单山和双山风场特性的风洞试验

沈国辉, 姚　旦, 余世策, 楼文娟,邢月龙, 潘　峰

(1. 浙江大学 建筑工程学院,浙江 杭州 310058; 2. 杭州市建筑设计研究院有限公司,浙江 杭州 310000;3. 浙江省电力设计院,浙江 杭州 310007)



单山和双山风场特性的风洞试验

沈国辉1, 姚旦2, 余世策1, 楼文娟1,邢月龙3, 潘峰3

(1. 浙江大学 建筑工程学院,浙江 杭州 310058; 2. 杭州市建筑设计研究院有限公司,浙江 杭州 310000;3. 浙江省电力设计院,浙江 杭州 310007)

摘要:为获得单山和双山情况下三维山体的风场特性,研制风洞中用于同步测试多点风速的试验装置和支撑构架,进行不同坡度下单个山体风场的测试,进行2个山体在前后和左右排列情况的测试,并分析山体距离和坡度的影响.研究表明：单山情况下山体横风切面的加速效应大于顺风切面,横风切面3/4山体高度至山顶为风速增大的最不利位置.在前后紧密排列情况下,前山的风速与单山情况比较接近,后山的风速小于单山情况.在左右排列情况下,山顶的加速效应略大于单山情况,峡谷侧山体的加速比大于单山情况.

关键词：风洞试验；平均风速；风场测试；三维山体；五孔探头

山地地形风场不同于平坦地形风场,起伏的地形会显著改变风场在水平和垂直方向的分布,形成越山风和峡谷风等.各国规范[1-5]均给出了山地风场的修正方法,通过引入风速(风压)修正系数来实现,如中国GB规范[1]对风压高度变化系数进行修正.但许多国家的规范[1-4]给出的修正方法针对二维山体情况,没有给出三维山体情况下的数据,同时各国规范[1-5]对于2个山体形成的风场均没有进行规定.

山体风场特征的研究方法主要有现场实测[6]、风洞试验[7-14]和计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟[9,14-15],现场实测的例子很少,而CFD模拟在参数确定和模型选择等方面尚待进一步的研究,本文采用风洞试验方法进行研究.在以往研究中,DeBray[7]进行模拟风越过单个斜坡和陡坡的风洞试验,给出了斜坡上下游不同高度处的风速模型；Lubitz等[8]通过风洞试验研究风向角对二维和椭圆形底面三维山体不同位置处加速比的影响.李朝[9]针对若干种体型山体进行风洞试验,并与CFD结果进行比较；王建明等[10]进行山地对电厂风环境影响的风洞试验,测量山地与沟谷附近的风场；孙毅等[11]采用风洞试验研究不同坡度和高度山体的风速；李正良等[12]进行不同遮挡山体情况三维山体的风洞试验；姚旦等[13]针对单个三维山体风场进行风洞试验研究.

本文以获得单山和双山情况下三维山体的风场特性为目的,研制风洞中用于同步测试多点风速的试验装置和支撑构架,进行单个山体模型的风洞试验,分析山体坡度的影响,进行2个山体在前后和左右排列情况的风洞试验,并分析山体距离、山体坡度的影响,研究成果可为山地风场特性和风场测试方法提供参考.需要说明的是,本文只给出山体上顺风向的平均风速,不涉及脉动风速,也不涉及其他风向的风速.

1多点风速同步测试装置的研制

风洞中风速测试采用自制的五孔探针,探针为半球形头部,直径5 mm,长50 mm,采用有机玻璃材料经三维雕刻机制作而成.探针校准装置为自制的口径200 mm的直流式开口风洞,开口试验区布置有五孔探针的标定实验台,试验台的α和β角度调节范围均为±24°,角度控制精度0.1°.制作了15根五孔探针,每根探针在使用前都经过校准和标定.

