舶在高速运行时所 受到的空气动力作用( 广义地可包括体育运动中的风t 程问题，如自行午、滑雪、 标枪、铁饼等) ； ( 3 ) 环境风t 程：研究风引起的质量( 气体、液体或固体) 迁移( 如扩散、污染、风沙、 风雪等) 问题： 在风t 程学科中，结构风t 程问题作为学科发展的起源，始终处n j 核心的地位。此外， 减轻灾害和保护环境又是人类面临的两大使命，冈而结构风工程和环境风：1 稗的研究就更有 重要意义。 国际著名的风工程专家a g d a v e n p o r t 教授引联合国的统计资料指出：“约半数以上的自 然灾害与风有关”。暴风及其派生的潮涌和暴雨洪灾常常使人民的生命财产遭受严重损失。 我固是世界e 受台风和龙卷风袋击较多的国家之一。白改革开放以来，我国大跨度桥梁日益 增多，许多城市已形成高层建筑群，建造了许多百米以上的烟囱、化t 塔、冷却塔和电视塔。 这些大跨高耸结构的兴建提出了大量风载、风振、风干扰和风环境等一系列风丁程问题。 风t 程力学就是为解决上述风1 二程问题中的许多空气动力学问题，发展起来的一个力学 分支。各种上木建筑结构一般都是不太规则的钝体，空气绕过钝体时的风场和绕过流线体时 有明显的不同，这是因为存在分离流和剪忉j 层的非定常振动。结构风j 二稗要面对复杂的钝体 空气动力学问题，还要考虑来流紊流所引起的迎风钝体表面的压力脉动以及结构风致振动。 目前在理论上还不能建立起完善地描述实际风工程问题的数学模型，而只能通过半理论和半 实验的途径寻求问题的近似解答， 钝体空气动力学的研究和工程应用相结合，主要体现在以f ) l 个方面： n ) 高层建筑的幕墙动压年lj 结构风荷载。风洞试验显示，在建筑物的拐角处，由于气流 的分离出现明显的边缘不适续性，最大峰值负压系数丌j 以从接近常数一3 4 增大到 8 ，冈此必须引起特别的注意； ( 2 ) 高层建筑的横风向响廊。高层建筑作为钝体绕流将发生边缘处的漩涡脱离并激发横 风向的振动。来流紊流也会对漩涡脱离过程产生重要影响，主要是改变气流的雨附， 从而影响响应的大小； ( 3 ) 桥梁的涡振、抖振及驰振、颤振响应等。形状较钝的桥梁断面会发生涡激振动；在 紊流风场中，脉动风压引起的抖振力将激起桥面的随机振动响应；驰振和颤振是自 激发散振动，目前颤振还主要在均匀流中研究，紊流的影响是更值得研究的问题。 f 大跨屋盖结构及张拉结构的风载和风致振动。大型体育场建筑的兴起提出了大跨崖 第一章引言 盖结构及张拉结构的风载和风毁振动问题。 南于计算机技术的迅速发展，计算流体动力学( c f d ) 也从7 0 年代起由航空下程逐渐 引入了风工程领域。最初从均匀流场中的圆柱绕流开始，8 0 年代起，为了研究紊流场中钝 体的绕流，建立了再种紊流模型，如基于平均雷诺数的n - s 方稃的紊流模犁( p a n sm o d e l ) 和基于空间过滤的紊流模型( l e s ) 筲。目前己从解决简单固定钝体绕流的空气动力学问题， 开始处理流线体的空气弹性问题，从机翼颤振问题而进行了具有扁平棱形断面的悬索桥的勤 振分析，为大跨桥梁初步没训阶段的断面选型提供了一种数值分析手段。但对于复杂的钝体 断面或带有桥面附属设备( 栏杆和防装墙) 的断面尚有困难，需要通过风洞试验加以确认。 纵h 所述，风工程的研究方法，主要包括现场实测、风洞试验和理论分析( 包括数值计 算) 三种途径。现场实测是最直接的研究手段，对于检验其余两种途径结果的可靠程度是0 i 可缺少的，但般费钱、费时、费人力，而且无法在研究对象如建筑物建造之前进行研究。 