基于壁面射流的下击暴流风场特性研究

洪艺然，李昌茂，肖云凤，周 娇

（重庆科技学院建筑工程学院，重庆 401331）

下击暴流是一种在雷暴天气中由强下沉气流猛烈冲击地面形成，同时经由地表扩散的近地面短时破坏性强风。下击暴流中尺度较小的微下击暴流（水平尺度＜4km）发生的频率很高，如在雷雨天气时发生下击暴流的概率可达60%～70%，在世界各地造成了大量工程结构物的破坏。下击暴流作用下输电线塔的倒塌破坏事故尤为常见[1]。对美国、澳大利亚和南非等国相关输电线塔倒塌事故的研究表明，高达80%以上与天气有关的输电线塔结构的倒塌是由雷暴天气的下击暴流等强风所致。由于下击暴流的尾流出口区域的面积较冲击中心大得多，同时破坏的大概率一般位于下击暴流的尾流出口区域，而不是冲击中心，常常忽略下击暴流中部的冲击部分，仅仅考虑研究其水平出流段，因此风工程所关心的下击暴流的流场都主要集中于水平出流段，该段流场已被验证为典型的平面壁面射流。鉴于以上原因，正确评估壁面射流区域流场特性是正确评估构筑物风荷载安全性的关键，讨论其流场和规律也是文章研究下击暴流风场特性的一种主要思路。

壁面射流的概念最早由Glauert[2]提出，其定义为一种高速射入光滑壁面上、周围环境流体特性相同的半无限静止流体中的射流。壁面射流通常分为两个区域，其中内层与边界层相似，外层与自由剪切流相似。一般传统风洞实验中几何缩尺比是1 ∶100 ～1 ∶250，基于壁面射流的风洞试验可以同时实现这个几何缩尺，使得下击暴流的风工程研究变得有可能。根据现有的研究可知，当前对壁面射流的研究作了大量的工作，但是大部分研究者只是从纯理论的角度去探讨壁面射流的规律，忽略了壁面粗糙度的问题。而事实上，对于出流段，壁面粗糙度对于壁面射流的各种参数影响均非常大。壁面粗糙度会明显改变壁面射流的内层规律，从而影响外层规律。不同地面粗糙度会显著影响壁面射流最大风速、最大风速高度以及雷诺应力。并且，壁面具有粗糙度能更加准确模拟土木工程中的地貌，然而目前尚无相关研究。因此，在壁面射流中考察壁面粗糙带来的影响有待与进一步研究。

文章基于冲击射流与壁面射流理论研究壁面粗糙度对下击暴流出流段风场特性影响，采用布置不同粗糙壁面的方法，对静止冲击射流以及无协同流光滑壁面射流进行风洞试验，验证壁面射流风洞试验的可行性。同时在风洞壁面设置粗糙元，增加壁面粗糙度，研究壁面射流在具有一定紊流度区域的流场空间分布情况，考虑壁面粗糙度对壁面射流内层和外层的平均风剖面与湍流特性的影响。

1 风场特性参数研究

1.1 平均风速剖面

目前，平均风速剖面作为研究风速变化的一种主要方法，也是描述风场特性重要参数之一。风工程中风速剖面模型包括对数模型和指数律模型，其表达式如下：

式中：Z 为地面高度；Zb、分别为标准参考高度和标准参考高度处的平均风速；Zz、分别为任一高度和任意高度处的平均风速；为大气底层内Z'高度处的平均风速，Z'=Z-Zd（Zd为零平均位移，m）；为表面摩擦速度；为风剖面指数；k为冯卡曼常数，k≈0.4；Z0为地表面粗糙度。四类地面粗糙度类别所对应的梯度风高度ZG（粗糙度影响高度）以及指数α 的设计参考值参考如表1 所示[3]。

表1 我国地面粗糙度类别及其参数

1.2 湍流强度剖面

湍流强度定义为脉动风速均方根δu与平均风速V的比值，即为：

式中：Iu为湍流强度；N 为单次采样总数；ui为第i次采样时的风速。

Zhou Y 等[4]对ASCE7 等5 种国际规范进行比较，得出湍流强度剖面统一的函数表达式：

式中：c 和d 为随地形变化的常数。

2 壁面射流风洞试验

试验在重庆大学直流式教学风洞实验室进行。通过对直流式边界层风洞加装风机和喷嘴的改装，该风洞具备了壁面射流的模拟功能。试验尺寸为2.4m×1.8m×15m（宽×高×长）。壁面射流装置加装在试验段入口位置，通过4 个千斤顶与支架连接，实现了壁面射流装置的升降。动力段采用三台风机并联安装，回转段采用对数螺旋旋转线设计，减少风场转向的风速的损耗，壁面射流喷口的高度为60mm，宽度与边界层风洞基本一致。

