Irwin探頭在群體建筑風(fēng)環(huán)境測定中的運用
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本文作者：馬文勇、劉慶寬、劉小兵、尉耀元 單位：石家莊鐵道大學(xué)風(fēng)工程研究中心
隨著城市建筑群體，尤其是城市公共建筑群體的發(fā)展，建筑群體內(nèi)行人舒適性問題成為風(fēng)環(huán)境研究的重要方向之一。建筑周圍行人高度風(fēng)環(huán)境的研究主要包含建筑周圍風(fēng)速的確定[1-4]、風(fēng)中行人舒適度的判別準(zhǔn)則[5-7]以及有效的改善建筑周邊風(fēng)場從而改善風(fēng)環(huán)境的措施。
數(shù)值方法[3,4,8,9]和風(fēng)洞試驗方法[2,10-13]均用于行人高度風(fēng)環(huán)境的確定中。盡管熱線風(fēng)速儀和熱膜法可以準(zhǔn)確的進行建筑周邊行人高度風(fēng)測試，但是行人高度風(fēng)測試探頭使用起來最為方便[2]，其中irwin探頭就屬于專門用于行人高度全方向風(fēng)速測試的探頭[1]。Irwin探頭并非標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)速測量設(shè)備，由于制作工藝的限制，因此Irwin探頭在使用前需要進行詳細(xì)的標(biāo)定，同時由于是全方向風(fēng)速測試探頭，Irwin探頭無法確定測試風(fēng)速對應(yīng)的風(fēng)向。本文采用Irwin探頭結(jié)合一種簡單的風(fēng)向測試設(shè)備對某高層建筑群的行人高度風(fēng)進行了測試，通過測試給出了該建筑群的內(nèi)部及周邊行人高度風(fēng)環(huán)境，為建筑群的設(shè)計提供了建議，同時也討論了Irwin的標(biāo)定、行人高度風(fēng)速及風(fēng)向測試技術(shù)。
1Irwin探頭的制作及標(biāo)定
一般低于兩米的行人高度在縮尺模型在風(fēng)洞中距離風(fēng)洞底面或者結(jié)構(gòu)表面很低，因此要求行人高度風(fēng)的測試設(shè)備一定要足夠小。1981年，Irwin[1]提出了一種方便有效的全方向行人高度風(fēng)速測試設(shè)備，稱為Irwin探頭。
1.1探頭制作及測試原理
Irwin探頭的示意圖見圖1。本文采用的探頭采用有機玻璃與中空鋼針制作Iwrin探頭測試風(fēng)速的基本原理是A端的風(fēng)速與A、B端的壓差成正比。其中pB、pA分別為探頭兩端的風(fēng)壓，a、b為探頭的標(biāo)定系數(shù)，Uh為距離底面標(biāo)高h(yuǎn)處(即A點)的風(fēng)速。
1.2探頭標(biāo)定
圖2為Irwin探頭標(biāo)定示意圖，其中標(biāo)定支架平板采用3mm厚有機玻璃板制作，邊長為80cm，端部采用15度向下倒角，支架平板距離風(fēng)洞底面高50cm(測試位置處風(fēng)洞邊界層小于26cm)。來流方向沿x正向。本文風(fēng)速測量采用澳大利亞TFI(TurbulentFlowInstrucmention)公司生產(chǎn)的Cobra探頭；風(fēng)壓測量采用美國Scanvival公司生產(chǎn)的ZOC33壓力掃描閥在選擇待標(biāo)定Irwin探頭布置區(qū)域前，對標(biāo)定支架平板表面風(fēng)速進行了測試。圖3給出了來流風(fēng)速為15m/s時，平板y=0，x=15～135mm，距離平板面10mm高度處的風(fēng)速。