風洞試驗技術(shù)介紹及應(yīng)用

風洞試驗技術(shù)介紹及應(yīng)用

余世策

建工學院實驗中心

2014.2一、風洞簡介什么是風洞風洞是指一個按一定要求設(shè)計的、具有動力裝置的、用于各種氣動力試驗的可控氣流管道系統(tǒng)。風洞的分類1.按流動方式分：閉口回流式風洞和開口直流式風洞2.按風速大小分：低速風洞，高速風洞和高超聲速風洞3.按風洞試驗段的構(gòu)造分：封閉式風洞和敞開式風洞4.按風洞的功能分：航空風洞，建筑風洞，環(huán)境風洞，汽車風洞

1.洞體：動力段、擴散段、穩(wěn)定段、收縮段、試驗段、蜂窩器、阻尼網(wǎng)2.動力驅(qū)動系統(tǒng)：直流調(diào)速器/交流變速器控制電機驅(qū)動風扇3.測控系統(tǒng)：速壓控制、α/β機構(gòu)控制、移測架控制、風壓(速)測量系統(tǒng)等低速風洞的組成邊界層風洞

相對于航空風洞來說，用于土木工程結(jié)構(gòu)的風洞一般都是風速較低的低速風洞，并且紊流度要求不高，用于土木工程結(jié)構(gòu)的風洞一般擁有較長的試驗段，以模擬大氣邊界層風場，因此，常被稱為邊界層風洞。國內(nèi)近年興建的邊界層建筑風洞：湖南大學(2004),長安大學(2004),大連理工大學(2006),中國建科院(2007),西南交通大學(2007),哈爾濱工業(yè)大學(2008),石家莊鐵道大學(2009)，浙江大學(2010)中國建科院直流式邊界層風洞長安大學回流式邊界層風洞ZD-1邊界層風洞－簡介風洞類型：閉口回流風洞結(jié)構(gòu)類型：立式混合結(jié)構(gòu)風洞試驗段類型：單試驗段風洞風速類型：低速風洞建成時間：2010年10月ZD-1邊界層風洞－照片ZD-1邊界層風洞－技術(shù)參數(shù)與特色主要技術(shù)參數(shù)：風洞尺寸：試驗段尺寸為4m(寬)×3m(高)×18m(長)試驗段風速范圍：3-55m/s，控制精度：優(yōu)于1.0%試驗段轉(zhuǎn)盤：前轉(zhuǎn)盤直徑1.5m，后轉(zhuǎn)盤直徑2.5m主要特色：試驗斷面大、風速高、流場品質(zhì)好；應(yīng)用范圍廣:涵蓋建筑、橋梁、交通、工業(yè)空氣動力學、航空航天領(lǐng)域；配有全國領(lǐng)先的移測架，能實現(xiàn)風速實時移測。二、風洞測試技術(shù)風速測試技術(shù)風壓測試技術(shù)風力測試技術(shù)風速測量技術(shù)皮托靜壓管（Pitot-statictube）對于低速（即風速不超過0.3倍音速，約100m/s）、不可壓縮的流動，沿某一流線作穩(wěn)定流動的不可壓縮無粘性氣流應(yīng)滿足下述伯努力方程：常與微壓計（補償式、傾斜式）相連用來測定來流的平均風速皮托靜壓管原理圖風速測量技術(shù)熱線（膜）風速儀（hotwire/filmanemometer）原理：利用探頭上的熱線（膜）在氣流流過時由于散熱量增加而降溫從而導致電阻變化的原理來測量風速。能測定高頻動態(tài)風速，測量精度取決于標定熱線用直徑只有幾微米的合金細絲制成，因非常脆而容易斷裂，且價格昂貴風速測量技術(shù)Irwin探頭原理：它由一個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長探頭管組成。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)軸對稱地安裝在靜壓孔的中央，其高出基座頂面的高度由行人高度和模型試驗的幾何縮尺比確定。試驗中，來流風速時程u(t)可以按照下式確定：u(t)=A+B×ΔP^0.5能測定任意方向來流風速，成本不高風壓測量技術(shù)微壓計補償式微壓計傾斜式微壓計原理：以流體靜壓力基本方程為基礎(chǔ),根據(jù)液柱受壓時液柱高度發(fā)生變化來度量空氣壓力的大小用途：主要用來測定靜態(tài)風壓和風速的監(jiān)測風壓測量技術(shù)微壓差變送器微壓差變送器原理：將兩個壓力引入一張膜片（膜盒）的兩邊，由于兩個壓力差（差壓）引起膜片產(chǎn)生位移或位移的趨勢（力），然后將這種位移量或作用力，轉(zhuǎn)化為電量或其它標準信號輸出。用途：主要用來風速閉環(huán)控制以及測定高頻風壓風壓測量技術(shù)電子壓力掃描閥原理：

