自然风场被动模拟技术试验研究

2017-05-18刘波

四川建筑 2017年2期

关键词：风洞试验边界层脉动

刘波

(西南交通大学风工程试验研究中心，四川成都 610031)

自然风场被动模拟技术试验研究

刘波

(西南交通大学风工程试验研究中心，四川成都 610031)

随着我国桥梁工程逐渐向着更大跨度方向发展，桥梁抗风稳定性逐渐成为控制大跨度桥梁设计的控制因素，风洞试验是研究桥梁风工程的重要手段。为研究自然风场模拟技术，依托西南交通大学XNJD-3号风洞实验室，在进行一系列试验的基础上，总结讲述了两种被动模拟技术的详细过程及其优缺点，同时提出了对主动模拟技术的展望。

桥梁；抗风稳定性；自然风场；被动模拟

随着我国桥梁工程的发展，大跨度桥梁已经逐渐成为了今后桥梁建设的主流。桥梁跨度越大结构越柔，从而风荷载对桥梁结构的作用会更加显著，研究大跨度桥梁抗风稳定性更为关键。风洞试验作为桥梁风工程研究的主要手段，如何准确模拟桥梁所在地自然风场成了需要解决的问题。本文依托西南交通大学XNJD-3风洞试验室主要介绍风洞试验风场被动模拟方法[1]，研究成果对桥梁抗风试验有一定的指导意义。

1 风场模拟装置及测点布置

西南交通大学XNJD-3风洞试验室是目前世界上最大的风洞试验室，该试验室试验段长36 m，宽22.5 m，高4.5 m，所能模拟的风速范围为0～16.5 m/s，紊流度为1.0 %以下，为一座低风速风洞。

1.1 大气边界层的模拟

大气边界层的模拟主要是通过安装尖塔、锯齿板和粗糙元等装置来实现，其中粗糙元为正六面体包括大尺寸粗糙元(边长150 mm)、中尺寸粗糙元(边长98 mm)、小尺寸粗糙元(边长58 mm)。同时为了保证在试验段能产生比较合理的紊流区域，粗糙元摆放区域长度为尖塔高度的6倍(约为25 m)。西南交通大学XNJD-3风洞主要采取被动模拟技术，根据《公路桥梁抗风设计规范》中B类地表在70 m高度处的风速参数，得到两种边界层的摆放形式。B类地表边界层布置为大尺寸粗糙元横向间距为2 m，纵向间距为1 m，前后两行相互错位，错位长度为1 m，总行数为5行；中尺寸粗糙元放置方式为从大尺寸粗糙元最后一行后1 m处开始放置，横向间距为1 m，纵向间距为1 m，前后两行相互错位，错位长度为0.5 m，总行数为10行；小尺寸粗糙元放置方式为从中尺寸粗糙元最后一行后0.5 m处开始放置，横向间距为0.5 m，纵向间距为0.5 m，前后两行相互错位，错位长度为0.25 m，总行数为15行；尖塔距离边界层距离为1.33 m，尖塔间间距为2.48 m，尖塔总数9个，其中翼板总高度为334 cm，在尖塔底部宽度为4 cm，90 cm高度处宽度为8 cm，200 cm高度处宽度为9 cm；锯齿钢板至于尖塔后。粗糙元放置位置、尖塔位置及翼板伸出长度具体形式如图1所示。

1.2 测点布置

风速测量采用Cobra Probe多通道风速仪，该仪器可以实现多个通道同步测量，并且可以导出风速时程数据，同时还可以统计实测平均风速、脉动风速以及三个方向的紊流度等参数。本次试验中，采用一个固定探头和一个活动探头来对模拟风场进行精确测量，其中横向相关性的测量区间为2 m，竖向相关性的测量区间为1.4 m，横向测点布置间距有0.105 m、0.3 m、0.5 m、0.75 m、1 m、1.5 m、2 m，竖向1类测点布置中，固定点距离地面0.1 m，测点间距为0.2 m、0.4 m、0.65 m、0.9 m、1.15 m、1.4 m，竖向2类测点布置中，固定点距离地面0.2 m，测点间距与竖向1类测点布置相同。具体测点布置如图2所示。

2 紊流场模拟测试结果

2.1 紊流场平均风速

试验结果表明，在B类地表边界层模拟装置下开机风速1-1在风洞中实测平均风速约7.61 m/s，开机风速2-2在风洞中的实测平均风速约10.14 m/s。边界层模拟装置下的平均风速曲线如图3所示。

从图3中可以看出，在B类地表边界层被动模拟中产生的平均风速在风洞的横向分布上比较均匀，满足风洞试验要求。

2.2 模拟风场紊流度

试验结果表明B类地表模拟装置在低风速和高风速下的紊流度如表1所示。由表1中数据可以看出，B类地表下，无论是高风速还是低风速，纵向紊流度均为12.5 %，横向和竖向紊流度均为11 %和8.9 %，基本上达到了模拟的要求，且随风速的增高，紊流度表现得较为稳定。

2.3 紊流积分尺度

一般来说，对于被动模拟紊流场可以运用Von Karman谱[3]对脉动风谱进行很好的拟合，本次试验中，对于Copra Probe所采集的风速时程数据，采用Pwelch法来对风谱进行估计，同时运用最小二乘法，对VonKarman谱中的积分尺度参数进行识别，以获取三个方向紊流积分尺度的信息。

这里取试验中被动模拟装置模拟距地0.7m高度处紊流积分尺度统计结果如表2所示。从表中数据可以看出：B类地表被动模拟装置下，无论是高风速还是低风速，纵向紊流积分尺度为0.94～0.975m，横向和竖向紊流积分尺度为0.38m和0.20m，基本上达到了一般风洞试验的要求，且随风速的增高，紊流积分尺度表现得较为稳定。

图1 B类地表边界层布置(单位:mm)

(a)测点横向布置

(b)测点竖向1类布置 (c)测点竖向2类布置图2 风场测点布置图(单位:m)

图3 风洞中的平均风速横向分布测量结果

注：表中Iu、Iv、Iw分别表示纵向、横向以及竖向紊流度。

表2 B类地表紊流积分尺度 m

注：表中Lu、Lv、Lw分别表示纵向、横向以及竖向紊流积分尺度。

3 脉动风谱

风洞试验中两种风场被动模拟方法模拟的紊流场采用VonKarman谱进行拟合。

(1)

(2)

图4 B类地表模拟装置两类风速下竖向脉动风谱

从图4可以看出，同一被动模拟紊流场中，不同风速下的脉动风谱的峰值基本一致，但是对应于低风速的风谱峰值位置则在高风速下脉动风谱峰值位置之前，且低风速下的低频能量要高于高风速下的低频能量，高频能量分布则呈相反的趋势，高风速下的高频能量高于低风速下高频能量。简而言之，脉动风谱的峰值位置随着风速升高而升高，而且其能量分布也随着风速的升高向高频部分转移。