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风洞试验研究综述 篇一

摘要：本文介绍了大气边界层风洞的发展过程和模拟方法。大气边界层的模拟方法主要有主动模拟方法和被动模拟方法，前者包括多风扇风洞技术与振动尖塔技术，后者采用尖劈、粗糙元、挡板、格栅等装置进行模拟。被动模拟技术较为经济、简便，所以得到了广泛采用。

关键词：风洞；大气边界层；主动模拟；被动模拟。

Performance of Simulation of Atmospheric Boundary Layerin Wind

Tunnels

xude

Abstract：In this paper ,the simulation of atmospheric boundary layer are introducted from the history of the development and the methods of the technology.The methods of atmospheric boundary layer simulation contain activesimulation and passive simulation. The active simulation mainly include multiplefans wind tunnel technology and vibratile spire

technology. The equipments of thepassive simulation main include spire, roughness element, apron and gridiron. Thepassive simulation technology is simple and economical, so it has been widely used.

Key words：wind tunnel; atmospheric boundary layer; active simulation; passivesimulation.

一、引言

1940年，美国塔科马悬索桥由于风致振动而破坏的风毁事故，首次使科学家和工程师们认识到了风的动力作用的巨大威力[1]。在此之前， 1879年发生了苏格兰泰桥的风毁事故已经使工程师们认识到风的静力作用。塔科马桥的风毁开始了土木工程界考虑桥梁风致振动的新时期，并以此为起点， 发展成为了现代结构风工程学。

结构风工程研究方法可分为现场测试、风洞试验和理论计算三种。

现场测试方法是一种有效的验证理论计算和风洞试验方法和结构的手段；然而，现场测试需要花费巨大，试验环境条件很难人为控制和改变。与现场测试方法相比，风洞试验兼具直观性和节约的优点，同时可以上人为地控制、调节和重复一些试验条件，是一种很好的研究结构风工程现象的变参数影响和机理的手段。近些年来随着流体力学和计算机技术的发展，计算流体动力学逐渐成为风工程研究中越来越重要的工具。然而，由于风工程问题的复杂性，要深入了解由于空气流动所引起的许多复杂作用，风洞试验仍然是起着非常重要的作用。

在整个50 年代和60 年代初，建筑物和桥梁风洞试验都是在为研究飞行器空气动力学性能而建的“航空风洞”的均匀流场中进行，而试验结果往往被发现与实地观测结果不一致，原因显然在于风洞中的均匀气流与实际自然风的紊流之间所存在明显差别。1950 年代末，丹麦的杰森对风洞模拟相似率问题作了重要的阐述，认为必须模拟大气边界层气流的特性。

1965 年，加拿大西安大略大学建成了世界上第一个大气边界层风洞，即具有较长试验段、能够模拟大气边界层内自然风的一些重要紊流特性的风洞。紧接着，在美国的科罗拉多州立大学，舍马克教授也负责建造了一个大气边界层风洞，并首次用被动模拟方法对大气边界层的风特性进行了模拟，使结构抗风试验进入了精细化的新阶段，世界各地也随之陆续建成了许多不同尺寸的边界层风洞，从而大大促进了结构风工程的研究。

在早期的风洞中，大气边界层主要研究大气剪切流场的模拟。而在近期，除注意剪切流场的模拟外，已认识到流场湍流结构特性模拟的重要性，特别对大跨桥梁、高层建筑和高耸结构的风载和风振试验有十分重要的意义。

二、大气边界层风洞简介

2.1风洞试验的概念

风洞是指一个按一定要求设计的、具有动力装置的、用于各种气动力试验的可控气流管道系统[2]。虽然实际风洞有多种多样的形式，以适应不同的研究要求，但是从流动方式来看，总体上可划分为两个基本类型：即闭口回流式风洞和开口直流式风洞。而从风洞试验段的构造来看又有封闭式和敞开式之分。