钝体空气动力学由于理论上的困难，目前还处丁较初始的阶段，研究对象还限于简单钝体， 对丁- 实际十木工程中具有复杂外彤的钝体问题，还难以取得令人满意的解答。所以当前最主 要的研究手段还崖利用风洞试验米提供设计需要的风载和风振响应值。 1 2 风洞中大气边界层模拟【6 j 【7 1 【8 l 9 】 风洞试验具有试验条件可以人为控制、改变和重复的优点。在6 0 年代以前，基本上是 借用航空风洞进行风t 程的试验研究。但是航空风洞的试验段太短，起始的稳定风速太高， 难以实现对臼然风特性的真实模拟，而只能在均匀流条件下做一些最基本的风裁和风振试 验。自7 0 年代以来，美国科罗拉多州立人学c c r m a k 教授建成j ，世界第一个模拟人气边界 层的环境风洞以米，许多发达国家相继建造了一批边界层风洞，并按研究对象的不同分为气 象风洞、环境风洞和建筑风洞。8 0 年代以后国内也相继建造了许多大气边界层风洞，并且 还有多个风洞正在规划之中。 由于实际结构的风载和风致振动响廊都来自于大气边界层内自然风的作用，因此在风洞 中合理的模拟人气边界层就显得十分重要。 大气边界层阻l = 】，由丁受地表粗糙物的影响，风速随着高度的增加而增人：而大气边界 层以外，气流基本上沿着等压线以梯度风流动。大气边界层自然风特性主要包括四个关键方 面：平均风速剖面、紊流度、脉动风功率谱和紊流积分尺度。这也是在边界层风洞中需要模 拟的主要方面。其他风特性参数，如阵风因子、摩阻速度( 或r e y n o l d s 应力) 以及空间相 关函数等可以认为是关键特性的延拓或补充。 大气边界层紊流的模拟技术按照有无控制部件可以分为两大类：被动模拟技术和主动模 拟技术。被动模拟技术不需要能量输入，主要利用尖劈、粗糙元、格栅等装置形成一定厚度 的紊流边界层。而主动模拟技术则包括可控制机构通过向风场中注入能量米增强紊流的模 拟。 目前最常用的被动模拟装置是尖劈和粗糙元。它的优点是装置简易、经济，比较容易模 拟各类地貌的风速剖面，并且在离地一定高度范同内的紊流度和功率谱基本符合中性边界层 的要求，模拟的紊流尺度满足1 ：3 0 0 5 0 0 比例的边界层模拟要求。它的缺点是，常用的三 角形尖劈模拟的紊流度随高度衰减过快，上部紊流度偏小；紊流尺度小且随高度衰减，这与 实际自然风紊流尺度随高度的变化规律相反；紊流功率谱密度函数往往在低频偏低，在高频 偏高，且随着高度的增加向高频段平移。针对这些欠缺，国内外部在致力于模拟装置的改进。 j e 京大学魏庆鼎。陈凯等提出了被动式气动弹性尖劈的方法。此方法采用前后两排交错布置 的具有弹性底座的尖劈，提高了模拟的大气边界层上层紊流场的紊流度、积分尺度咀及风谱 惯性子区宽度。同济大学林志兴提出了改进三角形尖劈为异型尖劈的方法，使上层紊流度基 本达到模拟要求。这些措施虽然不同程度的有所改进，但仍不尽理想。 2 第一章引言 主动模拟装置主要有振动格栅和多风扇风洞，此外迎有振动尖劈模拟紊流风场的报道。 当今最好的大气边界层模拟技术应该是日本m i y a z a k i 大学和t o k y o 人学的多风扇风洞，它 几乎可以重现与自然风紊流一致的脉动风速时程，模拟的风速时程即使在风速突变点也能与 目标曲线吻合的相当好。但其造价昂贵，调试极其复杂、费时，这都限制了它的推广应用。 关丁- 大气边界层模拟技术将在第二章加以i 羊细介绍。 1 3 本文的主要工作 大气边界层风洞中常用的被动模拟装置，即尖劈和粗糙元存在其自身难以克服的缺陷+ 而国际上目前采用的土动模拟装置又存在造价昂贵，调试费时复杂等缺点( 尤其是多风扇风 洞) 。本文自行设计了一套主动模拟装置，即土动控制振动尖劈装置，进行大气边界层风场 模拟的尝试。