根據(jù)測試結(jié)果采用最小二乘法擬合的曲線可以計算得到，當(dāng)來流風(fēng)速為U0=15m/s時，距離平板端部39.96mm處的風(fēng)速最接近來流風(fēng)速，因此標(biāo)定時取圖2中D=40mm，經(jīng)過測試在平板y方向，距離兩端120mm以內(nèi)，風(fēng)速偏差在1%以內(nèi)，本文偏于保守的取圖2中S=180mm。通過不同風(fēng)速下的測定驗證，上述D與S的取值能保證，待標(biāo)定探頭布置區(qū)域風(fēng)速的均勻性，其風(fēng)速偏差在1%以內(nèi)。圖4為隨機選取的四個探頭的標(biāo)定直線，其中圖4圖例中括弧內(nèi)的數(shù)據(jù)表示每個探頭擬合直線回歸分析的判定系數(shù)，該系數(shù)越接近1說明擬合優(yōu)度越大。本文隨機取出的4個探頭擬合數(shù)據(jù)的判定系數(shù)均大于0.999，因此用線性關(guān)系可以準(zhǔn)確的描述p與hU的關(guān)。圖4中探頭按照同一種規(guī)格加工而成，得到的標(biāo)定曲線有一定的差別，因此在不能嚴(yán)格保證加工精度的情況下，同每個探頭需要單獨標(biāo)定。由公式(1)可知由于探頭標(biāo)定線性關(guān)系中截距a的存在，當(dāng)p0時，hUa，如本文中探頭1的標(biāo)定系數(shù)中a≈0.52，因此對于小風(fēng)速，按照標(biāo)定直線計算得到的風(fēng)速誤差將會比較大，同時由圖4可以看出，在接近4m/s的風(fēng)速下，p的數(shù)值在4pa左右，而當(dāng)風(fēng)速接近15m左右時，p的數(shù)值在50～80pa左右考慮的風(fēng)壓測試設(shè)備的測量誤差，因此無論從標(biāo)定還是從測試角度來講，Irwin探頭測試精度將會隨風(fēng)速的降低而降低。由于Irwin探頭是全風(fēng)向風(fēng)速測量設(shè)備，對不同來流方向下Irwin探頭的標(biāo)定結(jié)果表明，對于加工精度高的探頭而言，各個方向的標(biāo)定結(jié)果非常接近，本文試驗中采用的探頭均是以此為依據(jù)進行篩選后得到的。
2風(fēng)向測試Irwin探頭為一全方向風(fēng)速測試設(shè)備，因此僅采用測設(shè)備無法得到行人高度出的風(fēng)向信息，限制了行人高度風(fēng)環(huán)境尤其是行人高度風(fēng)環(huán)境改善措施的研究。煙線法、絲線法、刷蝕法等等都簡便的定性流動顯示方法，本文采用一種更簡單易加工的風(fēng)向測試設(shè)備，通過拍照的形式得到行人高度出的平均風(fēng)向信息。相比煙線法更簡單一些，比絲線法更敏感。圖5為本文采用的風(fēng)向測試設(shè)備。主要采用可以繞桿軸旋轉(zhuǎn)的風(fēng)向標(biāo)來測試風(fēng)向。本文采用大頭針作為桿軸，空心塑膠管作為轉(zhuǎn)軸，黑色膠帶作為風(fēng)向標(biāo)制作得到便于固定、使用方便、對風(fēng)速更為靈敏的風(fēng)向測試設(shè)備。
3.1風(fēng)速比
行人高度風(fēng)環(huán)境測試的試驗結(jié)論是行人高度處測試風(fēng)速與來流風(fēng)速之比，該比值反映了建筑結(jié)構(gòu)對來流風(fēng)速的放大效應(yīng)。定義i處的風(fēng)速比為Vi其中0V為行人高度處自由來流的平均風(fēng)速。本文測試了以10°為間隔360°風(fēng)向角下行人高度(2m高度)處風(fēng)速比，對不同風(fēng)向角進行統(tǒng)計得到了最大風(fēng)速比及對應(yīng)的風(fēng)向角見圖6。圖6中斜線填充區(qū)域為高層建筑地面輪廓，其中包含高度超過100m的三棟高層建筑。共布置了47個Irwin探頭進行測試，探頭測試結(jié)果風(fēng)速比后括弧內(nèi)數(shù)據(jù)表示發(fā)生該最大風(fēng)速比時的風(fēng)向角，0°風(fēng)向角如圖6中所示，按逆時針旋轉(zhuǎn)增加。