风速测试需要沿高度方向布置15根探针,因此需要研制多点风速测试系统的支撑构架.采用不锈钢等材质研制了如图1所示的支撑构架,该构架能在风洞中自如移动,实现在任意x、y和z方向的测试.多点风速测试系统高45 cm,分布有15个风速测点,测点高度分别为1.25 、2.5、3.75 、5 、7.5、10、12.5 、15、17.5、20、25、30、35、40、45 cm.为了验证15根探针的标定结果,采用热线风速仪及一维皮托管在风洞湍流场中对各探针测得的平均风速和脉动风速的测试精度进行了验证,验证结果表明五孔探针在平均风速的测试中具有很高的精度[14],适用于本课题的平均风速研究.

图1　风洞中的风速测试装置Fig.1　Wind velocity testing equipment in wind tunnel

2单个山体的风场测试结果

2.1山体的测试工况

山体高度H取100 m,山体取余弦型,满足以下方程：

(1)

式中:z为高度方向,x、y为水平方向,D为山体底部直径.

制作5组坡度的山体模型,模型缩尺比为1∶500,底部直径分别为300、400、500、600、700 m,如图2所示,平均坡度(按角度计)分别为：33.69°、26.57°、21.80°、18.43°和15.95°,进行5种坡度山体的风场测试.根据国际坡度等级,15°～35°为陡坡,本文以D=300 m为例进行重点分析,在文中称为典型陡坡.

图2　5种坡度的模型Fig.2　Five models with different slopes

风洞试验在模拟B类地貌风场的风洞中进行测速试验,地貌粗糙度系数α=0.15.依据荷载规范[1],风速剖面按指数规律变化,湍流度剖面为

Iu=I10(z/10)-α.

(2)

式中:I10为10 m高名义湍流度,对于B类取0.14.在风洞中采用尖劈和粗糙度进行风场模拟,如图3所示为试验风场的平均风速和湍流度剖面,图中h为风洞高度，u为沿高度方向变化的风速，可见其与要求非常接近,满足试验要求.

图3　试验平均风速及湍流度剖面Fig.3　Profile of average wind speed and turbulent intensity

2.2典型陡坡山体的测试结果

典型陡坡山体的风速测点布置如图4(a)所示,在考虑对称性的前提下在山体及其尾流区布置44个测点,图中还给出了坐标x、y和z的方向定义.进行典型陡坡山体的风场测试,获得各测点位置平均风速沿高度的分布,如图4(b)所示,图中带点的线为测试数据,不带点的线为平地上的风速数据.由图4(b)可知：1)风速加速效应最显著位置在山顶附近；2)在山体正后方的风速变小,主要是由于山体的遮挡效应；3)山体侧面山脚沿线(y=-150 m)上的风速与平地风速较接近,说明单个山体侧面的风场与平地风接近,即山体对投影轮廓线以外的风场影响很小.

图4　陡坡山体的测点布置和风速Fig.4　Measuring point arrangement and wind velocities on steep hill

典型陡坡山体顺风切面方向(y=0 m)的风速如图5所示,图中分别给出各测点平均风速和加速比的等值线图,加速比s定义为

s(z)=u′(z)/u(z).

(3)

式中:u′为离山体(地面)表面z高度的风速,需要说明的是,由于试验测试装置的原因,图中贴近山体部分的风速(加速比)无法给出,以空白表示；本文使用的五孔探针无法准确测得反向风速,山后方下部风速设为0.文中后面各风速图中出现风速为零,加速比等值线图中出现空白情况,原因同此,不再赘述.

由图5可知：1)风速在山顶处增速最大,迎风面和背风面的3/4H山体高度的风速增速也较大；2)山后方由于是尾流区,风速很小,图中的圈示意了尾流区漩涡的风速方向；3)在山后约2倍山体直径后,风速与平地风基本一致,说明对于该典型陡坡山体,山的遮挡效应在约2倍山体直径后消失.

