風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)介紹及應(yīng)用[通用]

1、風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)介紹及應(yīng)用 余世策 建工學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心 2014.2一、風(fēng)洞簡(jiǎn)介什么是風(fēng)洞 風(fēng)洞是指一個(gè)按一定要求設(shè)計(jì)的、具有動(dòng)力裝置的、用于各種氣動(dòng)力試驗(yàn)的可控氣流管道系統(tǒng)。風(fēng)洞的分類 1. 按流動(dòng)方式分：閉口回流式風(fēng)洞和開口直流式風(fēng)洞 2. 按風(fēng)速大小分：低速風(fēng)洞，高速風(fēng)洞和高超聲速風(fēng)洞 3. 按風(fēng)洞試驗(yàn)段的構(gòu)造分：封閉式風(fēng)洞和敞開式風(fēng)洞 4. 按風(fēng)洞的功能分： 航空風(fēng)洞，建筑風(fēng)洞， 環(huán)境風(fēng)洞，汽車風(fēng)洞 1. 洞體： 動(dòng)力段、擴(kuò)散段、穩(wěn)定段、收縮段、試驗(yàn)段、蜂窩器、阻尼網(wǎng) 2. 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)： 直流調(diào)速器/交流變速器控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇 3. 測(cè)控系統(tǒng)： 速壓控制、/機(jī)構(gòu)控制、移測(cè)架控制、風(fēng)壓(速)

2、測(cè)量系統(tǒng)等低速風(fēng)洞的組成邊界層風(fēng)洞 相對(duì)于航空風(fēng)洞來(lái)說(shuō)，用于土木工程結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞一般都是風(fēng)速較低的低速風(fēng)洞，并且紊流度要求不高，用于土木工程結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞一般擁有較長(zhǎng)的試驗(yàn)段，以模擬大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)，因此，常被稱為邊界層風(fēng)洞。 國(guó)內(nèi)近年興建的邊界層建筑風(fēng)洞： 湖南大學(xué)(2004), 長(zhǎng)安大學(xué)(2004), 大連理工大學(xué)(2006), 中國(guó)建科院(2007), 西南交通大學(xué)(2007), 哈爾濱工業(yè)大學(xué)(2008), 石家莊鐵道大學(xué)(2009)，浙江大學(xué)(2010)中國(guó)建科院直流式邊界層風(fēng)洞長(zhǎng)安大學(xué)回流式邊界層風(fēng)洞ZD-1邊界層風(fēng)洞簡(jiǎn)介風(fēng)洞類型：閉口回流風(fēng)洞結(jié)構(gòu)類型：立式混合結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗(yàn)段類型：?jiǎn)卧囼?yàn)段

3、風(fēng)洞風(fēng)速類型：低速風(fēng)洞建成時(shí)間：2010年10月ZD-1邊界層風(fēng)洞照片ZD-1邊界層風(fēng)洞技術(shù)參數(shù)與特色主要技術(shù)參數(shù)：風(fēng)洞尺寸：試驗(yàn)段尺寸為4m(寬)3m(高)18m(長(zhǎng))試驗(yàn)段風(fēng)速范圍：3-55m/s，控制精度：優(yōu)于1.0%試驗(yàn)段轉(zhuǎn)盤：前轉(zhuǎn)盤直徑1.5m，后轉(zhuǎn)盤直徑2.5m主要特色：試驗(yàn)斷面大、風(fēng)速高、流場(chǎng)品質(zhì)好；應(yīng)用范圍廣:涵蓋建筑、橋梁、交通、工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)、航空航天領(lǐng)域；配有全國(guó)領(lǐng)先的移測(cè)架，能實(shí)現(xiàn)風(fēng)速實(shí)時(shí)移測(cè)。二、風(fēng)洞測(cè)試技術(shù)風(fēng)速測(cè)試技術(shù)風(fēng)壓測(cè)試技術(shù)風(fēng)力測(cè)試技術(shù)風(fēng)速測(cè)量技術(shù)皮托靜壓管（Pitot-static tube） 對(duì)于低速（即風(fēng)速不超過(guò)0.3倍音速，約100m/s）、不可壓縮的