此装置利用控制电脑上的控制程序通过单片机控制步进电机运动，带动尖劈做 往复摆动。通过尖劈的运动向风场中注入能量以改善风场模拟的效果，具有操作简单，造价 低的优点。这是国内首次采用主动模拟技术进行大气边界层模拟的试验。 试验在同济人学t j 2 风洞中进行，并得到了些有意义的结论。 本文第章为引言，土要概括地介绍r 结构风工程的发展和大气边界层风场模拟技术的 概况。 第：章主要讨论了大气边界层流场模拟的内容和方法。首先介绍了大气边界层的物理现 象及风场特性，其次介绍了风洞中人气边界层的模拟技术，包括被动模拟技术和主动模拟技 术。 第二章主要介绍了主动控制振动尖劈装置。首先介绍了振动尖劈部分，分析r 它的运动 规律并建立了运动控制方程；其次介绍了装置的控制系统部分，包括摔制系统的硬什部分和 软件部分；最后介绍了尖劈运动曲线的生成方法。 第四章主要进行了大气边界层风场模拟的试验。首先进行了仪i 置尖劈，没有布置粗糙 元的试验；其次是尖劈和粗糙元组合的试验：然后调整尖劈之间的距离、调整尖劈的尺寸进 行试验。 第五章进行了风场调试的试验，给出了c 类风场模拟的结果，并与被动模拟方法进行 了比较。 第六章给出了试验得出的主要结论，并列出了试验中仍然存在的一些问题以及本文后续 可以开展的工作，最后对试验的改进提出了一些设想。 3 第一章人气边界层及其模拟技术 第二章大气边界层及其模拟技术 2 1 大气边界层 地球表面的沙丘、树木以及建筑物等粗糙物等使得气流流动速度减缓，同时产生紊流。 直到到达某一高度以上，气流的流速不再受到地表粗糙度的影响，气流将基本上沿着等压 线以梯度风流动。这一高度以下的大气区域称为大气边界层。大气边界层的厚度通常从儿 卣米到几公里，它依风力、地表粗糙度以及纬度而定。大气边界层内的风速随着高度的增 加而增人，边界层顶的风速值称为梯度风速。工程界比较关心的是大气边界层内的大气流 动问题，因为几乎所有的建筑物都处在大气边界层以内。 大气边界层的模拟是风工程范畴内的风洞试验的首要要求，结构上稗基于两个基本假 设i l 简化风的物理模型。 ( 1 ) b o u s s i n e s q 近似 b o u s s i n e s q 近似的核心是气团的垂直方向运动尺度远小于水平方向运动尺度，对任意 物理量中，存在 a l a x 。生。f l o 一1 0 一z 1( 2 1 ) a a z工3 、。 式f 2 1 冲，z 、= 分别是水平、垂直方向空间坐标，l ，、o 为水平、垂直方向气团的运动 尺度，三1 一l o k m 、lr 一1 0 k m 。b o u s s i n e s q 近似的重要结论之一就是平均风速仅是高度坐 标z 的函数，即u - - u ( z ) 。 ( 2 ) 中性边界层似设 温度是大气物理研究中不可缺少的物理量，因为大气运动的主要驱动力是太刚辐射加 热引起沾矗度变化，从而产生压力梯度。结构风t 程主要研究强风作用r 结构的风载和风振 响应问题，因而可以近似忽略近地层大气沿垂直方向的温度梯度影响，认为人气边界层是 中性的，这样风的物理模犁得到进一步简化。 2 2 大气边界层风场特性 _ f _ 丁十木j 二群的大气边界层风洞需要模拟的边界层紊流风特性主要包括平均风速、紊 流度、紊流尺度及紊流功率潜等四个方面【1 ”。其他风特性参数，如阵风因子、摩阻速度( 或 r e y n o l d s 麻力) 以及空问相关函数等可以认为是关键特性的延拓或补充。 2 2 1 水平平均风速 地表粗糙物的摩擦效应造成气流平均动量的损失，平均风速在接近地丽时逐渐减小， 呈剖面分布。