建筑研究與設(shè)計中風洞試驗的應用

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摘要:對于大跨度建筑、超高層建筑等空間結(jié)構(gòu)，特別是其中柔度較大的結(jié)構(gòu)而言，風荷載的影響十分明顯。而由于這類建筑通常具有復雜的空氣動力學特性，因此在對其進行研究與設(shè)計時風洞試驗往往是最有效的方法之一。介紹了風洞試驗的方法與特點，總結(jié)了風洞試驗在這類建筑中的應用，并探討了風洞試驗的未來發(fā)展。

關(guān)鍵詞:空氣動力學；風荷載；風洞試驗

隨著近年來我國經(jīng)濟的不斷增長，我國的建筑業(yè)也相應地飛速發(fā)展。越來越多的超高層建筑、大跨度建筑被設(shè)計和建造，并且建筑的形狀也出現(xiàn)了越來越多的異型設(shè)計。一方面，為了降低建筑自重和獲得更大的無柱空間，建筑在不斷改進其建筑材料與結(jié)構(gòu)體系的同時，也一定程度使得結(jié)構(gòu)的剛度變?nèi)?、自振頻率降低，這會導致建筑結(jié)構(gòu)對風荷載的敏感度增加甚至以風荷載為主要控制荷載［1］。另一方面，風荷載的時空特性復雜，由結(jié)構(gòu)自身的特征湍流、高階振型等因素造成的影響往往不可忽略甚至居于主導位置，在具體設(shè)計時往往無法依據(jù)設(shè)計規(guī)范直接對結(jié)構(gòu)進行分析。因此，為了進行氣動力研究以完善相關(guān)設(shè)計規(guī)范和為建筑設(shè)計提供可靠依據(jù)，風洞試驗的應用越來越廣泛。本文針對當今不斷發(fā)展的超高層建筑，大跨度建筑等受風荷載影響較大較復雜的建筑結(jié)構(gòu)，對風洞試驗的應用以及未來發(fā)展進行了探討與分析。

1風洞試驗簡述

1．1風洞試驗方法

風洞試驗是進行空氣動力學分析并提供相關(guān)參數(shù)的一種重要方法，在飛行器研究、建筑分析設(shè)計等領(lǐng)域都有廣泛應用。對建筑領(lǐng)域而言，風洞試驗的方法是將建筑物的縮尺比模型固定在風洞中，通過風洞中人工產(chǎn)生的氣流模擬現(xiàn)實風場，對其進行測力試驗、測壓試驗等模擬試驗并獲得相關(guān)參數(shù)和進行力學分析。其主要思想來自于相似理論［3］:如果能控制一個現(xiàn)象中的全部物理量在兩個相應時間空間都成比例，那么就可以說這兩個時間空間下的現(xiàn)象相似。即通過控制建筑的縮尺比模型以及試驗條件，可以用縮尺比模型對現(xiàn)實建筑進行模擬，并進行定性乃至定量分析。

1．2風洞試驗過程

風洞試驗過程從總體上可大致分為三部分內(nèi)容:1)風場調(diào)試。通過在風洞中安裝導流板、粗糙源，可以對不同類型的風場進行模擬。風洞試驗通常需要首先根據(jù)試驗需求對風場進行調(diào)試與檢測，確保試驗風場對目標風場的模擬不出現(xiàn)大偏差，如圖1所示。2)模擬試驗。在確保風場調(diào)試無誤后，在風洞中安裝固定建筑的縮尺比模型，并進行相應的測力試驗、測壓試驗或其他試驗，如圖2所示。3)數(shù)據(jù)校核。對試驗數(shù)據(jù)進行初步分析以檢驗試驗是否出現(xiàn)錯誤。

1．3優(yōu)缺點分析

相比于其他研究方法，風洞試驗有著獨有優(yōu)勢:1)準確控制試驗條件。風洞試驗可以準確控制地貌、湍流度、風速、風向角等試驗條件，從而較為準確地模擬現(xiàn)實或目標情況。2)試驗結(jié)果直觀可靠。由于風洞試驗是對現(xiàn)實情況的近似模擬，因此風洞試驗的結(jié)果也同樣可以近似反映真實情況。相比于其他理論分析，風洞試驗的結(jié)果要更為直觀可靠。3)受環(huán)境因素影響小。風洞試驗是室內(nèi)試驗，并且風洞內(nèi)的試驗條件也可以準確控制，因此外界環(huán)境因素對試驗造成的影響相對較小。4)成本低，效率高，安全性高。雖然風洞試驗有著諸多優(yōu)點，但是作為模擬試驗，很難實現(xiàn)完全精確，風洞試驗也同樣存在局限:1)邊界效應?，F(xiàn)實中的風場是沒有邊界的，但是風洞試驗受場地、造價影響，其洞壁邊界不同程度會對風場造成影響，使得模擬風場與現(xiàn)實風場存在偏差。2)支架干擾。建筑的縮尺比模型在風洞中進行固定時需要用到支架，并且對于一些高寬比較大的建筑，為保證試驗過程中模型不出現(xiàn)大幅振動往往還需對支架進一步加固。這些支架同樣會對風場產(chǎn)生干擾。3)試驗條件難以完全滿足。根據(jù)相似理論，風洞試驗應該精確控制試驗條件與現(xiàn)實成一定比例，但是在實際控制時往往難以對全部試驗條件都完全滿足。因此，在具體試驗中，應考慮到風洞試驗的諸多影響因素，通過限制縮尺比、合理設(shè)置測點等試驗前手段以及修正數(shù)據(jù)等試驗后手段，盡量減小試驗誤差。