图1.闭口回流式风洞

风洞试验目前是结构抗风研究中最主要的方法。借鉴航空领域的技术和方法，风洞试验在土木工程结构的抗风研究中发挥了巨大的作用。但相比而言，土木工程结构的模型试验和航天航空器的模型试验有很多不同之处。前者外形非常复杂，而后者则相对简单；前者处在高湍流的近地风场中且风场变化类型多，而和后者相关的流动则是低紊流流动；此外，前者尺度大，因而模型缩尺比例小，导致雷诺数模拟的难度比后者更加突出；前者处在低速流动中，不需要考虑流体的压缩性，而后者则需考虑流动的压缩效应，等等。

相对于航空风洞来说，用于土木工程结构的风洞一般都是风速较低的低速风洞，并且通常采用封闭式试验段。为了能在风洞中对建筑结构所处的大气边界层风场进行合理的模拟，其试验段长度一般较大，因此，也被称为边界层风洞。

早在1894年丹麦人J.O.V. Irminger在风洞中测量建筑物模型的表面风压，然而直到1931年为了确定帝国大厦的设计风荷载，研究人员利用航空风洞进行了专门的模型风试验，风洞试验才成为研究结构风荷载的重要手段。

1940年美国旧塔科马海峡大桥发生风振坍塌事故后，人们才开始逐步研究并认识风对结构的动力作用。1950年，为了探究塔科马海峡桥的风毁事故的确切原因，美国华盛顿州立大学的法库哈森教授通过全桥气弹模型风洞试验，成功地重现了塔科玛海峡大桥的颤振风毁现象，并对对桥梁的风振振动进行了研究，这也是第一次结构气弹模型试验。结构风洞试验开始成为结构抗风设计和检验的重要手段而得到普遍发展，

许多学者把研究机翼颤振的风洞试验方法引用到了桥梁的

颤振研究，取得了一定的成果。

1950 年代末，丹麦的杰森提出了建筑结构风洞试验必须模拟大气边界层气流的特性。1965 年，在达文波特负责下，加拿大西安大略大学建成了第一个大气边界层风洞，即具有较长试验段、能够模拟大气边界层内自然风的一些重要紊流特性的风洞。随后，在美国建成了第一个用被动模拟方法对大气边界层风特性进行了模拟的结构风洞，使结构抗风试验进入了精细化的新阶段，世界各地也随之陆续建成了许多不同尺寸的边界层风洞，从而大大促进了结构风工程的研究。

2.2大气边界层的概念

按照大气运动的动力学性质可以将对流层中的大气沿垂直方向粗略地分为上部自由大气层和下部的大气行星边界层。受粗糙地表的摩擦而引起的阻滞作用的影响，大气边界层中的气流在近地表处的速度明显减慢，并在地表处降为零。而由于相邻气层之间的紊流掺混使得这种地表阻滞或摩擦的影响可扩展到整个大气边界层，并在沿高度方向各气层之间产生剪切应力。严格地讲，大气边界层的高度可达1~1.5km，在此范围内，风速是随高度的变化而变化。再往上就是自由大气层，地表摩擦力对大气运动的影响可以忽略，气层之间的剪切应力基本等于零。在自由大气层中，无加速的空气相对于地表的水平运动可以通过气压梯度力、地转偏向力和离心力之间的平衡来确定，风向与等压线保持一致，风速与高度无关。

图3.对流层结构示意图  图4.大气边界层中的风速螺旋线

大气流体动力学中，把气压梯度力、地转偏向力和离心力到达平衡的、与高度无关的定常风速称为梯度风速，常用UG 表示，边界层高度也因此而常被称为梯度风高度。当所关心的区域远离气象系统中的低压或高压区时，

等压线的半径

很大，曲率很小，可近似为直线，此时可忽略作用在空气微团的离心力，与高度无关的定常风速由气压梯度力和地转偏向力的平衡条件确定，成为地转风速。

在大气边界层中，由于粗糙地表产生的摩擦力的影响，风向与等压线成一定的夹角。随着高度的增加，地面摩擦效应的影响逐渐降低，这种夹角也越来越小，在梯度风高度处，夹角降为零，风向与等压线一致。大气边界层内风速风向随高度的这种变化规律可用如图5.3所示的螺线来描绘，从地面至边界层高度顶，风向角的变化约为20°。由于土木工程结构均建在大气边界层中，因此大气边界层内的风特性是土木工程结构设计者最为关心的。