4、流動(dòng)，沿某一流線作穩(wěn)定流動(dòng)的不可壓縮無(wú)粘性氣流應(yīng)滿足下述伯努力方程： 常與微壓計(jì)（補(bǔ)償式、傾斜式）相連用來(lái)測(cè)定來(lái)流的平均風(fēng)速皮托靜壓管原理圖風(fēng)速測(cè)量技術(shù)熱線（膜）風(fēng)速儀（hot wire/film anemometer）原理：利用探頭上的熱線（膜）在氣流流過(guò)時(shí)由于散熱量增加而降溫從而導(dǎo)致電阻變化的原理來(lái)測(cè)量風(fēng)速。能測(cè)定高頻動(dòng)態(tài)風(fēng)速，測(cè)量精度取決于標(biāo)定熱線用直徑只有幾微米的合金細(xì)絲制成，因非常脆而容易斷裂，且價(jià)格昂貴風(fēng)速測(cè)量技術(shù)Irwin探頭原理：它由一個(gè)帶有較深靜壓孔的圓柱形基座和一根安裝于靜壓孔中央的細(xì)長(zhǎng)探頭管組成。探頭管外徑一般在1mm 左右，靜壓孔的直徑略大于探頭管。探頭管應(yīng)軸對(duì)稱地安裝

5、在靜壓孔的中央，其高出基座頂面的高度由行人高度和模型試驗(yàn)的幾何縮尺比確定。試驗(yàn)中，來(lái)流風(fēng)速時(shí)程u(t) 可以按照下式確定： u(t) = A+ BP0.5能測(cè)定任意方向來(lái)流風(fēng)速，成本不高風(fēng)壓測(cè)量技術(shù)微壓計(jì)補(bǔ)償式微壓計(jì)傾斜式微壓計(jì)原理：以流體靜壓力基本方程為基礎(chǔ) ,根據(jù)液柱受壓時(shí)液柱高度發(fā)生變化來(lái)度量空氣壓力的大小用途：主要用來(lái)測(cè)定靜態(tài)風(fēng)壓和風(fēng)速的監(jiān)測(cè)風(fēng)壓測(cè)量技術(shù)微壓差變送器微壓差變送器原理：將兩個(gè)壓力引入一張膜片（膜盒）的兩邊，由于兩個(gè)壓力差（差壓）引起膜片產(chǎn)生位移或位移的趨勢(shì)（力），然后將這種位移量或作用力，轉(zhuǎn)化為電量或其它標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。用途：主要用來(lái)風(fēng)速閉環(huán)控制以及測(cè)定高頻風(fēng)壓風(fēng)壓測(cè)量技術(shù)

6、電子壓力掃描閥原理：利用多通道的傳感器（ZOC）進(jìn)行多點(diǎn)壓力的測(cè)量和數(shù)據(jù)采集，并利用數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（DSM或DSA模塊）和微處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 工作方式：多通道模塊高速掃描，模塊間相同通道同步采集。 工作原理圖 主機(jī) 模塊 用途：主要用于同步測(cè)定多點(diǎn)高頻動(dòng)態(tài)風(fēng)壓。 風(fēng)力測(cè)試技術(shù)天平 測(cè)力天平是直接測(cè)量作用在結(jié)構(gòu)物模型上靜風(fēng)荷載（空氣動(dòng)力）的一種測(cè)量裝置，簡(jiǎn)稱天平。 天平可以將作用在模型上的靜風(fēng)荷載按天平的直角坐標(biāo)系分解成三個(gè)互相垂直的力分量和繞三個(gè)坐標(biāo)軸的力矩分量，并分別測(cè)量。天平分類 按測(cè)力原理分：機(jī)械天平、應(yīng)變天平、壓電天平和磁懸浮天平 按所測(cè)分量分：?jiǎn)畏至刻炱?、三分量天平、五分量天平?/p>

