CN112504607B - 一种风偏角连续可调的扭转风剖面风洞试验被动模拟方法 - Google Patents

一种风偏角连续可调的扭转风剖面风洞试验被动模拟方法 Download PDF

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Abstract

一种风偏角连续可调的扭转风剖面风洞试验被动模拟方法，属于土木工程领域。单个角度连续扭转导流板制作方法；首先制作单个角度连续扭转导流板，单个角度连续扭转导流板由一块木板及多个水平设置的木条板叠合组成，每相邻两个木条板之间存在扭转角度，目标风剖面的扭转角度由不同位置的木条板发生偏转实现；整体扭转导流板系统的实现；扭转风剖面导流板系统的扭转风偏角调试；通过风速传感器检验扭转风剖面是否符合目标扭转风剖面，如果符合目标扭转风剖面则进行后续对扭转风剖面效应的风洞试验；如果扭转风剖面和目标扭转风剖面有出入，则通过增加粗糙元个数以及调整粗糙元摆放的角度，来调节底部风偏角和湍流度。本发明可以准确模拟扭转风剖面。

Description

一种风偏角连续可调的扭转风剖面风洞试验被动模拟方法
技术领域
本发明属于土木工程领域，具体涉及一种风偏角连续可调的扭转风剖面风洞试验被动模拟方法。
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。
综上所述，已有的方法均不可以获得连续可调风偏角的风剖面，因为他们的一套系统仅仅对应了一个偏转角度。诚然，可以通过制造多套vane system(偏转导流板系统)获得多个twisted(扭转)角度，但是在风洞试验中几乎不可以实现，因为多套的vane system需要繁琐的安装拆卸以及风场调试过程。
发明内容
本发明的目的是提出一种在风洞实验室复现弯曲风剖面，且可以调节扭转角度的风偏角连续可调的扭转风剖面风洞试验被动模拟方法，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的风剖面，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：一种风偏角连续可调的扭转风剖面风洞试验被动模拟方法，所述方法步骤如下：
步骤一：单个角度连续扭转导流板制作方法；
首先制作单个角度连续扭转导流板，所述单个角度连续扭转导流板由一块木板及多个水平设置的木条板叠合组成，每相邻两个所述木条板之间存在扭转角度，扭转角度为目标最大扭转风偏角θmax除以木条板个数，所述木板直立设置在最上面的木条板上，木板的高度为m，单个角度连续扭转导流板整体高度h＝(L+st)H，H为风洞试验高层建筑模型的高度，st为风洞试验高层建筑模型的斯托洛哈数，st≈0.1；每个木条板厚度为t、宽度为b、长度为L，其中：
t＝H/20，b＝8～10t，L＝2～3H；
高度为Z位置的木条板偏转的角度由下式计算得到：
θZ＝θmax×exp(r×Z/H)，
其中：r为经验参数，取-0.04～-0.12；θZ表示以高度Z位置的木条板偏转的角度；exp表示指数函数；
目标风剖面的扭转角度由不同位置的木条板发生偏转实现；
步骤二：整体扭转风剖面导流板系统的实现；
将3-4个单个角度连续扭转导流板横向并排放置在风洞试验高层建筑模型上游S2距离的位置处即组成了扭转风剖面导流板系统；其中：S2表示单个角度连续扭转导流板距离风洞试验高层建筑模型的中心距离；
所述扭转风剖面导流板系统通过多个竖杆一端支撑于风洞顶面，所述多个竖杆另一端通过底座木板与风洞地面连接，让所有单个角度连续扭转导流板与风洞稳定连接，并且多个竖杆均为伸缩调节杆，通过横杆将单个角度连续扭转导流板串成一体，所述横杆与风洞左右壁面连接；
每相邻两个竖杆之间的中心距离为S1＝1.2H；粗糙元按照生成普通风剖面摆放位置确定；为防止风剖面向下游传播时产生的耗散过大以及防止单个角度连续扭转导流板与风洞试验高层建筑模型距离太近导致风剖面不能得到充分发展，单个角度连续扭转导流板距离风洞试验高层建筑模型中心距离S2＝6～15H；
步骤三：扭转风剖面导流板系统的扭转风偏角调试；
通过风速传感器检验扭转风剖面是否符合目标扭转风剖面，如果符合目标扭转风剖面则进行后续对扭转风剖面效应的风洞试验；如果扭转风剖面和目标扭转风剖面有出入，则通过增加粗糙元个数以及调整粗糙元摆放的角度，来调节底部风偏角和湍流度，从而使风速剖面、风偏角剖面与湍流度符合目标风剖面，目标扭转风剖面由当地实测风速样本进行统计得到。
本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明的一种风偏角连续可调的扭转风剖面风洞试验被动模拟方法，被动扭转风剖面实现的主要内容包括可连续转动的曲面板(单个角度连续扭转导流板)以及粗糙元。可利用曲面板产生随高度变化的扭转剖面轮廓，扭转角度连续可调，利用粗糙元进行风剖面微调，采用该方法可以准确模拟扭转风剖面。
附图说明
图1是单个角度连续扭转导流板结构示意图；图中B表示单个木条板的宽度，t为厚度，θmax目标最大扭转风偏角；