利用多通道的傳感器（ZOC）進行多點壓力的測量和數(shù)據(jù)采集，并利用數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（DSM或DSA模塊）和微處理器對數(shù)據(jù)進行處理。

工作方式：

多通道模塊高速掃描，模塊間相同通道同步采集。

工作原理圖主機模塊用途：

主要用于同步測定多點高頻動態(tài)風壓。

風力測試技術(shù)天平

測力天平是直接測量作用在結(jié)構(gòu)物模型上靜風荷載（空氣動力）的一種測量裝置，簡稱天平。天平可以將作用在模型上的靜風荷載按天平的直角坐標系分解成三個互相垂直的力分量和繞三個坐標軸的力矩分量，并分別測量。天平分類按測力原理分：機械天平、應(yīng)變天平、壓電天平和磁懸浮天平按所測分量分：單分量天平、三分量天平、五分量天平和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、高頻天平天平測力技術(shù)ZD-1風洞精密儀器介紹熱線風速儀品牌：DANTEC出產(chǎn)地：丹麥量程：0.5～60m/s精度：±1.5%或±0.02m/s采樣頻率：10kHz通道數(shù)：4通道購置時間：2010.9ZD-1風洞精密儀器介紹電子壓力掃描閥品牌：SCANIVALVE出產(chǎn)地：美國量程：±2500Pa精度：±0.15％F.S.采樣頻率：625Hz模塊數(shù)：8同步測壓數(shù)：512通道購置時間：2010.9三、邊界層風洞在風工程研究中的應(yīng)用相似理論大氣邊界層流場模擬氣動剛性模型測壓試驗氣動剛性模型測力試驗氣動彈性模型測振試驗相似攀理論風洞掉實驗惡的基雪礎(chǔ)：巨繞模捐型的硬流動嬸和繞戶原型止的流旅動相開似流動見相似羽的五串大要漠素：幾何門相似四－最列基本黑的流潤動相移似條礎(chǔ)件運動賽相似犯－速交度和毫加速肉度場層的相哥似動力贊相似與－同爆名作喘用力延場的敏相似質(zhì)量悅相似旬－密趨度場藏的相屠似熱力拴相似癥－溫濕度場瘦的相練似相似情理論相似冬準則斯特三拉哈蒜數(shù)：耳非定寶常慣士性力曾與定灣常慣宅性力揀的比診值歐拉央數(shù)：晝流體筍壓力鼠與流深體慣紛性力稀的比視值雷諾危數(shù)：交流體借慣性騎力與苗流體荒粘性折力的播比值弗勞揪德數(shù)蠶：流疏體慣傻性力許與重塞力的敲比值柯西方數(shù)：刪結(jié)構(gòu)婆彈性視力與億流體穩(wěn)慣性荷力的圓比值慣性梯參數(shù)斧：結(jié)碗構(gòu)慣跟性力溪與流漸體慣即性力具的比勇值阻尼殖參數(shù)及：無領(lǐng)量綱懇阻尼沫比相似決理論基本搞縮尺肉比第一庫基本厘縮尺消比：扯幾何研縮尺舌比風洞周的尺禍寸結(jié)構(gòu)雪的尺寬寸風洞孩堵塞稈度＝令模型菊順風辜向投乏影面按積/風洞算試驗雜段截奪面積西≤6%模型鐘制作修的精雖度和叔難度湍流聰積分編尺度第二泡基本狀縮尺隨比：扯風速斧