通过不等间距格栅构建大气边界层试验研究

吴义民， 王宇晨， 李春旺， 马晓钧

(北京联合大学 生物化学工程学院, 北京 100023)

通过不等间距格栅构建大气边界层试验研究

吴义民， 王宇晨， 李春旺， 马晓钧

(北京联合大学 生物化学工程学院, 北京 100023)

设计了一种可用于建筑风环境测试的风洞试验方法，利用不等间距的格栅制造大气边界层的风速剖面，采用此方法的风洞试验平台具有占地面积小、节约运行成本、能够快速构建不同地貌类型大气边界层的梯度风等优点。

建筑风环境； 模型试验； 大气边界层； 风速剖面

随着经济和科技的高速发展，城市化水平不断提高，土地资源紧缺，城市中的高层建筑和密集建筑群越来越多。这些高层建筑或建筑群的出现，会改变其周围区域的建筑风环境，带来一系列的风环境问题：(1)可能会造成局部区域强风，危及行人的安全，降低行人的舒适感受[1]，有文献报道行人被强风吹倒摔伤致死和建筑物上的窗玻璃等被强风吹掉，造成财产损失及危及行人等事例；(2)可能会造成局部地区漩涡和气流死角，不利于污染物的扩散，危害人的健康[2]；(3)不合理建筑布局带来的风环境问题还可能造成建筑能耗的增加，夏季由于空气流通不畅，造成空调负荷增加，冬季由于围护结构渗透风量的增加而使采暖能耗增加[3-4]。因此，很多国家(如美国，日本，澳大利亚等)对一定高度的新建建筑，都规定必须对其进行风环境预测评估，我国在绿色建筑评价标准中规定建筑周围人行高度风环境的风速要控制在5 m/s以下[5-6]。因此，开展建筑风环境的研究和评估，合理布局高层建筑或建筑群，制造安全舒适健康的人行环境，对于建筑设计及区域规划设计具有重要意义。

1 建筑风环境的评估

对建筑风环境的研究和评估主要方式有计算机数值模拟和风洞模型试验，二者都可用于建筑设计阶段的预测。计算机数值模拟简便快捷，成本低廉，数据信息丰富，但其依赖于湍流模型和使用者的经验，其计算结果往往会因人而异，存在不确定性[7]。风洞试验验证则更为可靠[8]，风洞模型试验的优点是空气气流可控，边界条件可控，测量方便，不受外界气候环境变化的影响，数据真实可靠，一直是风工程学中最主要最强有力的研究手段。

然而，现有的风洞试验，一般均采用尖劈加粗糙元的方法营造大气边界层的梯度风，当地形变化时，需要通过更换或调整尖劈和粗糙元进行试凑来实现需要的流场，尽管梯度效果好，但耗时耗力，且存在风洞尺寸大、占地面积大、运营维护成本较高等问题[9-13]。为了使风洞测试更加简便，减小占地面积，有学者进行了不同的尝试，采用不同的方法营造大气梯度风。LLOYD提出了3种制造梯度风的方式[14]，Phillips采用变间距平板格栅模拟大气边界层风速剖面和湍流度[15]，Pietersma、吴丽萍和范贵生在可移动式风蚀风洞设计中采用了棒栅加粗糙元的方式构造梯度风[16-18]。本文采用不等间距格栅的方式营造大气边界层的梯度风，结合测试数据，与理论计算值进行对比，验证了采用格栅营造梯度风的准确性以及进行建筑风环境实验研究的可应用性。

2 大气边界层理论模型

大气边界层模拟是风环境中风洞试验的基础，必须保证所模拟的大气边界层与实际地貌的大气边界层相似，这是风洞试验平台的关键。

大气边界层中的风速是随高度变化的函数，根据现行国家建筑工程风洞试验方法标准规定[19]，采用指数律来表征边界层风速随高度的变化关系如下：

(1)

式中：Vz为z高度处平均风速，m/s；V10为10 m高度处平均风速，m/s；z为离地面垂直高度，m，z10=10 m；α为风速剖面指数，根据地面粗糙度类别取值不同；zg为梯度风高度，m；zb为剖面起始高度，m。 图1为梯度风示意图。

图1 梯度风示意图

根据地面粗糙度不同，中国建筑结构荷载规范将地貌简单的归纳为开阔(A)、乡镇(B)、市区(C)和高层建筑区(D) 4种典型情况，对应不同地貌类型，规范中给出了相应的风速剖面指数分别为0.12、0.15、0.22、0.30和边界层高度为300、350、450、550 m。

