CN107121259B - 二维方柱风洞试验端部效应抑制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种二维方柱风洞试验端部效应抑制方法及装置，属于风洞试验抑制技术领域，制作三种矩形断面的端部效应的试验模型，在模型轴向中间处四周设有一圈测压孔；将端板设在模型两侧；进行风洞试验，测得风压数据进行计算，分析不同风攻角下的端板尺寸对阻力系数和升力系数的影响；利用施加适当尺寸端板后的阻力系数和升力系数与理论值比较，确定能够有效抑制端部效应的端板尺寸。本发明提供的二维方柱风洞试验端部效应抑制方法及装置，通过研究不同风攻角下的端板尺寸对风压系数和阻力系数的影响，根据不同端板下模型的测试结果，为类似结构试验时端板的设计及端板数据修正提供依据。

Description

二维方柱风洞试验端部效应抑制方法及装置

技术领域

本发明属于风洞试验方法技术领域，更具体地说，是涉及一种二维方柱风洞试验端部效应抑制方法及装置。

背景技术

二维细长结构是桥梁和建筑结构中常见的构件形式，如桥梁的主梁、桥墩、斜拉桥、吊杆、输电系统的导线、建筑中的吊杆和立柱等，这类结构的风荷载和风致振动及控制问题是设计中需要重点考虑的问题。在其抗风研究中，二维节段模型风洞试验是最常用的方法之一。为了保证模型周围的流动为二维流动，模型两端设置端板是常用和必要的手段。

以往研究中，缺乏针对不同风攻角下端板尺寸对风压系数影响的研究。同时，当端板尺寸不足时，对试验造成的误差，以及如何对端板不足的试验结果进行修正，也是普遍关心的基本试验技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二维方柱风洞试验端部效应抑制方法及装置，以解决现有技术中存在的研究二维模型不同风攻角下的端板尺寸对风压系数影响的技术问题，能确定有效抑制端部效应的端板尺寸的理论值，从而确定能够有效抑制端部效应的端板尺寸，以便做到设计合理，节省材料。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种二维方柱风洞试验端部效应抑制方法，包括以下步骤：

（1）制作矩形断面的端部效应的试验模型；根据实验对象确定模型宽高比，模型的长度为与风洞壁宽度相适应的定值；在模型上轴向中间位置四周设有一圈若干个测压孔；模型两端固定有端板；

（2）将试验模型通过支架上固定在风洞壁上；

（3）进行风洞试验，测得风压数据并进行计算，分析不同风攻角下的端板尺寸对阻力系数和升力系数的影响；

（4）改变2次以上模型两端固定的端板的尺寸，进行风洞重复试验，确定能够有效抑制端部效应的端板尺寸的理论值；从而确定能够有效抑制端部效应的端板尺寸。

进一步地，制作3种试验模型进行分别试验，所述模型宽高比分别为1:1、5:1、10:1，三种断面模型的长度均为1.7米；将模型宽高比为1:1的端板设为圆形，将模型宽高比为5:1、10:1的端板设为矩形。

进一步地，所述模型宽高比定为1:1的宽、高均设为100mm；所述模型宽高比定为5:1的宽设为450 mm，高设为90mm；所述模型宽高比定为10:1的宽设为450 mm，高设为45mm。

进一步地，所述模型宽高比定为1:1均匀布置28个测压孔；所述模型宽高比定为5:1的模型均匀布置44个测压孔；所述模型宽高比定为10:1均匀布置60个测压孔。

进一步地，所述风洞为一串联双试验段回/直流边界层风洞，低速试验段宽4.4米，高3米，长24米，最大风速超过30米/秒；高速试验段宽2.2米，高2米，长5米，最大风速超过80米/秒。

进一步地，所述端板的大小用无量纲尺寸表示；模型宽高比为1:1的端板为圆形，直径分别定为2L、3L、4L、5L、6L，L为模型断面对角线的长度；模型宽高比为5:1和模型宽高比为10:1分别采用矩形断面的端板，用BxHy的形式表示，其中B表示端板宽度方向，x为端板宽度与模型高度h的比值，H表示端板高度方向，y为端板高度与模型高度h的比值；