比風洞蒸的最色大風頭速設(shè)計垃風速結(jié)構(gòu)盲承受欄的最私大風宋力考慮敞重力冊影響第三笨基本疏縮尺巖比：鞏密度卡比＝1相似昌理論導出小縮尺收比時間全、頻鐵率縮槽尺比位移麗、加讓速度帖縮尺丑比彈性劍模量悔、剛栽度縮涂尺比力的迷縮尺而比結(jié)構(gòu)歲質(zhì)量語、質(zhì)置量慣訊性矩緣瑞縮尺罪比大氣極邊界鮮層流貓場模采擬大氣紙邊界將層風盲特性平均往風剖雁面：仍描述章平均解風速流沿高割度的唉變化翼規(guī)律震，常漏用指領(lǐng)數(shù)率紊流采度剖駐面：魚描述汁相對悔紊流裂強度攤沿高株度的裝變化桃規(guī)律功率殼譜：壘描述艷紊流溉運動去強度數(shù)隨頻題率的釣分布據(jù)情況南，即貢不同果尺度腸旋渦彼的運究動對什風速暮脈動嫩的貢擔獻程應(yīng)度，株順風秧向功旅率譜栗常采涉用Ka渾rm佳an譜湍流軌積分泰尺度胞：描忌述氣挨流中較各種志旋渦奇沿某豬一方峽向的示平均退尺度作，順夢風向怎湍流派積分征尺度豬介于10修0～30昌0m，隨獨高度蠅增大肺而增瞞大大氣踏邊界蘋層流冊場模牲擬大氣肅邊界辮層流承場的努被動迅模擬適技術(shù)利用欠格柵炒、尖歪劈和勒粗糙使元等塊被動車紊流摸發(fā)生炊裝置媽形成租所需察模擬則紊流優(yōu)點囑：價鹽格較濱低，警應(yīng)用蜂方便儉缺說點：縫參數(shù)責變化雞困難平板吳格刪化紊流升場模伍擬尖塔胸陣和濾粗糙板元?？輸M邊說界層役流場ZD星-1風洞宣特色再流場清調(diào)試向技術(shù)多功襲能尖餃劈組幕合裝少置和針可移蝕動粗云糙元燥相結(jié)崖合三維詞移測點架與昨風速委排管秘聯(lián)合仗調(diào)試平均音風速噸與脈議動風貨速、感豎向件風剖蓋面和生橫向扮均勻狗性兼壘顧氣動久剛性鈴模型淘測壓成試驗主要畢對象強：低矮厭建筑刺高葉層建容筑肌體育豬場館通會爐展中耀心等目的耀：確定葬結(jié)構(gòu)貌物表核面風眉壓（框系數(shù)筐）攜平均超風壓徹／脈補動風帖壓確定揮結(jié)構(gòu)土體型億系數(shù)確定戒結(jié)構(gòu)雀物的燃面/線荷婚載應(yīng)用譯：建筑陪物幕梳墻、燒屋蓋鞠等覆斗面設(shè)質(zhì)計仗－栽瞬時物風荷興載主結(jié)碼構(gòu)設(shè)估計靜笛力風碰荷載-平均弓風荷象載結(jié)構(gòu)寬風致坊振動楚響應(yīng)塊分析蠅（動耀荷載滴、位倦移、加速壟度)–脈動椒風荷夠載方法溫：均勻輩流場格柵助紊流累場大氣益邊界肌層流撐場剛性肥不變患體壓力濕傳感液器系藍統(tǒng)表面禽風壓氣動剖剛性嚷模型晌測壓加試驗相似件準則懂：幾何情相似一般蝦無需永模擬慰結(jié)構(gòu)舉的剛矩度、插質(zhì)量黎和動產(chǎn)力特壤性等對于截紊流報場試鏈驗時間蠢和頻痕率的述相似脈動混風特毫性：殃紊流惡度、功率棟譜和算紊流遭積分荒尺度對于氧大開厲孔脈膊動內(nèi)詠壓試偵驗結(jié)構(gòu)漲剛度摧和氣披動剛疼度的成相似氣動普剛性紐奉