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1、风洞试验技术介绍及应用风洞试验技术介绍及应用 余世策余世策 建工学院实验中心建工学院实验中心 2014.22014.2一、风洞简介一、风洞简介o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。o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
2、驱动风扇 3. 测控系统： 速压控制、/机构控制、移测架控制、风压(速)测量系统等低速风洞的组成低速风洞的组成边界层风洞边界层风洞 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
3、层风洞ZD-1边界层风洞简介边界层风洞简介风洞类型：闭口回流风洞风洞类型：闭口回流风洞结构类型：立式混合结构风洞结构类型：立式混合结构风洞试验段类型：单试验段风洞试验段类型：单试验段风洞风速类型：低速风洞风速类型：低速风洞建成时间：建成时间：20102010年年1010月月ZD-1边界层风洞照片边界层风洞照片ZD-1边界层风洞技术参数与特色边界层风洞技术参数与特色主要技术参数：l风洞尺寸：试验段尺寸为4m(宽)3m(高)18m(长)l试验段风速范围：3-55m/s，控制精度：优于1.0%l试验段转盘：前转盘直径1.5m，后转盘直径2.5m主要特色：l试验断面大、风速高、流场品质好；l应用范围广
4、:涵盖建筑、桥梁、交通、工业空气动力学、航空航天领域；l配有全国领先的移测架，能实现风速实时移测。二、风洞测试技术二、风洞测试技术o风速测试技术风速测试技术o风压测试技术风压测试技术o风力测试技术风力测试技术风速测量技术风速测量技术o皮托静压管（Pitot-static tube） 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风速测量技术o热线（膜）风速仪（hot wire/film anemometer）原理：利用探头上的
5、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。u能测定高频动态风速，测量精度取决于标定u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风速测量技术oIrwin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+ BP0.5u能测定任意方向来流风速，成本不高风压测量技术风压测量技术o微压计
6、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风压测量技术o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风压测量技术o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，
7、模块间相同通道同步采集。 工作原理图工作原理图 主机主机 模块模块 用途：主要用于同步测定多点高频动态风压。 风力测试技术风力测试技术o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。o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天平测力技术ZD-1风洞精密仪器介绍风洞精密仪器介绍
8、l热线风速仪品牌：DANTEC出产地：丹麦量程：0.560m/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风洞风洞精密仪器介绍精密仪器介绍l电子压力扫描阀品牌：SCANIVALVE出产地：美国量程： 2500Pa精度： 0.15F.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三、边界层风洞在风工程研究中的应用o相似理论o大气边界层流场模拟o气动刚性模型测压试验o气动刚性模型测力试验o气动弹性模型测振试验相似理论相似理论l风洞实验的基础：绕模型的流动和绕原型的流动相似l流动相似
9、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l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l基本缩尺比第一基本缩尺比：几何缩尺比p风洞的尺寸p结构的尺寸p风洞堵塞度模型顺风向投影面积/风洞试验段截面积6%p模型制作的精度和难度p湍流积分尺度第二基本缩尺比：风速比p风洞的最大风速p设计风速p
10、结构承受的最大风力p考虑重力影响第三基本缩尺比：密度比1相似理论l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l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100300m，随高度增大而增大大气边界层流场模拟l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
11、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-1ZD-1风洞特色流场调试技术风洞特色流场调试技术o多功能尖劈组合装置和可移动粗糙元相结合多功能尖劈组合装置和可移动粗糙元相结合o三维移测架与风速排管联合调试三维移测架与风速排管联合调试o平均风速与脉动风速、竖向风剖面和横向均匀性兼顾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l主要对象：低矮建筑高层建筑体育场馆会展中心等l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l应用：建筑物幕墙、屋盖等覆面设计 瞬时风荷载
12、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l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l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l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
