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）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攀理论风洞掉实验恶的基雪础：巨绕模捐型的硬流动婶和绕户原型止的流旅动相开似流动见相似羽的五串大要漠素：几何门相似四－最列基本黑的流润动相移似条础件运动赛相似犯－速交度和毫加速肉度场层的相哥似动力赞相似与－同爆名作喘用力延场的敏相似质量悦相似旬－密趋度场藏的相屠似热力拴相似症－温湿度场瘦的相练似相似情理论相似冬准则斯特三拉哈蒜数：耳非定宝常惯士性力曾与定湾常惯宅性力拣的比诊值欧拉央数：昼流体笋压力鼠与流深体惯纷性力稀的比视值雷诺危数：交流体借惯性骑力与苗流体荒粘性折力的播比值弗劳揪德数蚕：流疏体惯傻性力许与重塞力的敲比值柯西方数：删结构婆弹性视力与亿流体稳惯性荷力的圆比值惯性梯参数斧：结碗构惯跟性力溪与流渐体惯即性力具的比勇值阻尼殖参数及：无领量纲恳阻尼沫比相似决理论基本搞缩尺肉比第一库基本厘缩尺消比：扯几何研缩尺舌比风洞周的尺祸寸结构雪的尺宽寸风洞孩堵塞秆度＝令模型菊顺风辜向投乏影面按积/风洞算试验杂段截夺面积西≤6%模型钟制作修的精虽度和叔难度湍流聪积分编尺度第二泡基本状缩尺随比：扯风速斧比风洞蒸的最色大风头速设计垃风速结构盲承受栏的最私大风宋力考虑敞重力册影响第三笨基本疏缩尺岩比：巩密度卡比＝1相似昌理论导出小缩尺收比时间全、频铁率缩槽尺比位移丽、加让速度帖缩尺丑比弹性剑模量悔、刚栽度缩涂尺比力的迷缩尺而比结构岁质量语、质置量惯讯性矩缘瑞缩尺罪比大气极边界鲜层流猫场模采拟大气纸边界将层风盲特性平均往风剖雁面：仍描述章平均解风速流沿高割度的唉变化翼规律震，常漏用指领数率紊流采度剖驻面：鱼描述汁相对悔紊流裂强度摊沿高株度的装变化桃规律功率壳谱：垒描述艳紊流溉运动去强度数随频题率的钓分布据情况南，即贡不同果尺度肠旋涡彼的运究动对什风速暮脉动嫩的贡担献程应度，株顺风秧向功旅率谱栗常采涉用Ka浑rm佳an谱湍流轨积分泰尺度胞：描忌述气挨流中较各种志旋涡奇沿某猪一方峡向的示平均退尺度作，顺梦风向怎湍流派积分征尺度猪介于10修0～30昌0m，随独高度蝇增大肺而增瞒大大气踏边界苹层流册场模牲拟大气肃边界辫层流承场的努被动迅模拟适技术利用欠格栅炒、尖歪劈和勒粗糙使元等块被动车紊流摸发生炊装置妈形成租所需察模拟则紊流优点嘱：价盐格较滨低，警应用蜂方便俭缺说点：缝参数责变化鸡困难平板吴格删化紊流升场模伍拟尖塔胸阵和滤粗糙板元模枯拟边说界层役流场ZD星-1风洞宣特色再流场清调试向技术多功袭能尖饺劈组幕合装少置和针可移蚀动粗云糙元燥相结崖合三维词移测点架与昨风速委排管秘联合仗调试平均音风速吨与脉议动风货速、感竖向件风剖盖面和生横向扮均匀狗性兼垒顾气动久刚性铃模型淘测压成试验主要毕对象强：低矮厌建筑刺高叶层建容筑肌体育猪场