三、大气边界层的风特性

风特性研究是风工程的基础工作。过去， 关于风的资料主要来源于各气象站约10米高风标上所安装的旋转杯式风速仪。这种于1846 年发明的风速仪至今还在使用， 但由于仪器的惯性大， 它所测量的是有一定时距的平均风。近50 年来， 测风仪器有了巨大的进步， 从较灵敏的螺旋桨式风速仪发展到激光、超声以及微波风速仪， 可用来测量空气的微小瞬时运动。

经过长期的现场实测，近地风可处理为平均风速和脉动风速的叠加；平均风速沿高度可用对数律或幂函数来描述，而脉动风的主要特征是紊流度、脉动风速自功率谱和互功率谱、紊流尺度等。其他风特性参数，例如阵风因子、摩阻速度以及空间相关函数等可以认为是这些关键特性的延拓和补充。在初步掌握这些重要特性的基础上，给出了这些特征量的推荐值和推荐公式。

尽管人们在强风分布及结构响应的实测方面做了很多努力，但是，由于强风分布特性现场实测的费用大、周期长、难度大，人们对近地风特性的认识还远不清楚。目前国际上常用的几种脉动风速功率谱值（Davenport 谱， Kaimal谱和Karman 谱等）在某些重要频段内相差很大，甚至以倍计。脉动风速相干函数指数的推荐范围上下限的不同取值可能造成结构响应计算值的成倍差别。台风的平均风剖面和紊流结构及登陆后的衰减特性如何？此外，人们对特殊地形（包括我国西部地区复杂地形）的强风分布特性的理解也还甚浅。风参数的不确定性是影响结构抗风设计精度最重要的因素。

风洞试验综合 篇二

一。 风洞试验简述：

实验空气动力学是空气动力学的一个分支，是用实验方法研究飞行器及其它物体在与空气或其它气体作相对运动时的气动特性、运动规律和各种复杂物理现象。由于是直接研究物体与真实气流间的相互作用，所得数据可以用作工程设计的依据，验证理论计算结果并能揭示新的流动现象，为理论分析提供物理模型。

实验空气动力学作为一门分支学科是20世纪40年代形成的。它的形成同飞行器高速发展，要求迅速获得大量复杂、精确、可靠的设计数据有关。它的主要内容除空气动力学基础理论外，还包括实验理论、实验方法和实验设备的知识。

实验空气动力学的主要任务是利用风洞进行模型实验，以发现和确认流动现象、探索和揭示流动机理、寻求和了解流动规律，并为飞行器提供优良气动布局和空气动力特性数据，风洞实验所依据的基本理论是相对运动原理和相似理论。

相对运动原理：无论是固体以某一均匀速度在静止的流体中运动，还是流体以相同速度流经固体，两者之间的相互作用力恒等。

相似理论：论述物理现象相似的条件和相似现象的性质的学说。是模拟的理论基础。相似理论的重要课题是确定各种物理现象的相似准数。

风洞是进行空气动力学实验的一种主要设备，几乎绝大多数的空气动力学实验都在各种类型的风洞中进行。风洞的工作原理是使用动力装置在一个专门设计的管道内驱动一股可控气流，使其流过安置在实验段的静止模型，模拟实物在静止空气中的运动。测量作用在模型上的空气动力，观测模型表面及周围的流动现象。根据相似理论将实验结果整理成可用于实物的相似准数。实验段是风洞的中心部件，实验段流场应模拟真实流场，其气流品质如均匀度、稳定度（指参数随时间变化的情况）、湍流度等，应达到一定指标。