模型寬測壓俘試驗風壓蠻測量辟系統(tǒng)暮示意仰圖氣動干剛性軟模型紀測壓拌試驗?zāi)Ｐ妥u制作芽原則爸：幾何弄相似嚴格痛模擬婆被測啦建筑鏟主體悄結(jié)構(gòu)蠅的外傭形幾何跟縮尺羞比的鹽確定堵塞昨率＝模型夢順風被向投靜影面吊積/風洞尚試驗奔段截回面積惕≤5%主建自筑內(nèi)抽部空餡間和飼掃描隸閥模萄塊的古尺寸裁數(shù)量適度陰考慮撒紊流董積分憐尺度榨的相若似性需要壤模擬狼以主蒜建筑眉為中頸心30賽0～50桃0m半徑崗范圍浙內(nèi)的嗎周邊敬環(huán)境模型房誠材料章：有傻機玻制璃、優(yōu)塑料公、木俗材等律，保薦證試爽驗過喘程中慕不發(fā)爸生顯班著振狗動雷諾隙數(shù)效極應(yīng)對凈策：奪對于盲光滑耽曲面遣部分津，需吼要進嫂行適匠當?shù)某浔砻媾写植诰慊幘淅須鈩訒鴦傂赃x模型柿測壓稅試驗測點檔布置撈原則話：原型肌結(jié)構(gòu)槳每12崖0m2表面幫內(nèi)不鋒少于1個測蜂壓點根據(jù)潮建筑耕物表含面不憤均勻倦布置需要搏加密隱的部臥位：他風壓繪急劇杏變化賤的區(qū)三域可適虎當降氣低測成點布心置密章度的亂部位蠢：面競積較匯大平戀緩的染區(qū)域內(nèi)外臭或上悶下兩昆面均努暴露李受風窩的構(gòu)數(shù)筑物躬需雙透面布觸點試驗逢風速笨選擇沒：壓力碼傳感劃器的刃量程睬和靈套敏度模型裳的剛懲度、錫強度遭和安段裝情蛾況風洞徒的試川驗風搏速范擴圍氣動洲剛性礎(chǔ)模型嗎測壓并試驗風向椅角：范圍罩：0～36鞏0度間隔淋：10～15度，界局部通可加袋密采樣抖頻率用：盡可晶能高以樣趣本原籠型時毫間長哨度不覆少于10貝mi享n為宜根據(jù)會時間幸比計喉算模指型所貨需的抖樣本牙長度采樣載時間倆：上限掘受壓輝力掃看描閥諷系統(tǒng)任性能冊的限與制ZD造-1風洞典型胸工程押測壓泛試驗昆明歌宜良導體育毒場港麗滴商務(wù)爬綜合僅樓ZD蠻-1風洞典型肌工程賤測壓田試驗青島子綠城藏深藍績廣場浦江昌體育炮場ZD領(lǐng)-1風洞典型搏工程鏟測壓冒試驗青島攔綠城暗深藍銅廣場浦江尚體育喬場ZD記-1風洞典型鍋工程墻測壓為試驗寧波勾中國速港口榨博物齊館紹興雄東方騾山水甩圖剛性衰模型棒測力棉試驗方法禮：利秋用測利力天腐平測狼出作鳥用在柿整體彈結(jié)構(gòu)狠上的攝氣動痛合力窯（系史數(shù)）膜或者悠作用害在結(jié)表構(gòu)不節(jié)同節(jié)壘段上回的氣筋動力選（系網(wǎng)數(shù)）對象瞞：剛擇性不困變形晶的全互模型滿或節(jié)諷段模鵝型測試久內(nèi)容黨：平均柔氣動歐力<-三分此力天劫平、奧五分暢力天泛平、可六分稱力天隱平脈動軋風荷轟載<-高頻蝴天平目的則：獲倚得建蠶筑、薯橋梁甚等整敞體和職局部莖風荷慈載和是動態(tài)甜氣動廚力ZD升-1風洞功典型爸工程澡測壓春試驗覆冰遵導線貓氣動鞭力試門驗ZD才-1風洞申典型戀工程蒸測壓哀試驗施工遵防護蛛網(wǎng)測鍛力試芬驗ZD尼-1風洞爹典型個工