图5　顺风切面的风速和加速比Fig.5　Wind velocity and speedup ratio in along-wind plane

图6　横风切面的风速和加速比Fig.6　Wind velocity and speedup ratio in cross-wind plane

如图6所示为典型陡坡山体横风切面(x=0 m)方向的风速和加速比,从图中可以发现：1)横切面上所有测点均出现了风速增大现象,该现象称为“孤峰绕流效应”；2)在山顶和侧风面的3/4H山体高度位置的风速差不多,直到山脚下的风速增速才不明显；3)加速比在贴近山体位置最大,沿着高度方向递减；4)风速增速比较大,很多值都在1.2以上,比图5中的增速比大,说明对于单个山体,横风切面方向的加速效应大于顺风切面方向.

2.3坡度对山体风场的影响

图7　不同坡度山顶的风速和加速比Fig.7　Wind velocity and speedup ratio at top of hill under different slopes

进行5种坡度(见图2)山体风场的风洞试验,其中山顶位置的平均风速和加速比如图7所示,h表示离地表高度(对于山顶位置即为离山顶高度).由图7可知：1)不同坡度山体在山顶位置均出现了较大的加速效应；2)离山顶30 m以上,不同坡度山体的平均风速比较接近；3)离山顶0～30 m高度,不同坡度山体的平均风速开始出现较大的差异,坡度越大(直径越小)加速比越大；4)坡度对于山顶30 m以上的平均风速影响较小,对于山顶为0 ～30 m平均风速的影响较大.

如图8所示为5种坡度山体下后山脚位置的平均风速和加速比,由图8可见：1)在离地150 m以上,不同坡度山体的平均风速都很接近平地情况,离地为0 ～150 m,不同坡度山体的平均风速均比平地情况小,为尾流区；2)尾流区范围的高度随着山体坡度的减少(山体直径的增大)而降低,即随着山体直径的增大,尾流区相对山体的高度减小.

图8　不同坡度后山脚的风速和加速比Fig.8　Wind velocity and speedup ratio at back bottom of hill under different slopes

32个山体前后紧密排列的测试结果

典型陡坡(D=300 m,H=100 m)双山前后紧贴排列(间距为零)在风洞中的试验情况如图9所示.顺风切面方向的风速和加速比如图10所示,由图可知：1)双山前后排列时,前山的加速效应大于后山,而后山位于前山的尾流区,因而加速效应不如前山明显；2)在山坳位置的风速较小；3)后山的最大加速比约为1.1,加速效应不明显.

图9　双山前后排列试验照片Fig.9　Pictures of two hills under rear and back arrangement

图10　前后排列顺风切面的平均风速和加速比Fig.10　Wind velocity and speedup ratio in along-wind plane under rear and back arrangement

将典型陡坡双山前后紧贴排列情况时前山、后山与单山顺风切面(y=0 m)方向的风速绘于如图11所示,由图可知：1)总体而言,双山前后排列时前山的风速分布与单山情况比较接近,双山前后排列时后山的风速小于单山情况；2)对于山顶风速,双山前后排列时的后山受前山影响很大,而前山受后山影响很小,与单山几乎一致；3)双山前后排列时前山和后山在山顶的风速都超过平地情况；4)对于尾流区尺寸,双山前后排列时前山受到后山的影响,尾流区高度有所提高,而后山受前山影响,尾流区高度明显降低.

图11　顺风剖面的风速比较Fig.11　Wind velocity comparison in along-wind plane

将典型陡坡双山前后紧贴排列情况时前山、后山与单山横风切面(x=0 m)方向的风速绘于如图12所示,由图可知：1)山顶高度处双山前后排列时的前山与单山情况基本一致,均大于测点处双山前后排列时的后山情况,以上3种情况均大于平地情况；2)3/4H高度测点处的变化规律与山顶位置一致；3)1/2H高度测点处,前山、后山和单山的风速沿高度分布情况几乎相同；4)总体而言,对于双山前后紧贴排列的情况,后山对于前山的影响很小,前山情况几乎等同于单山情况,但前山对于后山的影响较大.