在分析端板大小对试验结果影响的基础上，认为端板的继续增大对结果影响小于5%时的试验结果为理论值；试验发现宽高比为1:1的模型端板尺寸为6L时的测试结果为该模型的理论值；宽高比为5:1的模型端板尺寸为B11H11时的测试结果为该模型的理论值；宽高比为10:1模型端板尺寸为B22H12时测试结果为该模型的理论值。

进一步地，对于模型高宽比1:1的二维方柱，当风攻角小于10°时，采用3L的端板能够有效抑制端部效应；当风攻角大于10°，采用5L的端板能够有效抑制端部效应；

对于模型高宽比为5:1的二维方柱，当风攻角小于4°时，是否设置端板对阻力系数的影响可以忽略；当风攻角在4°到10°之间时，采用端板宽度为9倍模型高度、端板高度为6倍的模型高度时能够有效抑制端部效应；

对于模型高宽比为10：1的二维方柱，当风攻角小于4°时，是否设置端板对阻力系数的影响可以忽略；当风攻角在2°到10°之间时，采用端板宽度为9倍模型高度、端板高度为6倍的模型高度时能够有效抑制端部效应。

进一步地，风压系数数据采集采用DTC Initium型电子式压力扫描，最大可同时连接8个压力扫描阀模块，其精度达到±0.15% F.S.，每个模块有64个通道，因此可同步测量的最多通道数为512个，每个通道的采样频率为312.5Hz。

以上任一种所述的二维方柱风洞试验端部效应抑制方法所用的装置，包括端部效应试验模型；根据实验对象确定模型宽高比，模型的长度为与风洞壁宽相适应的定值；在模型上轴向中间位置四周设有一圈若干个测压孔；模型两端固定有端板；试验模型通过支架上固定在风洞壁上。

进一步地，包括3种试验模型；模型宽高比分别为1:1、5:1、10:1，三种断面模型的长度均为1.7米；将模型宽高比为1:1的端板设为圆形，将模型宽高比为5:1、10:1的端板设为矩形。

本发明提供的二维方柱风洞试验端部效应抑制方法及装置的有益效果在于：与现有技术相比，本发明二维方柱风洞试验端部效应抑制方法及装置，通过研究不同风攻角下的端板尺寸对风压系数和阻力系数的影响，根据不同端板下模型的测试结果，为类似结构试验时端板的科学设计以及端板不足时的数据修正提供依据，以便做到端板设计合理，节省材料。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的二维方柱风洞试验端部效应抑制方法及装置的模型安装示意图；

图2为本发明实施例提供的二维方柱风洞试验端部效应抑制方法及装置的模型宽高比1:1的测点布置示意图；

图3为本发明实施例提供的二维方柱风洞试验端部效应抑制方法及装置的模型宽高比5:1的测点布置示意图；

图4为本发明实施例提供的二维方柱风洞试验端部效应抑制方法及装置的模型宽高比10:1的测点布置示意图；

图5为本发明实施例提供的二维方柱风洞试验端部效应抑制方法及装置的模型宽高比1:1的端板示意图；

图6为本发明实施例提供的二维方柱风洞试验端部效应抑制方法及装置的模型宽高比5:1和10:1的端板示意图。

其中，图中各附图标记：1-模型；2-端板；3-风洞壁；4-支架。

图中，空心箭头表示迎风侧的方向；α表示风攻角；A表示测压孔；L为模型断面对角线的长度，D表示圆形端板直径；H表示端板高度，B表示端板宽度，h表示模型高度，b表示模型宽度。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请一并参阅图1-图6，现对本发明提供的二维方柱风洞试验端部效应抑制方法进行说明。所述二维方柱风洞试验端部效应抑制方法，包括以下步骤：

（1）制作矩形断面的端部效应的试验模型1；根据实验对象确定模型1宽高比，模型1的长度为与风洞壁宽度相适应的定值；在模型1上轴向中间位置四周设有一圈若干个测压孔A；模型1两端固定有端板2；