7、六分量天平 按安裝型式分：外式天平、內(nèi)式天平 按頻率響應(yīng)分：靜力天平、高頻天平天平測(cè)力技術(shù)ZD-1風(fēng)洞精密儀器介紹熱線風(fēng)速儀品牌：DANTEC出產(chǎn)地：丹麥量程：0.560m/s精度：1.5%或0.02m/s采樣頻率：10kHz通道數(shù)：4通道購(gòu)置時(shí)間：2010.9ZD-1風(fēng)洞精密儀器介紹電子壓力掃描閥品牌：SCANIVALVE出產(chǎn)地：美國(guó)量程： 2500Pa精度： 0.15F.S.采樣頻率：625Hz模塊數(shù)：8同步測(cè)壓數(shù)：512通道購(gòu)置時(shí)間：2010.9三、邊界層風(fēng)洞在風(fēng)工程研究中的應(yīng)用相似理論大氣邊界層流場(chǎng)模擬氣動(dòng)剛性模型測(cè)壓試驗(yàn)氣動(dòng)剛性模型測(cè)力試驗(yàn)氣動(dòng)彈性模型測(cè)振試驗(yàn)相似理論風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)：

8、繞模型的流動(dòng)和繞原型的流動(dòng)相似流動(dòng)相似的五大要素：幾何相似最基本的流動(dòng)相似條件運(yùn)動(dòng)相似速度和加速度場(chǎng)的相似動(dòng)力相似同名作用力場(chǎng)的相似質(zhì)量相似密度場(chǎng)的相似熱力相似溫度場(chǎng)的相似相似理論相似準(zhǔn)則斯特拉哈數(shù)：非定常慣性力與定常慣性力的比值歐拉數(shù)：流體壓力與流體慣性力的比值雷諾數(shù)：流體慣性力與流體粘性力的比值弗勞德數(shù)：流體慣性力與重力的比值柯西數(shù)：結(jié)構(gòu)彈性力與流體慣性力的比值慣性參數(shù)：結(jié)構(gòu)慣性力與流體慣性力的比值阻尼參數(shù)：無(wú)量綱阻尼比相似理論基本縮尺比第一基本縮尺比：幾何縮尺比風(fēng)洞的尺寸結(jié)構(gòu)的尺寸風(fēng)洞堵塞度模型順風(fēng)向投影面積/風(fēng)洞試驗(yàn)段截面積6%模型制作的精度和難度湍流積分尺度第二基本縮尺比：風(fēng)速比風(fēng)洞

9、的最大風(fēng)速設(shè)計(jì)風(fēng)速結(jié)構(gòu)承受的最大風(fēng)力考慮重力影響第三基本縮尺比：密度比1相似理論導(dǎo)出縮尺比時(shí)間、頻率縮尺比位移、加速度縮尺比彈性模量、剛度縮尺比力的縮尺比結(jié)構(gòu)質(zhì)量、質(zhì)量慣性矩縮尺比大氣邊界層流場(chǎng)模擬大氣邊界層風(fēng)特性平均風(fēng)剖面：描述平均風(fēng)速沿高度的變化規(guī)律，常用指數(shù)率紊流度剖面：描述相對(duì)紊流強(qiáng)度沿高度的變化規(guī)律功率譜：描述紊流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度隨頻率的分布情況，即不同尺度旋渦的運(yùn)動(dòng)對(duì)風(fēng)速脈動(dòng)的貢獻(xiàn)程度，順風(fēng)向功率譜常采用Karman譜湍流積分尺度：描述氣流中各種旋渦沿某一方向的平均尺度，順風(fēng)向湍流積分尺度介于100300m，隨高度增大而增大大氣邊界層流場(chǎng)模擬大氣邊界層流場(chǎng)的被動(dòng)模擬技術(shù)利用格柵、尖劈和粗糙

