4 风洞试验ppt课件

06 45 32 4结构风洞实验 4 1风洞试验目的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 06 45 32 4 2风洞实验主要设备 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 06 45 32 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 06 45 32 回流式风洞全景图 06 45 32 1 试验段 2 扩压段 3 拐角与导流片 4 稳定段 蜂窝器和整流网 5 收缩段 回流式风洞构成 06 45 32 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 4 稳定段 蜂窝器和整流网 5 收缩段 06 45 32 06 45 32 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 8m高 1 8m宽 14m长 风速1 30米 秒 06 45 32 TJ 2 实验段高2 5米 宽3 0米 长15m 风速3 67米 秒 06 45 32 TJ 3 实验段2 0米高 15米宽 15米长 风速0 5 17米 秒 06 45 32 湖南大学风洞 2004年6月建成 占地2000m2 建筑面积3200m2 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 06 45 32 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2004年7月建成 风洞为回 直流两用构造型式 试验段宽3 0m 高2 5m 长15 0m 06 45 32 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 06 45 32 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4m 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 06 45 32 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 06 45 32 3 2米低速回流风洞 4米 3米低速回流风洞 06 45 32 5m立式风洞 直径5米 试验区高7 5米 速度范围 0 50米 秒 大连理工大学风洞 西南交通大学风洞等等 06 45 32 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 06 45 32 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 总压管 气流方向修正系数 06 45 32 2 压强测量仪 1 液柱式压强计 a U形管压强计 设 1为被测压强 2为参考压强 常用大气压强 则 b 单管压强计变截面的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 06 45 32 a U形管压强计 b 单管压强计 c 斜管微压计 06 45 32 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 06 45 32 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 06 45 32 3 压强扫描阀 电子切换开关 06 45 32 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 06 45 32 风速计算 设总压和静压之差由风速管测出为 pm 考虑仪器和测量误差为 根据柏努利方程 则有所以 风速为 06 45 32 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5 m 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 06 45 32 4 2 4脉动风速测量 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 06 45 32 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 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 06 45 32 首都机场3号航站楼测压试验 06 45 32 06 45 32 06 45 32 06 45 32 4 4试验模型 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 06 45 32 06 45 32 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 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 06 45 32 06 45 32 06 45 32 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 06 45 32 06 45 32 东莞国际金融大厦 06 45 32 珠江新城 06 45 32 深圳证卷交易中心 06 45 32 重庆袁家岗体育场风洞试验模型 06 45 32 武汉体育中心体育场风洞模型 06 45 32 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 06 45 32 1 试验模型 1 200 06 45 32 06 45 32 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 06 45 32 测点层位置及测压点个数 06 45 32 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 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 06 45 32 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 计算机 采集主机DSM3200 电信号 控制 数据 电子扫描阀测压系统组成示意图 06 45 32 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 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 06 45 32 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 06 45 32 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 06 45 32 3 风向角 风向角为零度时 建筑物的南立面为迎风面 风洞试验中风向角以15 为间隔 分别测量了24个风向角下建筑物的风压分布特性 06 45 32 5 风压分布 1 外墙面的极值风压 06 45 32 2 屋盖表面风压分布 中间较高屋面距屋盖边缘7米以上的中部区域的负压系数均在 0 80以下 而在距屋盖边缘7米以内的屋面边缘区域内负压系数均明显高于中部区域 屋面四个角区是高吸力区 负压系数均在 1 0以上 绝对最大负压系数发生在屋面西北角 达 1 784 对应于风向角22 5 东侧和西侧屋盖挑檐下表面均可能出现较大的正压 其值在0 270 0 556之间 06 45 32 3 东西两侧排柱上的风荷载 南侧外排柱 风向角为60 75时压差系数得到最大值 最大压差系数可达0 205 风向角为0时 南侧外排柱最大压差系数为 1 405 北侧外排柱 最危险的风向角为105 120 最大压差系数可达0 289 风向角为180时 北侧外排柱最大压差系数 1 333 东侧排柱上的最小压差系数的绝对值一般远小于他们的最大压差系数 特别是风向角位于180 360之间时 压差系数接近于零 位于尾流区 西立面排柱距建筑物西立面较远 基本上不受到西立面反射风的影响 06 45 32 4 内压分布 内压测试时建筑物西立面大门开启 其他仍保持封闭 对应于音乐厅在营业时的风环境 试验中共对45 90 270 285和315等5个风向角进行了测量 在各风向角作用下 各内压测压点的平均风压系数均分布较为均匀且均为负值 其中风向角45时各测压点的内压系数最大 在 0 330 0 359之间 而在风向角270时各测压点的内压系数均较小 在 0 126 0 155之间 06 45 32 6 风振系数分布 风振系数的分布和变化规律符合近地湍流的特征和屋盖的动力特性 即 1 风振系数大小对于跨中呈对称分布 跨中的风振系数最大2 0 支座处的风振系数最小为1 0 2 相同高度下 条带跨度越大 跨中计算风振系数越大 3 相同跨度下 条带的离地高度越大风振系数越小 这是因为湍流强度随离地高度增加而变小 即风的脉动程度变小 06 45 32 横向跨度远小于纵向长度 发分为纵向条带处理 06 45 32 7 结论 最大风压系数 外墙面上最大正压系数均不超过0 614 负压系数的绝对值不超过 0 977 1 正压较大的区域为南北立面标高14 20m的墙面以及东西立面凹槽内 负压较大的区域为各立面墙面转折处 2 屋盖上表面 在各风向角下均为负压作用 其四个角区和上风边缘区域是高吸力区 负压系数均在 1 0以上 绝对最大负压系数发生在屋面西北角 达 1 784 对应于风向角225 3 屋盖东西两侧挑檐区下表面所受的吸力一般小于屋盖上表面的吸力 且可能出现正压作用 屋盖东西两侧挑檐区域的压差系数分别在在风向角90和27