（2）将试验模型1通过支架4上固定在风洞壁3上；

（3）进行风洞试验，测得风压数据并进行计算，分析不同风攻角α下的端板2尺寸对阻力系数和升力系数的影响；

（4）改变2次以上模型1两端固定的端板2的尺寸，进行风洞重复试验，确定能够有效抑制端部效应的端板2尺寸的理论值；从而确定能够有效抑制端部效应的端板2尺寸。

根据将要研究的实验对象，如：桥梁的主梁、桥墩、斜拉桥、吊杆、输电系统的导线等，根据实验对象的宽高比，确定该试验模型1的宽高比，模型1的长度根据试验时的风洞壁3的宽度确定一个合理的值，保证长度的模型1范围内的流场不会受到风洞两侧洞壁形成的边界层的影响；然后在模型1上轴向中间位置四周设有一圈若干个测压孔A， 经过反复试验，测得不同风攻角α下端板2尺寸对风压系数影响，从而确定能够有效抑制端部效应的端板2尺寸。

进一步地，请一并参阅图5至图6，作为本发明提供的二维方柱风洞试验端部效应抑制方法的一种具体实施方式，制作3种试验模型1进行分别试验，所述模型1宽高比分别为1:1、5:1、10:1，三种断面模型1的长度均为1.7米；将模型1宽高比为1:1的端板2设为圆形，将模型1宽高比为5:1、10:1的端板2设为矩形。

进一步地，请一并参阅图1至图6，作为本发明提供的二维方柱风洞试验端部效应抑制方法的一种具体实施方式，所述模型1宽高比定为1:1的宽、高均设为100mm；所述模型1宽高比定为5:1的宽设为450 mm，高设为90mm；所述模型1宽高比定为10:1的宽设为450 mm，高设为45mm。

进一步地，请一并参阅图2至图4，作为本发明提供的二维方柱风洞试验端部效应抑制方法的一种具体实施方式，三种模型的断面测压孔A周向布置，孔的位置及序号如图所示，孔位用A表示，数字为孔的测点序号；测压孔编号原则为：将迎风侧中间测点标注为1号测点，其余编号沿着逆时针方向逐渐增大标注。所述模型1宽高比定为1:1均匀布置28个测压孔A；所述模型1宽高比定为5:1的模型1均匀布置44个测压孔；所述模型1宽高比定为10:1均匀布置60个测压孔A。

经过模型风洞试验，确定出针对三种宽高比1:1、5:1、10：1的断面模型1相应的端板2尺寸，在不同风攻角α下可以有效抑制端部效应。本发明的判定原则：采用端板2后的阻力系数测试结果与理论值间的误差小于5%，说明能够有效抑制端部效应。试验结果表明：对于模型1高宽比1:1的二维方柱，当风攻角α小于10°时，采用3L的端板2能够有效抑制端部效应；当风攻角α大于10°，采用5L的端板2能够有效抑制端部效应；

对于模型1高宽比为5:1的二维方柱，当风攻角α小于4°时，是否设置端板2对阻力系数的影响可以忽略；当风攻角α在4°到10°之间时，采用端板2宽度为9倍的模型1高度、端板2高度为6倍的模型1高度时能够有效抑制端部效应；

对于模型1高宽比为10：1的二维方柱，当风攻角α小于4°时，是否设置端板2对阻力系数的影响可以忽略；当风攻角α在2°到10°之间时，采用端板2宽度为9倍的模型1高度、端板2高度为6倍的模型1高度时能够有效抑制端部效应。

本发明提供的二维方柱风洞试验端部效应抑制方法及装置，与现有技术相比，通过研究不同风攻角α下的端板2尺寸对风压系数和阻力系数的影响，根据不同端板2下模型的测试结果，为类似结构试验时端板2的设计以及端板2不足时的数据修正提供依据，以便端板2设计合理，节省材料。

二维细长结构是桥梁和建筑结构中常见的构件形式，如桥梁的主梁、桥墩、斜拉桥、吊杆、输电系统的导线、建筑中的吊杆和立柱等，这类结构的风荷载和风致振动及控制问题是设计中需要重点考虑的问题。在其抗风研究中，二维节段模型风洞试验是最常用的方法之一。为了保证模型周围的流动为二维流动，模型两端设置端板2是常用和必要的手段。通过采用二维方柱模型试验对不同风攻角α下端板2尺寸对风压系数和阻力系数的影响，为类似结构的试验时，端板2的设计提供参考。