图12　横风剖面的风速比较Fig.12　Wind velocity comparison in cross-wind plane

将典型陡坡双山前后紧贴排列情况山顶处的平均风速及加速比绘于如图13所示,由图知：1)整体上后山山顶处的加速比单山小很多,而前山略微小于单山,在离地约180 m以上三者基本趋于一致；2)前山的存在很大程度上消除了后山的爬坡增速效应,这一影响范围主要在离地约70 m以下范围,该影响使得后山山顶的加速比全部小于1.2；3)后山对于前山山顶加速比的影响就小得多,前山加速比只比单山情况略小.

图13　 山顶处风速和加速比的比较Fig.13　Comparison of wind velocity and speedup ratio at top of hill

图14　顺风剖面的风速比较Fig.14　Wind velocity comparison in along-wind plane

42个山体左右排列的测试结果

4.1左右紧贴排列情况

进行典型陡坡双山左右紧贴排列(间距为0 m)情况,其顺风剖面的风速如图14所示,由图可知：1)左右紧贴排列双山的顺风剖面的平均风速与单山情况基本一致,均在山顶位置出现显著的风速放大效应；2)左右紧贴排列双山在山顶的加速效应略大于单山.

左右紧贴排列双山过双山狭缝中心线的顺风切面风速与加速比如图15所示,由图15可见：1)山前部分的加速比小于1,该区域为减速区；2)山后部分的加速比大于1,该区域为加速区；3)在峡谷中并没有出现强烈的加速效应.

图15　双山狭缝中顺风剖面的风速和加速比Fig.15　Wind velocity and speedup ratio on along-wind plane in middle of two hills

双山左右排列时过两侧山体山顶的横风切面的平均风速与单山情况的比较如图16所示,由图16可见：1)双山的内山侧(即峡谷)中的风速加速情况与单山的分布基本一致；2)山坳中双山、单山和平地情况的风速比较接近,双山和单山的风速略大.

图16　山体山顶的横风切面的平均风速Fig.16　Wind velocity on along-wind plane in middle of two hills

横切面加速比等值线图如图17(a)所示,由图可见：1)与单山情况相同,加速最显著的区域为山顶,沿着山坡逐渐减小；2)双山左右排列情况下加速效应最大位置出现在两侧山坡上,最大值出现在山顶位置,而两山之间的风速加速效应并不显著.

4.25种山体间距的结果

将5种间距情况的横切面方向的风速加速比等值线绘于如图17所示,由图17可见：1)随着山距的增大,山间区域的加速比逐渐减小,向1趋近；2)由于双山之间的峡谷存在狭缝效应,导致峡谷的加速效应会强于单山的山侧部位；3)当双山间距增大结果会向单山趋近,可以预见当间距无穷大时,双山情况将趋向单山情况.

将5种山体间距(0 、50 、100 、200 、300 m)一侧山体山顶的平均风速和加速比绘于如图18所示,由图18可知：1)当间距为0 m时,风速和加速比都最大；2)随着间距增大,山顶平均风速整体减小,向单山的结果趋近,山体间距300 m的结果已经非常接近单山.

图17　不同山体间距横风剖面的加速比Fig.17　Speedup ratio on cross-wind plane under different hill-to-hill distance

图18　不同山体间距下山顶处风速和加速比Fig.18　Wind velocity and speedup ratio at top of hill under different hill-to-hill distance

图19　不同坡度山顶处风速和加速比Fig.19　Wind velocity and speedup ratio at top of hill under different slopes

4.3山体坡度的影响

取一侧山顶的风速为研究对象,计算在3种坡度下的平均风速和加速比,如图19所示,由图19可知：1)随着山体坡度的减小(山体直径的增加),山顶加速效应减弱,即D=300 m山体的加速效应最大；2)加速比最大均出现在底部,对于直径300 、400 、500 m的山体,离地10 m高处的加速比,分别为1.58、1.55和1.44.