3 风洞试验平台的建立

试验台用有机玻璃制成，试验用风道长5 m，截面尺寸为1.2 m×1.2 m；沿气流流动方向分为进风段、均流段、疏流段、测试段、出风段；试验送风由人工气候室独立空调机组处理后送入。试验台示意图见图2。

图2 试验台示意图

进风段：由左右两侧中间位置各开一个直径300 mm对称的孔洞，接空调机组处理后送入的新风。均流段：长度为2 m，有两块均匀分布开孔的均流板，大孔板均布30 mm的孔，小孔板均布10 mm的孔，两板间距1 m，大板距风口中心0.5 m。疏流段加测试段：格栅距风口2.5 m，格栅后为疏流段，也是测试段。

为了模拟出大气边界层梯度风，利用不等间距的格栅来制造梯度风，模型如图3所示。

图3 不等间距格栅侧视图及主视图

根据伯努利方程及流体流过孔板的局部阻力关系式，针对开阔(A)、乡镇(B)、市区(C)和高层建筑区(D) 4种典型地貌，计算4种格栅开口宽度。测试结果、分析及结论以高层建筑区(D)的典型地貌进行。

4 测试结果和分析

4.1 均流段后风速均匀性

分别选取距离进风段风口中心为2、2.5、3、4 m的断面，将风洞断面按照中间矩形法布置测点，断面上共布置9个测点。图4以5 500 m3/h(送风机转速变频为50 Hz)的送风量为例测得的断面各点风速值。

图4 距风口不同距离断面上测点的风速值

图4(a)中距风口2 m断面的平均风速1.06 m/s，测点最大风速为1.13 m/s，最小风速为0.66 m/s，断面的风速标准偏差为0.22 m/s，相对偏差为20.5%；图4(b)中距风口2.5m断面的平均风速为0.88 m/s，测点最大风速0.94 m/s，最小风速为0.73 m/s，断面的风速标准偏差为0.09 m/s，相对偏差为10.9%；图4(c)中距风口3 m断面的平均风速为0.77 m/s，测点最大风速为0.91 m/s，最小风速为0.71 m/s，断面的风速标准偏差为0.07 m/s，相对偏差为9.4%；图4(d)中距风口4 m断面的平均风速为0.71 m/s，测点最大风速为0.81 m/s，最小风速为0.64 m/s，断面的风速标准偏差为0.05 m/s，相对偏差为7.1%。测试数据中，最优距离为距风口4 m，标准偏差和相对偏差都最小，断面风速的均匀性最好。可知距离风口越远，断面的均匀性越好。

4.2 测试段风速垂直分布

在试验工况下，取均流段断面平均风速1.06 m/s，以此为大气边界的主流风速基准值，根据相似性准则，推算大气边界距地面10 m高度处的参考风速值[20]，见式2。

(2)

式中,Vref为气象台观测高度10 m处的参考平均风速。

各测点平均风速按下式换算成风速比Rj：

(3)

式中,Vj为测点j点处的平均风速,m/s。

根据式3，将计算出的理论目标风速、格栅后200、500 mm距离的风速比的比较见图5。由图5可看出：距离格栅200 mm处的测试数据与目标曲线趋势非常接近，说明通过格栅营造梯度风还是很成功的；垂直高度比为4的测点(最下面的测点)的数据偏离目标曲线较其他点远，应与靠近壁面有关；随着距离的加长，距格栅500 mm的各点数据偏离目标曲线增大，应为风速逐渐衰减造成的，梯度差异趋于减小，因此选取高风速送风，效果应该更好。

图5 距离格栅后不同距离的梯度风

5 讨论

5.1 不同送风量下风速均匀性

送风量为3 680 m3/h(送风机转速变频为35 Hz)，断面风速的均匀性见图6。统计得到距离风口2、2.5、3、4 m断面上风速的相对偏差见图7。

由图6和图7可看出，距离风口越远，均匀性也越好。与图4工况比较，当送风量降低时相对偏差增大，不均匀性有所增加，本试验平台选择送风量大的工况，均匀性好。

图6 风量为3 680 m3/h下距风口不同距离断面风速值

图7 风量为3 680 m3/h距风口不同距离断面相对偏差

5.2 不同送风量下梯度风的形成状况

图8为送风机频率为35 Hz(送风量为3 680 m3/h)下距格栅不同距离的梯度风。减小送风量时，距离格栅200 mm处，风机频率35 Hz时的测试数据偏离目标曲线较50 Hz远，因此结论是送风量大的工况下，梯度风的模拟效果较好。