10、元等被動(dòng)紊流發(fā)生裝置形成所需模擬紊流優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格較低，應(yīng)用方便缺點(diǎn)：參數(shù)變化困難平板格刪紊流場(chǎng)模擬尖塔陣和粗糙元模擬邊界層流場(chǎng)ZD-1風(fēng)洞特色流場(chǎng)調(diào)試技術(shù)多功能尖劈組合裝置和可移動(dòng)粗糙元相結(jié)合三維移測(cè)架與風(fēng)速排管聯(lián)合調(diào)試平均風(fēng)速與脈動(dòng)風(fēng)速、豎向風(fēng)剖面和橫向均勻性兼顧氣動(dòng)剛性模型測(cè)壓試驗(yàn)主要對(duì)象：低矮建筑高層建筑體育場(chǎng)館會(huì)展中心等目的：確定結(jié)構(gòu)物表面風(fēng)壓（系數(shù)）平均風(fēng)壓脈動(dòng)風(fēng)壓確定結(jié)構(gòu)體型系數(shù)確定結(jié)構(gòu)物的面/線荷載應(yīng)用：建筑物幕墻、屋蓋等覆面設(shè)計(jì) 瞬時(shí)風(fēng)荷載主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靜力風(fēng)荷載 - 平均風(fēng)荷載結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)分析（動(dòng)荷載、位移、加速度 ) 脈動(dòng)風(fēng)荷載方法：均勻流場(chǎng)格柵紊流場(chǎng)大氣邊界層流場(chǎng)剛性不變體

11、壓力傳感器系統(tǒng)表面風(fēng)壓氣動(dòng)剛性模型測(cè)壓試驗(yàn)相似準(zhǔn)則：幾何相似一般無(wú)需模擬結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量和動(dòng)力特性等對(duì)于紊流場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)間和頻率的相似脈動(dòng)風(fēng)特性：紊流度、功率譜和紊流積分尺度對(duì)于大開孔脈動(dòng)內(nèi)壓試驗(yàn)結(jié)構(gòu)剛度和氣動(dòng)剛度的相似氣動(dòng)剛性模型測(cè)壓試驗(yàn)風(fēng)壓測(cè)量系統(tǒng)示意圖氣動(dòng)剛性模型測(cè)壓試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱髟瓌t：幾何相似嚴(yán)格模擬被測(cè)建筑主體結(jié)構(gòu)的外形幾何縮尺比的確定堵塞率模型順風(fēng)向投影面積/風(fēng)洞試驗(yàn)段截面積5%主建筑內(nèi)部空間和掃描閥模塊的尺寸數(shù)量適度考慮紊流積分尺度的相似性需要模擬以主建筑為中心300500m半徑范圍內(nèi)的周邊環(huán)境模型材料：有機(jī)玻璃、塑料、木材等，保證試驗(yàn)過(guò)程中不發(fā)生顯著振動(dòng)雷諾數(shù)效應(yīng)對(duì)策：對(duì)于光滑曲面部

12、分，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻娲植诨幚須鈩?dòng)剛性模型測(cè)壓試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置原則：原型結(jié)構(gòu)每120m2表面內(nèi)不少于1個(gè)測(cè)壓點(diǎn)根據(jù)建筑物表面不均勻布置需要加密的部位：風(fēng)壓急劇變化的區(qū)域可適當(dāng)降低測(cè)點(diǎn)布置密度的部位：面積較大平緩的區(qū)域內(nèi)外或上下兩面均暴露受風(fēng)的構(gòu)筑物需雙面布點(diǎn)試驗(yàn)風(fēng)速選擇：壓力傳感器的量程和靈敏度模型的剛度、強(qiáng)度和安裝情況風(fēng)洞的試驗(yàn)風(fēng)速范圍氣動(dòng)剛性模型測(cè)壓試驗(yàn)風(fēng)向角：范圍：0360度間隔：1015度，局部可加密采樣頻率：盡可能高以樣本原型時(shí)間長(zhǎng)度不少于10min為宜根據(jù)時(shí)間比計(jì)算模型所需的樣本長(zhǎng)度采樣時(shí)間：上限受壓力掃描閥系統(tǒng)性能的限制ZD-1風(fēng)洞典型工程測(cè)壓試驗(yàn)昆明宜良體育場(chǎng) 港麗商務(wù)綜合樓ZD