馆通会炉展中耀心等目的耀：确定葬结构貌物表核面风眉压（框系数筐）携平均超风压彻／脉补动风帖压确定挥结构土体型亿系数确定戒结构雀物的燃面/线荷婚载应用译：建筑陪物幕梳墙、烧屋盖鞠等覆斗面设质计仗－栽瞬时物风荷兴载主结码构设估计静笛力风碰荷载-平均弓风荷象载结构宽风致坊振动楚响应块分析蝇（动耀荷载滴、位倦移、加速垄度)–脉动椒风荷够载方法温：均匀辈流场格栅助紊流累场大气益边界肌层流撑场刚性肥不变患体压力湿传感液器系蓝统表面禽风压气动剖刚性嚷模型晌测压加试验相似件准则懂：几何情相似一般虾无需永模拟慰结构举的刚矩度、插质量黎和动产力特壤性等对于截紊流报场试链验时间蠢和频痕率的述相似脉动混风特毫性：殃紊流恶度、功率栋谱和算紊流遭积分荒尺度对于氧大开厉孔脉膊动内咏压试侦验结构涨刚度摧和气披动刚疼度的成相似气动普刚性纽奉模型宽测压俘试验风压蛮测量辟系统暮示意仰图气动干刚性软模型纪测压拌试验模型誉制作芽原则爸：几何弄相似严格痛模拟婆被测啦建筑铲主体悄结构蝇的外佣形几何跟缩尺羞比的盐确定堵塞昨率＝模型梦顺风被向投静影面吊积/风洞尚试验奔段截回面积惕≤5%主建自筑内抽部空馅间和饲扫描隶阀模萄块的古尺寸裁数量适度阴考虑撒紊流董积分怜尺度榨的相若似性需要壤模拟狼以主蒜建筑眉为中颈心30赛0～50桃0m半径岗范围浙内的吗周边敬环境模型房诚材料章：有傻机玻制璃、优塑料公、木俗材等律，保荐证试爽验过喘程中慕不发爸生显班著振狗动雷诺隙数效极应对净策：夺对于盲光滑耽曲面遣部分津，需吼要进嫂行适匠当的充表面判粗糙俱化处句理气动书刚性选模型柿测压税试验测点档布置捞原则话：原型肌结构桨每12崖0m2表面帮内不锋少于1个测蜂压点根据潮建筑耕物表含面不愤均匀倦布置需要搏加密隐的部卧位：他风压绘急剧杏变化贱的区三域可适虎当降气低测成点布心置密章度的乱部位蠢：面竞积较汇大平恋缓的染区域内外臭或上闷下两昆面均努暴露李受风窝的构数筑物躬需双透面布触点试验逢风速笨选择没：压力码传感划器的刃量程睬和灵套敏度模型裳的刚惩度、锡强度遭和安段装情蛾况风洞徒的试川验风搏速范扩围气动洲刚性础模型吗测压并试验风向椅角：范围罩：0～36巩0度间隔淋：10～15度，界局部通可加袋密采样抖频率用：尽可晶能高以样趣本原笼型时毫间长哨度不覆少于10贝mi享n为宜根据会时间幸比计喉算模指型所货需的抖样本牙长度采样载时间俩：上限掘受压辉力扫看描阀讽系统任性能册的限与制ZD造-1风洞典型胸工程押测压泛试验昆明歌宜良导体育毒场港丽滴商务爬综合仅楼ZD蛮-1风洞典型肌工程贱测压田试验青岛子绿城藏深蓝绩广场浦江昌体育炮场ZD领-1风洞典型搏工程铲测压冒试验青岛拦绿城暗深蓝铜广场浦江尚体育乔场ZD记-1风洞典型锅工程墙测压为试验宁波勾中国速港口榨博物齐馆绍兴雄东方骡山水甩图刚性衰模型棒测力棉试验方法礼：利秋用测利力天腐平测狼出作鸟用在柿整体弹结构狠上的摄气动痛合力窑（系史数）膜或者悠作用害在结表构不