如图( 2 1 ) 所示。 描述甲均风速剖面的模型有两种，第一种为对数率方法，即 晔) 2 i 1 “1 n ( ( 2 2 ) 上式中，u ( z 麒oz 高度处的平均风速；“为摩阻速度，主要取决与地表盼粗糙程度和风 速；动为地面粗糙高度：k 为k a i i l l a n 常数，取0 4 。对数层占大气边界层厚度的一部分，如 果超过对数层再应用对数率，从结构设计的观点看是偏于保守的1 。 4 第一二章人气边界层及其模拟技术 图21 平均风速随地表粗糙程度变化 另一种方法为幂函数方法，也造风= 程中应用最为广泛的方法。即 器= 9 ， 其中五为参考高度，u ( z , ) s j 参考高度处的平均风速，c a 为与地面粗糙程度有关的 剖而指数。在公路桥梁抗风设讣规范中，地表粗糙度按照a 的不同分为四类场地【”， 如r 表所不： 表l 地表相糙度分类 地表粗糙度类别地表状况 ia 海上、海岸 0 1 2 i ib 农地、匪| 同、平坦开阔地；树木及低层建筑物稀少地区 0 1 6 兀ic 树小及低层建筑物等密集地区：中、高层建筑物稀少地区：o 2 2 平缓的斤_ 陵地 i vd 中、高层建筑物密集地区；起伏较大的r 陵地0 3 0 2 2 2 紊流度 基丁随机平稳假j 殳，大气边界层紊流风速可以分为平均风速和脉动风速两部分 互u 4 - “，v = v + v ，w = w + w ( 2 4 ) 上式中，u 、v 、w 为纵向、横向和垂直方向的平均风速。根据b o u s s i n e s q 假设【，v = w = 0 。 另外= 个参数为对应方向上的脉动风速，脉动风速的强度用紊流度来表示，紊流度的定义 为脉动风速均方根与水平平均风速的比值 ，：= 旦u o v 、w ) 其中。i 分别表示脉动风速u ( o ，v 1 ) 和w ( t ) 的均方根，0i 2 相当于紊流脉动风速在i 方向 上的动能。随着高度的增加，紊流度逐渐减小。即随着高度的增加，气流的流动受到地 面粗糙度的影响变小。 紊流度随地表粗糙度和高度而变化。在公路桥梁抗风设计规范中指出，当缺少桥 5 第二章大气边界层及其模拟技术 位处紊流风的观测数据时，紊流强度i 。的平均值可参照下表取值，并可取i 。= 0 8 8 i 。， 1 w = 0 5 0 1 。1 1 2 1 表2 紊流强度t 。 - i = 寒竺 ii li i i 高度( m ) abcd 1 0 z 2 0o 1 40 1 70 2 50 2 9 2 0 z 3 0o 1 30 1 60 2 30 2 9 3 0 z 4 0 0 1 20 1 5 0 2 4 o 2 8 4 0 z 5 00 1 2o 1 50 2 00 2 6 5 0 z 7 00 1 10 1 40 1 8o 2 4 7 0 z 1 0 0 0 1 lo 1 30 1 70 2 2 1 0 0 z 1 5 0 0 1 00 1 20 1 60 1 9 1 5 0 z 2 0 0o 1 0o 1 20 1 50 1 8 2 2 3 紊流尺度 紊流尺度的定义：脉动风速f “= “、v 、w ) 在，方向y ( = 工，y ，z ) 的紊流尺度为 e 2 f or i ( r j ) d r i ( 2 6 ) 式中：r 。( _ ) 为j 及，+ r j 点处脉动风速f 的空间相关系数； f ? 为紊流尺度，是气流中紊流漩涡平均尺寸的量度。从紊流尺度的定义上可以看出， 如果互协方差函数是距离的急减函数，那么积分尺度就很小；反之，如果衰减的很慢，那 么积分尺度就很大。