13、-1風(fēng)洞典型工程測(cè)壓試驗(yàn)青島綠城深藍(lán)廣場(chǎng) 浦江體育場(chǎng)ZD-1風(fēng)洞典型工程測(cè)壓試驗(yàn)青島綠城深藍(lán)廣場(chǎng) 浦江體育場(chǎng)ZD-1風(fēng)洞典型工程測(cè)壓試驗(yàn)寧波中國(guó)港口博物館 紹興東方山水圖剛性模型測(cè)力試驗(yàn)方法：利用測(cè)力天平測(cè)出作用在整體結(jié)構(gòu)上的氣動(dòng)合力（系數(shù)）或者作用在結(jié)構(gòu)不同節(jié)段上的氣動(dòng)力（系數(shù)）對(duì)象：剛性不變形的全模型或節(jié)段模型測(cè)試內(nèi)容：平均氣動(dòng)力 - 三分力天平、五分力天平、六分力天平脈動(dòng)風(fēng)荷載 - 高頻天平目的：獲得建筑、橋梁等整體和局部風(fēng)荷載和動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力ZD-1風(fēng)洞典型工程測(cè)壓試驗(yàn)覆冰導(dǎo)線氣動(dòng)力試驗(yàn) ZD-1風(fēng)洞典型工程測(cè)壓試驗(yàn) 施工防護(hù)網(wǎng)測(cè)力試驗(yàn)ZD-1風(fēng)洞典型工程測(cè)壓試驗(yàn) 電動(dòng)轉(zhuǎn)軸風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)氣動(dòng)

14、彈性模型測(cè)振試驗(yàn)方法：利用測(cè)振設(shè)備測(cè)試風(fēng)荷載作用下氣動(dòng)彈性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)對(duì)象：氣動(dòng)彈性模型測(cè)試內(nèi)容：動(dòng)應(yīng)變 - 動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀動(dòng)位移 - 激光計(jì)加速度 - 加速度計(jì)目的：研究氣彈模型的風(fēng)振特性和響應(yīng)、獲得風(fēng)振系數(shù)等參數(shù)ZD-1風(fēng)洞典型工程測(cè)振試驗(yàn) 同塔四回路輸電鐵塔ZD-1風(fēng)洞典型工程測(cè)振試驗(yàn)1800t柔性腿吊機(jī) ZD-1風(fēng)洞典型工程測(cè)振試驗(yàn)復(fù)合屋面板單元測(cè)振試驗(yàn)參考教材黃本才,汪叢軍.結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析原理及應(yīng)用(第二版)M.上海： 同濟(jì)大學(xué)出版社, 2008.日風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)指南研究委員會(huì).建筑風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)指南M.孫瑛,武岳，曹正罡譯.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.埃米爾.希繆,羅伯特.H.斯坎倫. 風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用風(fēng)工程導(dǎo)論M.劉尚培，項(xiàng)海帆，謝霽明譯.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社,1992.2014年創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)指南項(xiàng)目一：高層建筑風(fēng)荷載干擾效應(yīng)的測(cè)壓試驗(yàn)研究（工程型）1. 背景資料： 8.3.2規(guī)定: 當(dāng)多個(gè)建筑物，特別是群集的高層建筑，相互間距較近時(shí)，宜考慮風(fēng)力相互干擾的群體效應(yīng);一般可單獨(dú)建筑物的體型系數(shù)s 乘以相互干擾系數(shù)。相互干擾系數(shù)可按下列規(guī)定確定:1)對(duì)矩形平面高層建筑，當(dāng)單個(gè)施擾建筑與受擾建筑高度相近時(shí)，根據(jù)施擾建筑的位置，對(duì)順風(fēng)向風(fēng)荷載可在1