三维风速的测量主要采用澳大利亚TFI（Turbulence Flow Instruments）公司生产的眼镜蛇三维脉动风速探头。该探头为4 孔压力探头，探头外径为2.6mm，总长约155mm，能够准确测量频率2000Hz 的湍流场，风速测量范围为2 ～100m/s，精度为±0.5m/s。

2.1 稳态风场特性试验

为了得出完整的三维流场的空间分布特性，在风场试验中，分别测量风洞中心面上不同顺流向距离以及不同竖向高度各点的水平风速。据壁面射流先增大后减小的特殊风剖面特征，进行选择测量位置。其中顺流方向测量位置分布为20b、40b、60b、80b、100b、120b，（其中b 为喷射口高度，b=60mm）；而竖向测量高度分布为5mm、10mm、15mm、25mm、35mm、45mm、55mm、65mm、80mm、100mm、150mm、250mm、350mm、500mm、700mm。考虑壁面粗糙度对风场的影响，在风洞中心面上布置尺寸为25mm×25mm×25mm（宽×高×长）粗糙元，喷嘴出流速度为30m/s。

3 试验结果分析

3.1 壁面射流无量纲相似性研究

根据得出的壁面射流风洞试验数据结果，将相同粗糙度工况进行整合对比，可以得出壁面射流风洞试验结果表现出了较好的自相似性，平均风速剖面在壁面内层达到最大速度点，其中特性与边界层相似，随着高度上升，外层由于空气动力作用下发生自由剪切。而壁面射流湍流度剖面则呈现出明显的双峰特性，即内、外层壁面峰值。为了得到壁面射流的自相似剖面，钟永力等[5]采用对特征长度、特征速度与雷诺正应力进行无量纲处理，通过3 种风洞试验结果与Eriksson 等[6]试验结果、Wood 模型和Oseguera 模型非常吻合，表现出良好的自相似特性。

3.2 粗糙元对平均风剖面的影响

当喷嘴口出流风速为30m/s 时，不同粗糙度的壁面射流顺流方向平均风剖面。由此可以得出，在一定的测量高度范围内，相同壁面粗糙度条件下，随着顺流向距离的增大，下部速度逐渐减小，而其上部速度逐渐增大，其中转折区域在250mm 左右。随着壁面粗糙度的增加，风洞下部阻塞率增大，其下部风速逐渐减小且梯度增加，而下部风速峰值点向上平移，上部风速逐渐增大。粗糙元对壁面射流风速剖面的影响可达到其自身高度的6 ～8倍，对上部流速影响不明显。

3.3 粗糙元对湍流度的影响

出流速度设置相同大小的30m/s 风速，在喷嘴口顺风向3.6m 范围内布置粗糙元时，根据壁面射流顺流方向湍流度剖面，可以看出壁面射流湍流度剖面呈现出明显的双峰特性，即内层近壁面峰值与外层峰值，并且随着顺流方向距离的增加，流场湍流剖面的外峰值发生位置不断向上移动。而随着粗糙元的引入，风洞近壁面粗糙度增加，增大对下部流场扰动，近壁面湍流度发生增大。湍流度剖面内、外峰值随着壁面粗糙度的增加明显增大。

4 结论

（1）通过设置1m、2.4m、3.6m 三种范围粗糙元对壁面射流不同阶段流场进行分析，可以得出粗糙度会明显改变壁面射流的内层规律，从而影响外层规律。随着地面粗糙度的变化，对壁面射流区域水平、竖向剖面、壁面射流最大风速、最大风速高度以及雷诺应力会显著影响。

（2）通过增加粗糙元的方式改变风洞底部阻塞率，增大来流扰动。随着壁面粗糙度的增大，近壁面湍流度显著增加，湍流度剖面的内外峰值显著变大，粗糙元对其壁面射流湍流强度的强度影响可达到自身6 ～8 倍。

壁面射流为下击暴流最为主要部分，对于输电线路，其破坏的大概率一般位于下击暴流的尾流出口区域。对输电塔线体系结构的危害最大，正确评估壁面射流区域流场特性是正确评估构筑物风荷载安全性的关键。本次风洞实验通过增加粗糙元的方式，改变风洞底部阻塞率，应用于当前各种大气边界层地貌。壁面具有一定的粗糙度更能够准确模拟实际土木工程中的地貌，为输电塔线路体系抗风设计提供一个精确的研究环境和风工程中考虑下击暴流风荷载奠定理论基础。研究成果对于大规模推广开展下击暴流中的结构风工程试验具有重要的价值。