如聚两点相隔距离远远超过积分尺度，则两点间的脉动速度是不相关 的，它们在结构部什上的作用将相互抵消；反之，对结构的影响就很大。 紊流尺度的估葬结果主要取决丁估算分析所用记录的长度及记录的平稳程度，不同的 试验般相差都很大【t ”。紊流尺度分析办法的选择对结果的稳定性也非常重要，比较常用 的方法是利用t a y l o r 假设从相关函数积分计算。根据风洞试验比较分析，紊流积分长度可 由下式计算【1 3 l e = 呱。p 渺 式中，o0 5 表示 j 相关系数从1 单调减小至0 0 5 对应的延迟时间。 ( 2 7 ) 风洞试验中模拟紊流尺度时，可以参考公路桥梁抗风设计规范中给出的约值”1 表3 紊施尺度基准值 紊流尺度( m ) 高度盖卜 ee z 1 05 02 0 1 0 z 2 0 7 03 0 2 0 z 3 0 9 0 4 0 3 0 z 4 0 1 0 05 0 4 0 z 5 0 1 1 05 0 5 0 z 7 01 2 06 0 6 第二章大气边界层及其模拟技术 7 0 z i 0 0 1 4 0 三 1 0 0 z 1 5 0 1 6 0 9 0 1 5 0 z 2 0 0 1 8 0 2 2 4 紊流功率谱密度函数 在j 程关心的惯性子区( i n e r t i a ls u b - - r a n g e ) ，k o l m o g o r o v 相似理论得到了大量的实测 数据验证。紊流功率谱模犁基本都是在该相似理论的基础上提出的，k o l m o g o r o v 相似理论 认为，大气紊流功率谱密度函数在低频段近似为常数，在高频段止比于d ”( 为频率) 。 这就是著名的一5 3 定律f 1 1 i 。 以纵向脉动速度u ( t ) 为例，紊流功率谱密度函数定义为： 1 s 。o ) = x ：q ) x 。0 ) ( 2 8 ) 上式中，n 为频率，x 。) 为脉动风速的f o u r i e r 变换，即 x uo ) = f “( t ) e - z “d t ( 2 9 ) z 为x 。( n ) 的共扼，t 为有限样本时间跃度。 紊流功率谱是脉动风中各频率成分贡献大小的量度，包括顺风向、横风向以及垂直方 向的功率谱。横风向和垂直力向脉动风功率谱值均比纵向脉动风潜小。 公路桥梁抗风规范中规定：高度z 处平均风速为u ( z ) 时的水平及竖向脉动风功 率谱密度函数可分别采用以下公式【1 2 】： 堡盟2 ，? 塑枭 ( 2 1 0 ) “。( 1 + 5 0 f ) 5 7 3 型：! “。2( 1 + 4 f ) 2 f 2 1 1 ) 式中，s 。 ) 、s 。0 ) 分别为脉动风的水平顺风向及竖直方向的功率谱密度函数；n 为风 的频率( h z ) ：“。为气流摩阻速度；f 为莫。j 坐标 f ：旦 。 u ( z ) 如果剧方差无量纠化，常写作 甩s 。( z ，甩) 盯i 1 0 0 f 3 ( 1 + 5 0 ，) 5 7 3 型： 盯：( 1 + 4 f ) 2 ( 2 1 2 ) r 2 1 3 ) f 2 1 4 ) 本文中仅讨论了纵向脉动风功率谱密度函数，并将试验得到的所模拟流场的纵向 7 第一二章人气边界层及其模拟技术 脉动风功率潜和k a i m a l 谱相比较。横坐标统一墩为n z ，纵坐标统取为竺! 坚：型。 ，( z 】 0 2 2 3 风洞中大气边界层模拟方法 通常认为，风洞中模拟中性稳定的人气边界层的理想方法是利用粗糙表面自然发展生 成紊流边界层，但是这种方法要求风洞具备很长的试验段。实际上，近地紊流边界层是人 尺度涡旋和地面摩擦共同作用的结果”，因此对应的风洞模拟技术也应该包括紊流涡发生 器和一定k 度的粗糙地面，目前最常用的尖劈( 紊流澍发生器) 和粗糙元r 模拟地面莘且糙物) 正 是基于这样的原理。 