CN112504606B - 基于阵列风机偏转风剖面连续可调的风洞主动模拟方法 - Google Patents

Abstract

基于阵列风机偏转风剖面连续可调的风洞主动模拟方法，属于土木工程抗风技术领域。方法是：步骤一：首先将目标扭转风剖面分解为顺风向分量u₀(z)与横风向分量v₀(z)，通过多个呈矩形阵列排布的粗糙元调出无偏转角度的普通顺风向分量u₀(z)，多个粗糙元呈矩形阵列方式摆放至风洞地面上；将多个风机按竖向摆布方式放置在风洞中；步骤二：测量单个风机转速与风速的关系，二者为正比关系，根据横风向分量v₀(z)以及风机转速与风速关系，调整不同高度处风机转速；步骤三：通过风速传感器检验扭转风剖面是否符合目标风剖面，如果是，则符合目标风剖面；如果不是，则通过微调位于最下端风机转速实现。本发明适用于调节出不同的多种扭转角风剖面。

Description

基于阵列风机偏转风剖面连续可调的风洞主动模拟方法

技术领域

本发明属于土木工程抗风技术领域，具体涉及一种基于阵列风机偏转风剖面连续可调的风洞主动模拟方法。

背景技术

山区丘陵不仅通过加快风速来改变风环境，而且还通过改变风向来改变风环境。结果，在该类别地形附近的风廓线表现出随高度变化的风向，通常被称为(地形驱动)扭曲风廓线。处于该类别地形的高耸建筑(如商业区或者住宅区)受扭转风剖面的作用不可忽略，主要有两方面的影响：其一城市风环境十分重要，影响行人层舒适性等，而城市风环境与来流风速特性息息相关，诸如瞬时风速，湍流度和风攻角等；其二是对于细长柔性或者具有偏心形状的建筑物，扭转风剖面由于使得建筑外壁上形成了不对称的风压，并且在建筑周围沿高度产生了不均匀的流场，因此改变了建筑物的空气动力学特性，同时不对称的风荷载可以增强高层建筑的扭转响应，而顺风荷载和侧风荷载之间的更高相关性可以放大横向引起的风振响应。

扭转风剖面对于风舒适性和风安全性的影响与普通风剖面相比，存在明显的差异。对偏转风在风洞实验室的良好模拟，可以实现为后续研究高层建筑在偏转风场下的风荷载和风致响应特性、评估偏转风效应奠定基础，进而对风舒适性和安全性进行准确的评估，意义重大。

目前能在实验室有效模拟弯曲风剖面的方法有两种，其一是建造专门产生扭转风的风洞试验室或者将目前普通的风洞实验室升级成为可以产生扭转风的类型，但是目前该类型的风洞很稀少，建造一个新的扭转风洞或者将已有的普通边界层风洞升级，都是一个时间金钱耗费极大的工程并且也是极具技术挑战的。其二是采用具有固定转角的木制的叶片系统或者导流板，使风向发生偏转，但是设计加工和校对这个扭转导流板系统，是十分消耗劳力人工和有一定技术难度的，最关键的是一套导流板系统只能产生一个固定最大扭转角的风剖面，而通常扭转角不是某一固定值，当研究多个扭转角风剖面时，需要制造多套导流板系统，显然这种方法不是高效的，无疑大大增加了成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于阵列风机偏转风剖面连续可调的风洞主动模拟方法，它是在风洞实验室复现弯曲风剖面，且可以调节扭转角度的新型主动模拟方法，该方法简单高效普适性比较强，适用于调节出不同的多种扭转角风剖面，同时可以拆卸重复安装使用，从而大大减小了成本。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于阵列风机偏转风剖面连续可调的风洞主动模拟方法，所述方法步骤如下：

步骤一：首先将目标扭转风剖面分解为顺风向分量u₀(z)与横风向分量v₀(z)，通过多个呈矩形阵列排布的粗糙元调出无偏转角度的普通顺风向分量u₀(z)，所述多个粗糙元呈矩形阵列方式摆放至风洞地面上；将多个风机按竖向摆布方式放置在风洞中，按照风洞试验经验放置位置L₁>3H，L₂>2H，

其中：L₁为风机中心至建筑模型中心在顺风向之间的距离，L₂为位于最下面的风机距离风洞地面的距离，H为建筑模型的总高度；保证建筑模型在风机不工作时不受风机体型干扰，另外，上述单个风机的功率P≈1/2*r*v₀(z)³*A；

其中：A表示单个风机的出风口面积；

r表示空气的密度；

*表示乘号×；

h₁表示矩形阵列风机的总高度h₁＝H/6，h₂表示位于最下面的风机中心距离风洞地面的高度h₂＝1.5～2H；风机直径为D，h₁＝n*D+(n-1)*s；

其中：n表示风机个数；

s表示相邻两个风机之间的距离；

步骤二：测量单个风机转速与风速的关系，二者为正比关系，根据横风向分量v₀(z)以及风机转速与风速关系，调整不同高度处风机转速，考虑到风速的耗散作用，风机出口风速v(z)应等于目标横风向风速v₀(z)的(1+st)倍，其中st为风机等效斯托洛哈数，st＝0.15～0.2；