程濟測壓灶試驗電動彼轉(zhuǎn)軸富風洞折測力志試驗氣動內(nèi)彈性霜模型超測振渠試驗方法衛(wèi)：利旦用測描振設(shè)澡備測洽試風覽荷載辛作用倦下氣悅動彈揪性結(jié)甲構(gòu)的示振動盟響應(yīng)對象降：氣尚動彈恨性模皂型測試竄內(nèi)容輛：動應(yīng)領(lǐng)變<-動態(tài)匹應(yīng)變遇儀動位燙移<-激光則計加速碎度<-加速秘度計目的曾：研僅究氣涼彈模榜型的癥風振盲特性渣和響窩應(yīng)、勞獲得伙風振水系數(shù)珠等參敬數(shù)ZD閉-1風洞兵典型狐工程究測振比試驗同塔歪四回婦路輸降電鐵塔ZD認-1風洞葛典型紋工程間測振引試驗18彼00振t柔性側(cè)腿吊撿機ZD料-1風洞容典型沫工程鹿測振延試驗復合粉屋面酒板單烘元測念振試陽驗參考筋教材黃本殿才,汪叢倡軍.結(jié)構(gòu)想抗風暖分析坐原理銀及應(yīng)做用(第二漆版)[萌M]攻.上海襖：窮同濟遷大學攏出版蘆社,秧20桶08提.[日]風洞餐實驗需指南猴研究蛾委員鉆會.建筑艇風洞鑒實驗煤指南[M卻].孫瑛,武岳動，曹觸正罡叼譯.北京思：中陜國建革筑工鼻業(yè)出泳版社關(guān)，20柏11療.埃米碗爾.?？?羅伯斯特.H宮.斯坎杯倫.風對究結(jié)構(gòu)確的作踏用—風工割程導習論[M瘡].劉尚扎培，梳項海囑帆，貸謝霽貢明譯.上海魚：同恐濟大閣學出該版社,1遇99醋2.20橋14年創(chuàng)阿新實林驗指企南項目并一：義高層舟建筑踐風荷噸載干珠擾效予應(yīng)的黑測壓復試驗凱研究歉（工桑程型且）1.背景般資料利：<<建筑鴉結(jié)構(gòu)衡荷載徹規(guī)范伯（GB乓2望00猴09斬-2懂01掃2）>>崇8.邪3.率2規(guī)定:當多惕個建格筑物臉，特漿別是魯群集黨的高鏟層建寸筑，愿相互右間距跡較近緒時，勒宜考拌慮風恐力相潔互干塌擾的吸群體拖效應(yīng);一般狼可單獨葉建筑污物的豆體型峽系數(shù)μs乘以射相互迎干擾垮系數(shù)佛。相蘭互干亭擾系奇數(shù)可撇按下驚列規(guī)鉗定確喜定:1)對矩犬形平竭面高滑層建捐筑，冒當單巧個施箏擾建逼筑與陪受擾兵建筑旋高度余相近據(jù)時，篩根據(jù)曠施擾案建筑崇的位雪置，師對順是風向夾風荷應(yīng)載可在1.偉00－1.粒10范圍扭內(nèi)選舉取，逼對橫廳風向護風荷史載可孫在1.錘00意-1污.2架0范圍屆內(nèi)選負取;2)其他港情況啦可比盤照類梅似條肯件的泰風洞裁試驗緞資料恨確定市，必脂要時矛宜通產(chǎn)過風儲洞試常驗確返定。2.任務(wù)團書：查閱檔相關(guān)朝文獻,自主曬設(shè)計紛一種藝建筑迎體型,設(shè)計辜風壓警測點,制作堡試驗賞模型,設(shè)計試驗煎工況,進行棒風洞訊試驗,研究耀干擾術(shù)效應(yīng)蜜對高竿層建華筑風冬荷載旗的影蔑響,并與風規(guī)范芹結(jié)果博進行對比霜。3.實驗旬設(shè)計顧要