图8 送风量3 680 m3/h距离格栅后不同距离梯度风

6 结论

(1) 采用风洞试验的方法进行建筑风环境的研究很重要，也很必要。通过对试验平台的风速测试，得出如下结论：采用不等间距格栅营造出了梯度风，可用于以舒适性为目标的建筑风环境的预测分析；与理论公式对比，趋势是一致的，除接近下壁面的点外，梯度风距格栅200 mm处测量值与理论目标曲线的误差小于8%。

(2) 本文采用格栅方式建立的风洞测试平台，具有简易、灵活、占地少等优点，可用于建筑风环境研究与评价的相关工作。

References)

[1] 许伟，李庆祥，杨仕超.建筑风环境测试与评价研究进展与综述[J].建设科技，2013(9)：62-63，66.

[2] 关滨蓉，马国馨.建筑设计与风环境[J].建筑学报，1995(11):44-48.

[3] 陈飞.建筑风环境:夏热冬冷气候区风环境研究与建筑节能设计[M].北京:中国建筑工业出版社，2009.

[4] 唐春雨.福州夏季风环境与居住建筑节能的探讨[J].福建建筑，2006(1): 86-87,90.

[5] GB/T 50378-2014 绿色建筑评价标准[S].北京:中国建筑工业出版社，2014.

[6] 金新阳，陈凯，唐意，等．建筑风工程研究与应用的新进展[J]．建筑结构，2011，41(11):111-117.

[7] 庄智,余元波,叶海,等.建筑室外风环境CFD模拟技术研究现状[J].建筑科学，2014，30(2):108-114.

[8] 刘辉志，姜瑜君，梁彬，等.城市高大建筑群周围风环境研究[J].中国科学(D辑:地球科学)，2005，35(增刊1):84-96．

[9] 关古平，任鹏杰，周成，等.高层建筑行人高度风环境风洞试验研究[J].山东建筑大学学报，2010,25(1):21-25.

[10] 施宗城,黄鹏.中性大气边界层模拟试验调试方法研究[J].同济大学学报(自然科学版)，1994，22(4):85-90.

[11] 黄鹏，施宗城，陈伟.TJ-2大气边界层风场模拟及测试技术的研究[J].同济大学学报(自然科学版)，1999，29(1):40-44.

[12] 庞加斌，林志兴，陆烨．关于风洞中用尖劈和粗糙元模拟大气边界层的讨论[J]．流体力学实验与测量，2004，18(2):32-37.

[13] 余世策，吴钟伟，冀晓华，等.边界层风洞多功能流场模拟装置的研制[J]．实验室研究与探索，2012，31(4):9-11.

[14] Lloyd A R.J. The generation of shear flow in a wind tunnel[J]. Q J Roy Met Soc,1967(93):79-96.

[15] PhilliPs J C，Thomas N H，Perkins，et al.Wind tunnel velocity Profiles generated by differentially-spaced flat Plates[J].WindEng &IndAerodyn，1999，80:253-262.

[16] Pietersma D, Stetler L D，Saxton K E. Design and aerodynamies of a Portable wind tunnel for soil erosion and fugitive dust researeh[J].Transactions of ASAE，1996，39(6):2075-2083.

[17] 吴丽萍.NK-1可移动式风蚀风洞气动结构设计与研制[D].天津：南开大学，2012.

[18] 范贵生.可移动式风蚀风洞设计及其空气动力学性能研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2005.

[19] JGJ/T338-2014 建筑工程风洞试验方法标准[S]. 北京:中国建筑工业出版社，2014.

[20] (日)风洞实验指南研究委员会.建筑风洞实验指南[M].孙瑛，武岳，曹正罡，译.北京：中国建筑工业出版社,2011.

Study on test of constructing atmospheric boundary layer through unequal spacing gratings

Wu Yimin, Wang Yuchen, Li Chunwang, Ma Xiaojun

(School of Biochemical Engineering, Beijing Union University, Beijing 100023, China)

A wind tunnel test method which can be used for the building wind environment detection is designed. The wind velocity profiles of the atmospheric boundary layers are created by using unequal spacing gratings. The wind tunnel test platform with this method has the advantages of small area occupation, the operational cost saving, the rapid construction of the gradient wind in atmospheric boundary layers with different landform types, etc.

building wind environment； model test； atmospheric boundary layer； velocity profile

TU119

A

1002-4956(2017)10-0050-05

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.014

2017-04-26

吴义民(1967—)，女，吉林扶余，工学硕士，讲师，研究方向为建筑环境智能控制技术.

E-mail：jdtyimin@buu.edu.cn