2風洞試驗應用

2．1理論研究

風洞試驗的種類繁多，根據(jù)需求可靈活選取測力試驗、測壓試驗、傳熱試驗等諸多類型。通過選取與控制變量進行模擬試驗，可自由對風速、風向、建筑尺寸等因素單獨分析，也可進行組合分析。模擬試驗的主要依據(jù)是相似理論，因此在試驗前必須確保模擬試驗滿足相似判據(jù)為常數(shù)。在力學問題中，通常要求模擬試驗的設(shè)計應包括:力學相似、材料相似、初始條件相似及邊界條件相似等［4］。試驗者通常首先根據(jù)分析方程式法與量綱分析法求得模擬試驗的相似判據(jù)，并根據(jù)相似判據(jù)對模擬試驗進行設(shè)計。需要注意的是，有些相似條件如邊界條件相似在一些情況下很難達到相似模擬，但也應進行近似模擬且保證偏于安全［4］。在完成模擬試驗的設(shè)計之后，便可以定制模型進行風洞試驗，具體步驟基本與上文所述相同。然后對試驗數(shù)據(jù)進行處理分析。

2．2建筑設(shè)計

我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［5］對建筑物所受的風荷載標準值計算公式進行了規(guī)定，并給出了常見情況的風荷載體型系數(shù)等相關(guān)參數(shù)。但是對于不滿足常見情況或者重要且體型復雜的房屋和構(gòu)筑物，仍應由風洞試驗確定［5］。隨著我國科學技術(shù)與施工工藝的不斷發(fā)展，建筑設(shè)計對風洞試驗的需求量也不斷增大。越來越多的建筑不滿足于規(guī)范的常見情況，而需要通過風洞試驗獲得可靠參數(shù)以指導建筑設(shè)計。建筑設(shè)計所需的風洞試驗基本與科研試驗項目相同，只是在獲得參數(shù)后進行的后期分析處理的方法與目的同科研試驗有所區(qū)別。此外，由于科研試驗是為了得到普遍性結(jié)果，而工業(yè)項目通常是為得到與項目對應的特有結(jié)果，因此有時工業(yè)項目的縮尺比模型還會包括建筑場地周邊的地形地貌，如圖3所示。

3風洞試驗未來發(fā)展

3．1試驗裝置改進

如前文所述，風洞試驗存在邊界效應、支架干擾等不可避免的影響因素，但這些因素可以通過改進試驗裝置以減小或避免。比如邊界效應，在飛行器領(lǐng)域已發(fā)展有自修正風洞［6］技術(shù)，通過對洞壁進行主動調(diào)節(jié)使其成為無約束流場中的一條流線以避免邊界效應，而這在建筑領(lǐng)域也具有廣泛的發(fā)展前景。再比如支架干擾，或也可以通過磁懸模型技術(shù)進行減小乃至避免?？偠灾ㄟ^對試驗裝置的改進，未來的風洞試驗將可以更加準確可靠。

3．2分析方法發(fā)展

風洞試驗的數(shù)據(jù)分析方法發(fā)展至今，已有十分豐富的種類，常見的如CFD，POD等分析方法已得到廣泛應用。不斷發(fā)展擴充的分析方法使得數(shù)據(jù)的處理分析更加多元化，也使得理論研究更加精細深入。

4結(jié)語

在建筑領(lǐng)域飛速發(fā)展的今天，風洞試驗的地位正愈發(fā)重要。不論是規(guī)范條文指導作用的局限性，還是建筑設(shè)計日益增高的需求與要求，都需要更多的風洞試驗以及相關(guān)理論研究。本文總結(jié)了風洞試驗的基本特點以及應用，可以看出，雖然風洞試驗目前尚存在一些局限，但其仍是對建筑進行風荷載分析與設(shè)計的最有效手段之一。并且在未來，建筑研究與設(shè)計對風洞試驗的需求還將繼續(xù)增長，而要求也會不斷變高。

參考文獻:

［2］李元齊，胡渭雄，王磊，等．大跨度空間結(jié)構(gòu)典型形體風壓分布風洞試驗研究現(xiàn)狀［A］．第十二屆空間結(jié)構(gòu)學術(shù)會議論文集［C］．2008．

［4］尤鳳翔，呂福合．相似理論在工程實際中的應用［J］．丹東師專學報，1999(1):56-58．

［5］GB50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］．

［6］左培初，賀家駒，李華星，等．二元柔壁自修正風洞研究［J］．空氣動力學學報，1989(2):208-214．

作者：趙翔宇 魯彥 郝杰龍 單位：重慶大學土木工程學院