大气边界层紊流的风洞模拟技术按照有无控制部件可分为两大类：被动模拟技术和丰动 模拟技术。被动模拟利用格栅、尖劈和粗糙元等装置形成一定厚度的紊流边界层，模拟装 置不需要能量输入；主动模拟则包括可控制运动机构，图2 2 是一个典型的主动模拟系统框 图，其中运动机构一般为涡发生器，例如振动格栅、翼板或变频调速风机阵列等。 t a r g e t s p e c t r a 图2 2 紊流边界层主动模拟典型系统框图 2 3 1 大气边界层被动模拟方法 1 、格栅紊流 格栅是风洞试验中经常采用的紊流模拟装置，通常格栅由简单的平板组成，平板的宽度 和间距决定其r 游紊流的强度和尺度等特性。采用格栅法模拟紊流时，平板的宽度和间距 是两个关键参数 1 s 1 16 j ，同时尤其需要注意：格栅紊流沿流向衰减，不同位置的紊流强度、 尺度等特性不同，因此模型安装( 测量点) 的位置选择非常重要。当流场经过一定距离得到充 分发展f f 亓，紊流趋丁各向同性。 均匀布置的平板不能模拟平均风速剖面，而只能模拟具有某一特定紊流度的风场。 p h i l l i p s 等采剧变间距平板格栅模拟平均风速剖面1 1 ”。如图( 2 3 ) 所示，风洞中随高度的增大 格栅的间距也增人，产生不同的风洞阻塞度使平均风速随着高度的增加而增大，从而达到 模拟平均风速剖面的目的。但这种变间距格栅很少用来模拟大气边界层。 8 第章人气边界层及其模拟技术 图2 3 变问距半板格栅模拟边界层剖面 2 、尖劈和粗糙元( c o u n i h a n 方法) 尖劈和租糙兀技术用于模拟大气边界层风场始于1 9 6 0 年代，l 亓期，c o u n i h a n 等【1 8 l 【1 9 2 0 1 “】 首先系统地利用下宽上窄的平板( 即尖劈) 和矩形六面体( 粗糙元) 在风洞中模拟中性大气边界 层。研究发现尖劈和粗糙元可以产生适当的风速剖面和人尺度的紊流，且紊流度可以与人 气边界层相吻合。现在此项技术已被广泛地应用于大气边界层风洞模拟试验，其简便、经 济的优点确保了它在建筑结构风洞试验中不可替代的地位。c o u n i h a n 方法的典鼎装置和在 风洞中的典型布置方式如图2 4 和2 5 。 i 操 ， j 一 哥。l 衄里咄 南l 1 _ 、l 1 喇喇 图2 4 新加坡困市大学边界层风洞的齿形栅栏和椭圆尖劈( 单位：m m ) 9 第二章大气边界层及其模拟技术 m 涯謇嚣魏豢黪 ：o i e o ff o ：e = ：。”。“竺坚学亩审宙鼍，一7 氅；。，。 一、冀竺j 赢。i l ；：l ： ：； ：li ：! i 垂烈 。l ，n _ l ： 引| 雏| |：三= - 4 b t ： ：； ：芝6 ：! ： ；要 i l 墨 ；糍； l h = 1 ，3 9 5 ( 1 + o 2 1 r 2 1 5 ) 其中6 为所要求的边界层厚度，a 为风速剖面指数，h 为设计尖劈的高度。他的经验是菲 二角形尖劈与三角形尖劈相比并没有什么明显的优势，冈此三角形尖劈+ 粗糙元技术一直是 人气边界层风洞模拟试验的的丰流方法。i r w i n 的经验公式主要基于对尖劈和粗糙元的阻力 和动蕈积分分析认为二者的贡献集中表现在底部平均风速( 或动量) 的损失，从m j 形成风速 剖面。i r w i n 的分析主要针对尖劈，而且他没有讨论紊流度剖面。应用中i r w i n 公式设计尖 劈可能遇到对不同风洞断面尺寸的普适性难题，例如在模拟较大比例试验模型的风场时， 计算的尖劈高度很容易超过风洞高度。 