进一步地，请一并参阅图1至图6，作为本发明提供的二维方柱风洞试验端部效应抑制方法及装置的一种具体实施方式，所述风洞为一串联双试验段回/直流边界层风洞，低速试验段宽4.4米，高3米，长24米，最大风速超过30米/秒；高速试验段宽2.2米，高2米，长5米，最大风速超过80米/秒。

进一步地，请一并参阅图1至图6，作为本发明提供的二维方柱风洞试验端部效应抑制方法及装置的一种具体实施方式，所述端板2的大小用无量纲尺寸表示；模型1宽高比为1:1的端板2为圆形，端板直径分别定为2L、3L、4L、5L、6L，L为模型1断面对角线的长度；模型1宽高比为5:1和模型1宽高比为10:1分别采用矩形断面的端板2，用BxHy的形式表示，其中B表示端板2宽度方向，x为端板2宽度与模型1高度h的比值，H表示端板2高度方向，y为端板2高度与模型1高度h的比值；如B9H2表示端板2宽度为模型1高度的9倍，端板2高度为模型1高度的2倍。本发明通过对模型1风洞试验中测得的风压数据进行积分计算，可以得到二维方柱模型1的阻力系数和升力系数，利用施加适当尺寸端板2后的阻力系数和升力系数测试结果与理论值之间进行比较，来说明是否能够有效抑制端部效应。

在分析端板2大小对试验结果影响的基础上，认为端板2的继续增大对结果影响小于5%时的试验结果为理论值，试验发现宽高比为1:1的模型1的端板2尺寸为6L时的测试结果为该模型1的理论值；宽高比为5:1的模型1的端板2尺寸为B11H11时的测试结果为该模型1的理论值；宽高比为10:1模型1的端板2尺寸为B22H12时测试结果为该模型1的理论值。

进一步地，请一并参阅图1至图6，作为本发明提供的二维方柱风洞试验端部效应抑制方法及装置的一种具体实施方式，风压系数数据采集采用DTC Initium型电子式压力扫描，最大可同时连接8个压力扫描阀模块，其精度达到±0.15% F.S.，每个模块有64个通道，因此可同步测量的最多通道数为512个，每个通道的采样频率为312.5Hz。

以上任一种所述的二维方柱风洞试验端部效应抑制方法所用的装置，包括端部效应试验模型1；根据实验对象确定模型1宽高比，模型1的长度为与风洞壁3宽相适应的定值；在模型1上轴向中间位置四周设有一圈若干个测压孔A；模型1两端固定有端板2；试验模型1通过支架4上固定在风洞壁3上。由模型1、端板2、支架4及风洞壁3的组合构成了该风洞试验的二维方柱试验模装置，经过试验，该装置测得的试验数据可靠，为研究二维细长结构的风荷载和风致振动及控制的问题提供实验依据，为研究端板2的尺寸设计提供必要的技术手段。

进一步地，包括3种试验模型1；根据风洞壁3的实际宽度，确定该模型1的长度。模型1宽高比分别为1:1、5:1、10:1，三种断面模型1的长度均为1.7米；将模型1宽高比为1:1的端板2设为圆形，将模型1宽高比为5:1、10:1的端板2设为矩形。所述模型1宽高比定为1:1的宽、高均设为100mm；所述模型1宽高比定为5:1的宽设为450 mm，高设为90mm；所述模型1宽高比定为10:1的宽设为450 mm，高设为45mm。

所述的模型1制作完成后类似于桥梁的主梁、桥墩、斜拉桥、吊杆等的二维细长结构，对于后期研究二维状态下风洞试验作为必要的模型依据。为针对不同风攻角α下端板2尺寸对风压系数影响的研究提供实验对象。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.二维方柱风洞试验端部效应抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制作矩形断面的端部效应的试验模型；根据实验对象确定试验模型宽高比，试验模型的长度为与风洞壁宽度相适应的定值；在试验模型上轴向中间位置四周设有一圈若干个测压孔，将迎风侧中间测点标注为1号测点，其余编号沿着逆时针方向逐渐增大标注；试验模型两端固定有端板；