风洞实验的主要优点是：

① 实验条件（包括气流状态和模型状态两方面）易于控制。

② 流动参数可各自独立变化。

③ 模型静止，测量方便而且容易准确。

④ 一般不受大气环境变化的影响 。

⑤ 与其他空气动力学实验手段相比，价廉、可靠等。

缺点是难以满足全部相似准数相等，存在洞壁和模型支架干扰等，但可通过数据修正方法部分或大部分克服。

风洞实验的主要常规试验有测力试验、测压试验和流态观测试验等。测力和测压试验是测定作用于模型或模型部件（如飞行器模型中的一个机翼等）的气动力及表面压强分布，多用于为飞行器设计提供气动特性数据。流态观测试验广泛用于研究流动的基本现象和机理。

二。 实验内容：

1. 根据风洞实验段尺寸和实验项目要求完成实验模型的结构和模型支撑结构的设计。

2. 编写模型测力和流动显示实验大纲（或实验任务书）。

3. 固定风速，改变模型姿态（例如，改变模型迎角）测量不同姿态下的模型气动力；对模型做重复性试验。

4. 对测力模型做流动显示实验（分别做模型烟流显示实验和油流显示实验）

三。 实验仪器及设备：

D1低速风洞主要组成部分为实验段、扩压段、拐角和导流片、稳定段、收缩段以及动力段。实验段截面为椭圆面，其入口长轴为102cm，短轴为76cm，出口处长轴为107cm，短轴为81cm；实验段全长1.45m；实验段的最大流速为50m/s；紊流度为0.3%；实验段模型安装区内，速压不均匀度3%。其上游收缩段的收缩比为8.4。D1低速风洞采用可控硅控制无级调速；配置有尾撑式—机构及内式六分量应变天平。由信号放大器（GDA—10），A/D模数转换数据采集板和计算机构成测力天平信号数据采集系统。

实验原理：

当物体以某一速度在静止的空气中运动时，气流对物体的作用与同一速度的气流流过静止物体时的作用完全相同。风洞就是一种产生人工气流，对固定于风洞试验段的模型产生气动力作用的管道设备。

六分量应变天平：是一种专用的测力传感器。用于测量作用在模型上的空气动力的大小。该天平能测量升力、阻力、侧力、俯仰力矩、偏航力矩和滚转力矩。它由应变片、弹性元件、天平体和一些附件组成。应变天平是一种将机械量转变为电量输出的专用设备。它是运用位移测量原理，利用天平的变形来测量外力大小。将应变片贴在天平弹性元件上，弹性元件上的应变与外力大小成比例，应变片连接组成测量电桥，接入测量线路中，即可测出力的大小。应变天平在测量过程中的`参量变化过程如下：

PRUV

其中：

P—天平弹性元件上承受的气动力。

—在气动力P的作用下弹性元件上的应变。

R—贴在弹性元件上的应变片在弹性元件产生应变的情况下产生的电阻增量。

U—由应变片产生的电阻增量R而引起的测量电桥产生的输出电压增量（mV）。

V—检测仪器所指示的读数增量（V）。

右下图为一六分量应变天平测量电桥示意图。图中标有号码处为粘贴有电阻应变片的天平元件。例如号码1、2、3、4为天平升力元件的四个电阻阻值相等的应变片，它们构成了一个全桥电路。当天平升力元件

受载后，在电桥AC端将会有电压信号U输出，

该信号U将被引入信号放大器。

信号放大器（GDA—10）：其功用是将来自于天平

各分量电桥的微小电压输出放大到能被计算机接

受的电压值。

A/D模数转换数据采集板：由于计算机只能处理数

字信号，而天平各分量的输出信号是模拟信号，因

此须先用A/D模数转换数据采集板将天平输出的模拟信号转换成数字信号，方能由计算机对采集的信号数据进行处理。

计算机：通过已有程序软件对试验模型的测力进行过程控制、数据采集和后处理。 模型烟线流动显示、表面油流显示原理参见附录1、2。

四。 实验步骤：

1） 将实验模型安装于测力天平上。对试验模型做水平或垂直调整。将模型的

攻角、侧滑角分别调整为0角。

2） 检查各有关设备之间的连线是否连接正确。

3） 打开计算机，然后是放大器及天平电源。

4） 通过计算机测力系统软件检测天平各分量的信号输出值是否正常。通常未

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