圖6中虛線區(qū)域為風(fēng)速比較大區(qū)域，可以看出，由于三棟建筑之間存在三個20m～30m左右的夾縫，形成了“窄道效應(yīng)”，該區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速比較大，最大風(fēng)速比達到了3.12，即該處的風(fēng)速為來流風(fēng)速的3倍以上放大效應(yīng)明顯。流體流經(jīng)結(jié)構(gòu)角部的加速效應(yīng)造成結(jié)構(gòu)角部的風(fēng)速比也比較大。
3.2風(fēng)向
圖7給出采用本文的風(fēng)向測試設(shè)備測試得到的0°風(fēng)向角的風(fēng)向，圖中箭頭表示風(fēng)向。風(fēng)向的記錄的方法是采用高清照相機記錄風(fēng)向測試設(shè)備的狀態(tài)后通過圖像處理的方法獲得測試位置的風(fēng)向。采用本文的方法基本可以得到風(fēng)向，測試中發(fā)現(xiàn)，由于風(fēng)向標(biāo)在脈動風(fēng)場中不停的擺動，部分流場復(fù)雜的區(qū)域，甚至發(fā)生風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)動現(xiàn)象，因此該方法得到的風(fēng)向無法描述方向變化幅度較大區(qū)域的風(fēng)向信息。
3.3舒適性評估
行人高度風(fēng)環(huán)境主要通過來流條件、風(fēng)速比與評價準(zhǔn)則三方面對行人的舒適度進行評價。文獻[14]中提到，當(dāng)風(fēng)速大于6m/s時，行人開始感覺到不舒適；大于9m/s時，行人的動作會受到影響；當(dāng)風(fēng)速達到15m/s時，行人的步履控制會受到影響；處在大于20m/s的風(fēng)速中的行人是比較危險的，這與Lawson[15]的危險性平均風(fēng)速閥值是一致的。按照風(fēng)剖面指數(shù)為0.22，則當(dāng)10m高度處風(fēng)速大于10.7m/s時，本項目中風(fēng)速比大于2.0的位置，行人高度出風(fēng)速將達到15m/s；則當(dāng)10m高度處風(fēng)速大于9.5m/s時，本項目中風(fēng)速比大于3.0的位置，行人高度出風(fēng)速將達到20m/s。對于項目所在地的北京地區(qū)，大于10m/s的風(fēng)速時有發(fā)生，因此該項目行人高度風(fēng)環(huán)境問題突出，需要采用風(fēng)環(huán)境改善措施。
4結(jié)論
本文采用自制Irwin探頭與簡便風(fēng)向測試設(shè)備測試了某群體建筑風(fēng)速比及風(fēng)向，結(jié)果表明準(zhǔn)確制作及標(biāo)定的Irwin探頭具有很好的線性度，可以得到準(zhǔn)確的風(fēng)速，測試中應(yīng)當(dāng)考慮到壓力測試設(shè)備的精度，盡量在較高的風(fēng)速下測量；采用拍照方式記錄的風(fēng)向標(biāo)基本上可以得到行人風(fēng)環(huán)境高度出的風(fēng)向信息；采用上述方法測試實例說明，群體建筑狹管效應(yīng)和角區(qū)氣流效應(yīng)造成該區(qū)域內(nèi)風(fēng)速比較大，風(fēng)環(huán)境問題突出，需要采用風(fēng)環(huán)境改善措施。由于行人高度處地面干擾物復(fù)雜，風(fēng)向不穩(wěn)定，采用本文提出的簡易風(fēng)向測試設(shè)備可以方便的給出相對穩(wěn)定區(qū)域的風(fēng)向，測試方法簡單，可以為風(fēng)環(huán)境改善措施的開發(fā)提供依據(jù)。