与i r w i n 相反，b s i l l e 3 i i “1 1 2 5 i 等的研究集中在对粗糙元的分析上，他们研究了立方体粗 糙元的尺寸和排列方式与粗糙参数( 粗糙长度z o 、位移高度d 等1 的关系，并建立了一套经验 计算公式。但s i l l 的结果很难应用丁_ 实际的工程结构风洞试验中，冈为仅用粗糙元需要很长 的试验段才能形成充分发展的边界层，且模拟流场比例不能太人。 理论上讲，尖劈和粗糙元在风场模拟中的扮演着不同的角色，近地层的自然风剖面是由 大气的大尺度的涡旋运动与地面摩擦共同作用形成的。尖劈的土要作用是在风洞中形成较 大尺度的涡旋，粗糙元则相当丁实际地面的粗糙物，因此，仅强调尖劈或粗糙元的作用都 是片面的。而且，风洞断面尺寸的不同也会影响一些经验公式的使用，这也导致各个风洞 都必须通过不断积累建立一套适用于自己的模拟裟置1 2 6 j 【2 ”。 尖劈和粗糙元方法是典型的被动方法，基于其模拟机理，不难归纳其优缺点。 ( 1 ) 优点：装置简易、经济；比较容易模拟各种类型地貌的风速剖面；离地一定高度范 围内的紊流度和功率谱模拟基本符合中性边界层要求；紊流尺度满足1 ：3 0 0 5 0 0 比例边界层 模拟要求； ( 2 ) 缺点：常用的一角形尖劈模拟的紊流度随高度衰减过快。很难模拟大比例( 例如1 ：1 0 0 1 的紊流度剖面分布；紊流尺度小且随高度衰减，这与实际紊流尺度随高度的变化规律相反； 紊流功率谱密度函数往往在低频部分偏低，在高频部分偏高，而且随着高度的增加向高频 部分偏移。 1 0 第二章大气边界层及其模拟技术 3 、气动弹性尖劈和异型尖劈 针对尖劈和粗糙元方法模拟方法的这些缺陷，国内外都在致力于模拟装置的改进。为 了解决尖劈和粗糙元方法模拟的流场私 分尺度偏小的缺点j 匕京大学魏庆鼎、陈凯等设计 了一种新型的人气边界层紊流风洞模拟方法一振动尖塔法l 2 8 】。该方法设置了前后两排位置 相同的具有弹性底庠的尖塔犁漩涡发生器。在来流风速达到一定值叫，尖塔群发生不规则 的振动，向流场注入了强烈的低频扰动，致使测量区的紊流结构发牛显蒋的变化。其模拟 的大气边界层上层紊流场的紊流度、积分尺度，以及风谱惯性子区的宽度都明显加人。但 平均风速剖面模拟的效果不好，还有待改进。 针对模拟的大气边界层上层紊流度偏小的问题，同济大学林志辫等h 1 设计了所谓的异型 尖劈即在三角形尖劈的背面附加矩形平板，既解决了风洞下部的阻塞度过大的缺点，义 增加了边界层上层的紊流度，而且便r 不同风场的调试，试验中只需改变附加直板的宽度 即可。此装置成功的解决了小剖面与大紊流度之间的矛盾。 2 3 2 大气边界层主动模拟方法 1 、振动格栅 绝大多数格栅装置是4 i 动的，因此属丁被动模拟方法，但是适当的机械运动能够增强紊 流度和尺度的模拟，图2 6 所示为振动格栅装置 2 9 1 。如果在振动机构和紊流测量之间建立 反馈程序，那么该装置就是一套完整的主动模拟系统。主动控制的振动格栅很容易使下游 紊流度超过1 0 ，积分尺度超过1 米，且水平安装的振动格栅增强了垂直方向紊流能量和 积分尺度 3 0 】【3 l 】。 图2 6 振动格栅装置 目前风洞中常见的主动格栅模拟装置多为水平安装甲板或翼板，图2 7 为美国c o l o r a d o 州立大学的大气边界层风洞，在进口处的两列可控制振动翼栅在4 - 1 6 s 周期范围随机振动 ( 图2 8 ) ，r 游的紊流边界层剖面和尺度均能够满足1 ：1 0 0 缩尺比风涧试验。 第二二章大气边界层及其模拟技术 图27 c o l o r a