风洞试验在建筑研究与设计中的应用

赵翔宇 鲁 彦 郝杰龙

(重庆大学土木工程学院，重庆 400030)

随着近年来我国经济的不断增长，我国的建筑业也相应地飞速发展。越来越多的超高层建筑、大跨度建筑被设计和建造，并且建筑的形状也出现了越来越多的异型设计。一方面，为了降低建筑自重和获得更大的无柱空间，建筑在不断改进其建筑材料与结构体系的同时，也一定程度使得结构的刚度变柔、自振频率降低，这会导致建筑结构对风荷载的敏感度增加甚至以风荷载为主要控制荷载[1]。另一方面，风荷载的时空特性复杂，由结构自身的特征湍流、高阶振型等因素造成的影响往往不可忽略甚至居于主导位置，在具体设计时往往无法依据设计规范直接对结构进行分析。因此，为了进行气动力研究以完善相关设计规范和为建筑设计提供可靠依据，风洞试验的应用越来越广泛。

本文针对当今不断发展的超高层建筑，大跨度建筑等受风荷载影响较大较复杂的建筑结构，对风洞试验的应用以及未来发展进行了探讨与分析。

1 风洞试验简述

1.1 风洞试验方法

风洞试验是进行空气动力学分析并提供相关参数的一种重要方法，在飞行器研究、建筑分析设计等领域都有广泛应用。对建筑领域而言，风洞试验的方法是将建筑物的缩尺比模型固定在风洞中，通过风洞中人工产生的气流模拟现实风场，对其进行测力试验、测压试验等模拟试验并获得相关参数和进行力学分析。其主要思想来自于相似理论[3]：如果能控制一个现象中的全部物理量在两个相应时间空间都成比例，那么就可以说这两个时间空间下的现象相似。即通过控制建筑的缩尺比模型以及试验条件，可以用缩尺比模型对现实建筑进行模拟，并进行定性乃至定量分析。

1.2 风洞试验过程

风洞试验过程从总体上可大致分为三部分内容：

1)风场调试。通过在风洞中安装导流板、粗糙源，可以对不同类型的风场进行模拟。风洞试验通常需要首先根据试验需求对风场进行调试与检测，确保试验风场对目标风场的模拟不出现大偏差，如图1所示。

2)模拟试验。在确保风场调试无误后，在风洞中安装固定建筑的缩尺比模型，并进行相应的测力试验、测压试验或其他试验，如图2所示。

3)数据校核。对试验数据进行初步分析以检验试验是否出现错误。

1.3 优缺点分析

相比于其他研究方法，风洞试验有着独有优势：

1)准确控制试验条件。风洞试验可以准确控制地貌、湍流度、风速、风向角等试验条件，从而较为准确地模拟现实或目标情况。

2)试验结果直观可靠。由于风洞试验是对现实情况的近似模拟，因此风洞试验的结果也同样可以近似反映真实情况。相比于其他理论分析，风洞试验的结果要更为直观可靠。

3)受环境因素影响小。风洞试验是室内试验，并且风洞内的试验条件也可以准确控制，因此外界环境因素对试验造成的影响相对较小。

4)成本低，效率高，安全性高。

虽然风洞试验有着诸多优点，但是作为模拟试验，很难实现完全精确，风洞试验也同样存在局限：

1)边界效应。现实中的风场是没有边界的，但是风洞试验受场地、造价影响，其洞壁边界不同程度会对风场造成影响，使得模拟风场与现实风场存在偏差。

2)支架干扰。建筑的缩尺比模型在风洞中进行固定时需要用到支架，并且对于一些高宽比较大的建筑，为保证试验过程中模型不出现大幅振动往往还需对支架进一步加固。这些支架同样会对风场产生干扰。

3)试验条件难以完全满足。根据相似理论，风洞试验应该精确控制试验条件与现实成一定比例，但是在实际控制时往往难以对全部试验条件都完全满足。

因此，在具体试验中，应考虑到风洞试验的诸多影响因素，通过限制缩尺比、合理设置测点等试验前手段以及修正数据等试验后手段，尽量减小试验误差。

2 风洞试验应用

2.1 理论研究

风洞试验的种类繁多，根据需求可灵活选取测力试验、测压试验、传热试验等诸多类型。通过选取与控制变量进行模拟试验，可自由对风速、风向、建筑尺寸等因素单独分析，也可进行组合分析。

模拟试验的主要依据是相似理论，因此在试验前必须确保模拟试验满足相似判据为常数。在力学问题中，通常要求模拟试验的设计应包括：力学相似、材料相似、初始条件相似及边界条件相似等[4]。试验者通常首先根据分析方程式法与量纲分析法求得模拟试验的相似判据，并根据相似判据对模拟试验进行设计。需要注意的是，有些相似条件如边界条件相似在一些情况下很难达到相似模拟，但也应进行近似模拟且保证偏于安全[4]。

在完成模拟试验的设计之后，便可以定制模型进行风洞试验，具体步骤基本与上文所述相同。然后对试验数据进行处理分析。

2.2 建筑设计

我国《建筑结构荷载规范》[5]对建筑物所受的风荷载标准值计算公式进行了规定，并给出了常见情况的风荷载体型系数等相关参数。但是对于不满足常见情况或者重要且体型复杂的房屋和构筑物，仍应由风洞试验确定[5]。

随着我国科学技术与施工工艺的不断发展，建筑设计对风洞试验的需求量也不断增大。越来越多的建筑不满足于规范的常见情况，而需要通过风洞试验获得可靠参数以指导建筑设计。

建筑设计所需的风洞试验基本与科研试验项目相同，只是在获得参数后进行的后期分析处理的方法与目的同科研试验有所区别。此外，由于科研试验是为了得到普遍性结果，而工业项目通常是为得到与项目对应的特有结果，因此有时工业项目的缩尺比模型还会包括建筑场地周边的地形地貌，如图3所示。

3 风洞试验未来发展

3.1 试验装置改进

如前文所述，风洞试验存在边界效应、支架干扰等不可避免的影响因素，但这些因素可以通过改进试验装置以减小或避免。比如边界效应，在飞行器领域已发展有自修正风洞[6]技术，通过对洞壁进行主动调节使其成为无约束流场中的一条流线以避免边界效应，而这在建筑领域也具有广泛的发展前景。再比如支架干扰，或也可以通过磁悬模型技术进行减小乃至避免。总而言之，通过对试验装置的改进，未来的风洞试验将可以更加准确可靠。

3.2 分析方法发展

风洞试验的数据分析方法发展至今，已有十分丰富的种类，常见的如CFD，POD等分析方法已得到广泛应用。不断发展扩充的分析方法使得数据的处理分析更加多元化，也使得理论研究更加精细深入。

4 结语

在建筑领域飞速发展的今天，风洞试验的地位正愈发重要。不论是规范条文指导作用的局限性，还是建筑设计日益增高的需求与要求，都需要更多的风洞试验以及相关理论研究。本文总结了风洞试验的基本特点以及应用，可以看出，虽然风洞试验目前尚存在一些局限，但其仍是对建筑进行风荷载分析与设计的最有效手段之一。并且在未来，建筑研究与设计对风洞试验的需求还将继续增长，而要求也会不断变高。