步骤三：通过风速传感器检验扭转风剖面是否符合目标风剖面，如果是，则符合目标风剖面；如果不是，则通过微调位于最下端风机转速实现。

本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明提出了一种在风洞实验室复现扭转风剖面，且可以随时间连续调节扭转角度的新型主动模拟方法，该方法普适性比较强，适用于调节出随时间变化的多种扭转风剖面。

主动扭转风剖面实现的主要内容包括主动风机(矩形阵列排布的风机都是主动风机)以及粗糙元，其中利用粗糙元与风洞产生顺风向风剖面，利用主动风机产生横风向风速剖面，通过调节顺风向和横风向风速的大小实现不同高度扭转风偏角。

附图说明

图1是粗糙元和风机布置的示意图；

图2是模拟风剖面与目标风剖面的对比图；图中横坐标表示风速比，即高度(此处高度表示距离地面的高度)为z处的风速与参考高度H(即选取建筑模型总高度H为参考高度)处的风速之比；横坐标表示高度比，即z处高度与建筑模型总高度H的比值；

图3是模拟扭转角剖面与目标扭转角的对比图；横坐标表示高度(此处高度表示距离地面的高度)为z处扭转角；纵坐标表示高度比，即z处高度与建筑模型的总高度比值。

具体实施方式

具体实施方式一：一种基于阵列风机偏转风剖面连续可调的风洞主动模拟方法，所述方法步骤如下：

步骤一：首先将目标扭转风剖面分解为顺风向分量u₀(z)与横风向分量v₀(z)，通过多个呈矩形阵列排布的粗糙元调出无偏转角度的普通顺风向分量u₀(z)，所述多个粗糙元呈矩形阵列方式摆放至风洞地面上；将多个风机(优选5个)按竖向摆布方式放置在风洞中，按照风洞试验经验放置位置L₁>3H，L₂>2H(如图1所示)，

其中：L₁为风机中心至建筑模型中心在顺风向之间的距离，L₂为位于最下面的风机距离风洞地面的距离，H为建筑模型的总高度；保证建筑模型在风机不工作时不受风机体型干扰，另外，上述单个风机的功率P≈1/2*r*v₀(z)³*A；

其中：A表示单个风机的出风口面积；

r表示空气的密度；

*表示乘号×；

h₁表示矩形阵列风机的总高度h₁＝H/6，h₂表示位于最下面的风机中心距离风洞地面的高度h₂＝1.5～2H；风机直径为D，h₁＝n*D+(n-1)*s；

其中：n表示风机个数；

s表示相邻两个风机之间的距离；

步骤二：测量单个风机转速与风速的关系，二者为正比关系(可通过试验测试获得)，根据横风向分量v₀(z)以及风机转速与风速关系，调整不同高度处风机转速，考虑到风速的耗散作用，风机出口风速v(z)应等于目标横风向风速v₀(z)的(1+st)倍，其中st为风机等效斯托洛哈数，st＝0.15～0.2；

步骤三：通过风速传感器检验扭转风剖面是否符合目标风剖面(一般均可满足要求，但根据经验有时底部风偏角偏小)，如果是，则符合目标风剖面；如果不是，则通过微调位于最下端风机转速(增加转速)实现。

图2为采用该方法模拟的风剖面与目标风剖面的对比图，显然该方法可以准确模拟扭转风剖面，如图3所示。

Claims (1)

1.一种基于阵列风机偏转风剖面连续可调的风洞主动模拟方法，其特征在于：所述方法步骤如下：

步骤一：首先将目标扭转风剖面分解为顺风向分量u₀(z)与横风向分量v₀(z)，通过多个呈矩形阵列排布的粗糙元调出无偏转角度的普通顺风向分量u₀(z)，所述多个粗糙元呈矩形阵列方式摆放至风洞地面上；将多个风机按竖向摆布方式放置在风洞中，按照风洞试验经验放置位置L₁>3H，L₂>2H，

其中：L₁为风机中心至建筑模型中心在顺风向之间的距离，L₂为位于最下面的风机距离风洞地面的距离，H为建筑模型的总高度；保证建筑模型在风机不工作时不受风机体型干扰，另外，上述单个风机的功率P≈1/2*r*v₀(z)³*A；

其中：A表示单个风机的出风口面积；

r表示空气的密度；

*表示乘号×；

h₁表示矩形阵列风机的总高度h₁＝H/6，h₂表示位于最下面的风机中心距离风洞地面的高度h₂＝1.5～2H；风机直径为D，h₁＝n*D+(n-1)*s；

其中：n表示风机个数；

s表示相邻两个风机之间的距离；

步骤二：测量单个风机转速与风速的关系，二者为正比关系，根据横风向分量v₀(z)以及风机转速与风速关系，调整不同高度处风机转速，考虑到风速的耗散作用，风机出口风速v(z)应等于目标横风向风速v₀(z)的(1+st)倍，其中st为风机等效斯托洛哈数，st＝0.15～0.2；

步骤三：通过风速传感器检验扭转风剖面是否符合目标风剖面，如果是，则符合目标风剖面；如果不是，则通过微调位于最下端风机转速实现。

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