13、需要模拟以主建筑为中心300500m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l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l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l风向角：范围：0360度间隔：1015度，局部可加密l采样频率：尽可能高以样本原型时间长
14、度不少于10min为宜根据时间比计算模型所需的样本长度l采样时间：上限受压力扫描阀系统性能的限制ZD-1风洞风洞典型工程测压试验典型工程测压试验l昆明宜良体育场 l港丽商务综合楼ZD-1风洞风洞典型工程测压试验典型工程测压试验l青岛绿城深蓝广场 l浦江体育场ZD-1风洞风洞典型工程测压试验典型工程测压试验l青岛绿城深蓝广场 l浦江体育场ZD-1风洞风洞典型工程测压试验典型工程测压试验l宁波中国港口博物馆 l绍兴东方山水图刚性模型测力试验刚性模型测力试验l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）l对象：刚性不变形的全模型或节段模型l测试内容
15、：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l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风洞典型工程测压试验l覆冰导线气动力试验 ZD-1风洞典型工程测压试验风洞典型工程测压试验 l施工防护网测力试验ZD-1风洞典型工程测压试验风洞典型工程测压试验 l电动转轴风洞测力试验气动弹性模型测振试验气动弹性模型测振试验l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l对象：气动弹性模型l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l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
16、型工程测振试验风洞典型工程测振试验 l同塔四回路输电铁塔ZD-1风洞典型工程测振试验风洞典型工程测振试验l1800t柔性腿吊机 ZD-1风洞典型工程测振试验风洞典型工程测振试验l复合屋面板单元测振试验参考教材o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.o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.o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年创新实验指南年创新实验指南项目一：高层建筑风荷载干扰效应的测压
17、试验研究（工程型）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：背景资料： 8.3.28.3.2规定规定: : 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; ;一般可一般可单独建筑物的体型系数单独建筑物的体型系数s s 乘以相互干扰系数。相互干扰系数可按下列规定确定乘以相互干扰系数。相互干扰系数可按下列规定确定: :1)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，对顺风向风荷载可对矩形平面高层建筑，当单个施扰建筑与受扰
18、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在1.001.001.10 1.10 范围内选取，对横风向风荷载可在范围内选取，对横风向风荷载可在1.00-1.20 1.00-1.20 范围内选取范围内选取; ;2)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。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：任务书：查阅相关文献查阅相关文献, ,自主设计一种建筑体型自主设计一种建筑体型, ,设计风压测点设计风压测点, ,制作试验模型制作试验模型, ,设计设计试验工况试验工况, , 进行风洞试验进行风洞试验, , 研究干扰效应对高
19、层建筑风荷载的影响研究干扰效应对高层建筑风荷载的影响, ,并与规范结果进行并与规范结果进行对比。对比。3. 实验设计要求：实验设计要求： 建筑体型不限但建筑体型不限但要求便于组装要求便于组装 测点数量控制在测点数量控制在120120个以内个以内 试验工况控制在试验工况控制在4040个以内个以内4.4.组队要求：组队要求： 组数：组数：3 3组组 每组人数：每组人数：3-53-5人人2014年创新实验指南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）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：背景资料： 圆柱绕流是空气动力学研究的一个经
20、典问题，空气流过圆柱体时，空气的流动状态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变，因此在风洞试验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变，因此在风洞试验中当遇到圆截面结构时，测到的风荷载与实际结构会产生差异，这种差异直接影响实验中当遇到圆截面结构时，测到的风荷载与实际结构会产生差异，这种差异直接影响实验结果的可靠性。因此通过理论和实验研究获得雷诺数效应对圆柱绕流特性的影响并在实结果的可靠性。因此通过理论和实验研究获得雷诺数效应对圆柱绕流特性的影响并在实验中加以克服，是非常重要的工作。
21、验中加以克服，是非常重要的工作。 2. 任务书：任务书：查阅相关文献查阅相关文献, ,自主开展相关知识的学习，自主设计实验方案自主开展相关知识的学习，自主设计实验方案, ,设计制作设计制作试验模型试验模型, ,设计试验工况设计试验工况, , 进行风洞试验进行风洞试验, , 研究雷诺数对圆柱体风力的影响。研究雷诺数对圆柱体风力的影响。 3. 实验设计要求：实验设计要求：模型不超过模型不超过3个个 试验工况控制在试验工况控制在6060个以内个以内 4. 组队要求：组队要求： 组数：组数：1 1组组 每组人数：每组人数：3-53-5人人谢谢观赏！知识回顾知识回顾Knowledge Knowledge ReviewReview谢谢 谢！谢！ 放映结束 感谢各位的批评指导！让我们共同进步