(2)将试验模型通过支架固定在风洞壁上；

(3)进行风洞试验，测得风压数据并进行计算，分析不同风攻角下的端板尺寸对阻力系数和升力系数的影响；

(4)改变2次以上试验模型两端固定的端板的尺寸，进行风洞重复试验，确定能够有效抑制端部效应的端板尺寸的理论值，采用端板后的阻力系数测试结果与理论值间的误差小于5％，说明能够有效抑制端部效应；从而确定能够有效抑制端部效应的端板尺寸；

制作3种试验模型分别进行试验，所述试验模型宽高比分别为1:1、5:1、10:1，三种断面试验模型的长度均为1.7米；将宽高比为1:1的试验模型端板设为圆形，将宽高比为5:1、10:1的试验模型端板设为矩形；

宽高比定为1:1的所述试验模型宽、高均设为100mm；宽高比定为5:1的所述试验模型宽设为450mm，高设为90mm；宽高比定为10:1的所述试验模型宽设为450mm，高设为45mm；

宽高比定为1:1的所述试验模型均匀布置28个测压孔；宽高比定为5:1的所述试验模型均匀布置44个测压孔；宽高比定为10:1的所述试验模型均匀布置60个测压孔。

2.如权利要求1所述的二维方柱风洞试验端部效应抑制方法，其特征在于：所述风洞为一串联双试验段回/直流边界层风洞，低速试验段宽4.4米、高3米、长24米，最大风速超过30米/秒；高速试验段宽2.2米、高2米、长5米，最大风速超过80米/秒。

3.如权利要求1所述的二维方柱风洞试验端部效应抑制方法，其特征在于：所述端板的大小用无量纲尺寸表示；宽高比为1:1的试验模型端板为圆形，直径分别定为2L、3L、4L、5L、6L，L为试验模型断面对角线的长度；宽高比为5:1的试验模型和宽高比为10:1的试验模型分别采用矩形断面的端板，用BxHy的形式表示，其中B表示端板宽度方向，x为端板宽度与试验模型高度h的比值，H表示端板高度方向，y为端板高度与试验模型高度h的比值；

在分析端板大小对试验结果影响的基础上，认为端板的继续增大对结果影响小于5％时的试验结果为理论值；试验发现宽高比为1:1的试验模型端板尺寸为6L时的测试结果为该试验模型的理论值；宽高比为5:1的试验模型端板尺寸为B11H11时的测试结果为该试验模型的理论值；宽高比为10:1试验模型端板尺寸为B22H12时测试结果为该试验模型的理论值。

4.如权利要求3所述的二维方柱风洞试验端部效应抑制方法，其特征在于：对于试验模型宽高比1:1的二维方柱，当风攻角小于10°时，采用3L的端板能够有效抑制端部效应；当风攻角大于10°时，采用5L的端板能够有效抑制端部效应；

对于试验模型高宽比为5:1的二维方柱，当风攻角小于4°时，是否设置端板对阻力系数的影响可以忽略；当风攻角在4°到10°之间时，采用端板宽度为9倍试验模型高度、端板高度为6倍试验模型高度时能够有效抑制端部效应；

对于试验模型高宽比为10：1的二维方柱，当风攻角小于4°时，是否设置端板对阻力系数的影响可以忽略；当风攻角在2°到10°之间时，采用端板宽度为9倍试验模型高度、端板高度为6倍试验模型高度时能够有效抑制端部效应。

5.如权利要求1所述的二维方柱风洞试验端部效应抑制方法，其特征在于：风压系数数据采集采用DTC Initium型电子式压力扫描，最大可同时连接8个压力扫描阀模块，其精度达到±0.15％F.S.，每个模块有64个通道，因此可同步测量的最多通道数为512个，每个通道的采样频率为312.5Hz。

6.如权利要求1-5中的任一种所述的二维方柱风洞试验端部效应抑制方法所用的装置，其特征在于：包括端部效应试验模型；根据实验对象确定试验模型宽高比，试验模型的长度为与风洞壁宽相适应的定值；在试验模型上轴向中间位置四周设有一圈若干个测压孔；试验模型两端固定有端板；试验模型通过支架固定在风洞壁上；

包括3种试验模型；试验模型宽高比分别为1:1、5:1、10:1，三种断面的试验模型的长度均为1.7米；将宽高比为1:1的试验模型端板设为圆形，将宽高比为5:1、10:1的试验模型端板设为矩形。