节同节垒段上回的气筋动力选（系网数）对象瞒：刚择性不困变形晶的全互模型满或节讽段模鹅型测试久内容党：平均柔气动欧力<-三分此力天劫平、奥五分畅力天泛平、可六分称力天隐平脉动轧风荷轰载<-高频蝴天平目的则：获倚得建蚕筑、薯桥梁甚等整敞体和职局部茎风荷慈载和是动态甜气动厨力ZD升-1风洞功典型爸工程澡测压春试验覆冰遵导线猫气动鞭力试门验ZD才-1风洞申典型恋工程蒸测压哀试验施工遵防护蛛网测锻力试芬验ZD尼-1风洞爹典型个工程济测压灶试验电动彼转轴富风洞折测力志试验气动内弹性霜模型超测振渠试验方法卫：利旦用测描振设澡备测洽试风览荷载辛作用倦下气悦动弹揪性结甲构的示振动盟响应对象降：气尚动弹恨性模皂型测试窜内容辆：动应领变<-动态匹应变遇仪动位烫移<-激光则计加速碎度<-加速秘度计目的曾：研仅究气凉弹模榜型的症风振盲特性渣和响窝应、劳获得伙风振水系数珠等参敬数ZD闭-1风洞兵典型狐工程究测振比试验同塔歪四回妇路输降电铁塔ZD认-1风洞葛典型纹工程间测振引试验18彼00振t柔性侧腿吊捡机ZD料-1风洞容典型沫工程鹿测振延试验复合粉屋面酒板单烘元测念振试阳验参考筋教材黄本殿才,汪丛倡军.结构想抗风暖分析坐原理银及应做用(第二漆版)[萌M]攻.上海袄：穷同济迁大学拢出版芦社,秧20桶08提.[日]风洞餐实验需指南猴研究蛾委员钻会.建筑艇风洞鉴实验煤指南[M却].孙瑛,武岳动，曹触正罡叼译.北京思：中陕国建革筑工鼻业出泳版社关，20柏11疗.埃米碗尔.希缪,罗伯斯特.H宫.斯坎杯伦.风对究结构确的作踏用—风工割程导习论[M疮].刘尚扎培，梳项海嘱帆，贷谢霁贡明译.上海鱼：同恐济大阁学出该版社,1遇99醋2.20桥14年创阿新实林验指企南项目并一：义高层舟建筑践风荷吨载干珠扰效予应的黑测压复试验凯研究歉（工桑程型且）1.背景般资料利：<<建筑鸦结构衡荷载彻规范伯（GB乓2望00猴09斩-2懂01扫2）>>崇8.邪3.率2规定:当多惕个建格筑物脸，特浆别是鲁群集党的高铲层建寸筑，愿相互右间距迹较近绪时，勒宜考拌虑风恐力相洁互干塌扰的吸群体拖效应;一般狼可单独叶建筑污物的豆体型峡系数μs乘以射相互迎干扰垮系数佛。相兰互干亭扰系奇数可撇按下惊列规钳定确喜定:1)对矩犬形平竭面高滑层建捐筑，冒当单巧个施筝扰建逼筑与陪受扰兵建筑旋高度余相近据时，筛根据旷施扰案建筑崇的位雪置，师对顺是风向夹风荷应载可在1.伟00－1.粒10范围扭内选举取，逼对横厅风向护风荷史载可孙在1.锤00意-1污.2架0范围届内选负取;2)其他港情况啦可比盘照类梅似条肯件的泰风洞裁试验缎资料恨确定市，必脂要时矛宜通产过风储洞试常验确返定。2.任务团书：查阅档相关朝文献,自主晒设计纷一种艺建筑迎体型,设计辜风压警测点,制作堡试验赏模型,设计试验煎工况,进行棒风洞讯试验,研究耀干扰术效应蜜对高竿层建华筑风冬荷载旗的影蔑响,并与风规范芹结果博进行对比霜。3.实验旬设计顾要