5结论

本文采用风洞试验方法研究单山和双山情况下的三维风场特性,得出以下结论：

(1)研制了高精度的小尺寸管式五孔风速探针和多点风速同步测试系统的支撑构架,在风洞中自如移动实现任意x、y和z坐标的测试,本文大量测试工况的数据合理性说明该测试装置的有效性和适用性.

(2)单个山体风场的风洞研究结果表明：山体横风切面的加速效应大于顺风切面,横风切面各位置均出现较大的风速增大现象,该现象为“孤峰绕流效应”,横风切面3/4山体高度位置至山顶的风速比较接近,均为最不利位置；山体后部尾流区的风速很小,山体前部下半山坡存在减速区；风速加速比在靠近山体表面最大,随高度增加而减小,并逐渐趋近于1；山顶位置的最大加速比和山后部的尾流区高度随山体坡度的增大而增大.

(3)2个典型陡坡山体前后紧密排列的研究结果表明：前山的加速效应大于后山,前山的风速与单山情况比较接近；后山受前山影响较大,前山的存在很大程度上消除了后山的爬坡增速效应,使得后山山顶的加速比全部小于1.2；两山中间山坳位置的风速较小.

(4) 2个典型陡坡山体左右排列的研究结果表明：紧密排列(间距为零)时山顶的加速效应略大于单山情况,峡谷中山前整体为减速效应,山后整体为加速效应；两山中间峡谷位置,位于峡谷侧山体的加速比大于单山情况,位于非峡谷侧山体的加速比与单山情况接近；山体间距增大时山体各位置加速比趋向于单山情况,山体坡度增大时山顶和山坳位置的加速比增大.

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Wind tunnel test of wind field characteristics on isolated hill and two adjacent hills

SHEN Guo-hui1, YAO Dan2, YU Shi-ce1, LOU Wen-juan1, XING Yue-long3, PAN Feng3

(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ZhejiangUniversity,Hangzhou, 310058,China；2.HangzhouArchitecturalDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,Hangzhou, 310000,China;3.ElectricPowerDesignInstituteofZhejiangProvince,Hangzhou310007,China)

Abstract:A set of experimental equipment and supporting frame were developed, which can measure the wind velocities of multiple points simultaneously in a wind tunnel,in order to study the wind field characteristics on three-dimensional hills under isolated hill and two adjacent hills condition, The wind velocities on isolated hills with different slopes were tested. The wind velocities on two adjacent hills with front-rear and left-right arrangement were also tested and the influence of hill distance and slope to the velocities were investigated. Results show that, for the isolated hill condition, the speedup effects on the cross-wind plane are more significant than those on the along-wind plane, and the most unfavorable position are ranged from three-quarter hill height to the top of the hill on the cross-wind plane. When two adjacent hills are in the front-rear arrangement with zero distance, the wind velocities on the front hill are very close to those on the isolated hill, while the wind velocities on the rear hill are much lower than those on the isolated hill. When two hills are in the left-right arrangement, the speedup effect at the top of the hill are slightly more significant than those on the isolated hill, and the speedup effect on the hill in the valley side are more significant than those on the isolated hill．

Key words:wind tunnel test; mean wind velocity; wind field test; three dimensional hill; five-hole probe

收稿日期：2015-10-17.浙江大学学报(工学版)网址： www.journals.zju.edu.cn/eng

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51178425).

作者简介：沈国辉(1977-)，男，副教授，从事结构风工程和结构计算分析的等研究.ORCID:0000-0002-3528-4117. E-mail: ghshen@zju.edu.cn

DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2016.05.001

中图分类号：TU 312.1

文献标志码：A

文章编号：1008-973X(2016)05-0805-08