图2是角钢的结构示意图；
图3是扭转风剖面导流板系统7在风洞的布置和安装示意图，图中水平箭头指向为来流风方向；
图4是扭转风剖面导流板系统7结构示意图；
图5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，即高度为Z处的风速与参考高度处的风速之比(参考高度选取为风洞试验高层建筑模型5的高度H)；纵坐标表示高度比即Z处高度与风洞试验高层建筑模型5高度比值；
图6是模拟扭转角剖面与目标扭转角的对比图；图中横坐标表示高度为Z处扭转角，纵坐标表示高度比，即Z处高度与风洞试验高层建筑模型5高度比值。
图1中的部件名称及标号如下：1-竖杆；2-角钢；3-底座木板。
图3中的部件名称及标号如下：1-竖杆；4-转盘(一般风洞中都会有的装置)；5-风洞试验高层建筑模型；6-粗糙元；7-扭转风剖面导流板系统；8-单个木条板；9-横杆。
具体实施方式
具体实施方式一：一种风偏角连续可调的扭转风剖面风洞试验被动模拟方法，所述方法步骤如下：
步骤一：单个角度连续扭转导流板制作方法；
首先制作(如图1所示)单个角度连续扭转导流板，所述单个角度连续扭转导流板由一块木板及多个水平设置的木条板8叠合组成，每相邻两个所述木条板8之间存在扭转角度，扭转角度为目标最大扭转风偏角θmax除以木条板8个数，所述木板直立设置在最上面的木条板8上，木板的高度为m(设置木板的作用是：使产生的扭转风剖面在顶部自然过渡)，单个角度连续扭转导流板4整体高度h＝(L+st)H，H为风洞试验高层建筑模型5的高度，st为风洞试验高层建筑模型5的斯托洛哈数，st≈0.1(也可由风洞试验测得)；每个木条板8厚度为t、宽度为b、长度为L，其中：
t＝H/20，b＝8～10t，L＝2～3H；
高度为Z位置的木条板8偏转的角度由下式计算得到：
θZ＝θmax×exp(r×Z/H)，
其中：r为经验参数，取-0.04～-0.12；θZ表示以高度Z位置的木条板8偏转的角度；exp表示指数函数；
目标风剖面的扭转角度由不同位置的木条板8发生偏转实现；
步骤二：整体扭转风剖面导流板系统7的实现；
将3-4个单个角度连续扭转导流板4横向并排放置在风洞试验高层建筑模型5上游S2距离的位置处即组成了(如图4所示的)扭转风剖面导流板系统7；其中：S2表示单个角度连续扭转导流板距离风洞试验高层建筑模型5的中心距离；
所述扭转风剖面导流板系统7通过多个竖杆1一端支撑于风洞顶面，所述多个竖杆1另一端通过底座木板3与风洞地面连接(单个角度连续扭转导流板设置在底座木板3上)，让所有单个角度连续扭转导流板与风洞稳定连接(不会被风吹跑)，并且多个竖杆1均为伸缩调节杆，通过横杆9将单个角度连续扭转导流板串成一体，所述横杆9与风洞左右壁面连接；
每相邻两个竖杆1之间的中心距离为S1＝1.2H；粗糙元6(图3中的小方块)按照生成普通风剖面摆放位置确定；为防止风剖面向下游传播时产生的耗散过大以及防止单个角度连续扭转导流板与风洞试验高层建筑模型5距离太近导致风剖面不能得到充分发展，单个角度连续扭转导流板距离风洞试验高层建筑模型5中心距离S2＝6～15H(具体距离可通过在空风洞中，设置不同距离，在风洞试验高层建筑模型5中心测量风速剖面与风偏角，选择与目标风剖面中上最为接近的距离)；
步骤三：扭转风剖面导流板系统7的扭转风偏角调试；
通过风速传感器检验扭转风剖面是否符合目标扭转风剖面，如果符合目标扭转风剖面则进行后续对扭转风剖面效应的风洞试验；如果扭转风剖面和目标扭转风剖面有出入，则通过增加粗糙元6个数以及调整粗糙元6摆放的角度，来调节底部风偏角和湍流度，从而使风速剖面、风偏角剖面与湍流度符合目标风剖面，目标扭转风剖面由当地实测风速样本进行统计得到。
进一步的是，如图2所示，步骤一中，为了防止强风对单个角度连续扭转导流板扭转角度的破坏，在木条板8与木条板8之间采用角钢2连接固定，角钢2与木条板8之间用螺栓连接。
进一步的是，步骤二中，由于风洞壁面不能打孔，因此横杆9的连接原理为：横杆9内部设有弹簧，通过弹簧压缩产生反作用将横杆9顶紧在风洞左右壁面上。
图5和图6为采用该方法模拟的风剖面与目标风剖面的对比，显然该方法可以准确模拟扭转风剖面。

Claims (3)

1.一种风偏角连续可调的扭转风剖面风洞试验被动模拟方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
步骤一：单个角度连续扭转导流板制作方法；
首先制作单个角度连续扭转导流板，所述单个角度连续扭转导流板由一块木板及多个水平设置的木条板(8)叠合组成，每相邻两个所述木条板(8)之间存在扭转角度，扭转角度为目标最大扭转风偏角θmax除以木条板(8)个数，所述木板直立设置在最上面的木条板(8)上，木板的高度为m，单个角度连续扭转导流板(4)整体高度h＝(L+st)H，H为风洞试验高层建筑模型(5)的高度，st为风洞试验高层建筑模型(5)的斯托洛哈数，st≈0.1；每个木条板(8)厚度为t、宽度为b、长度为L，其中：
t＝H/20，b＝8～10t，L＝2～3H；
高度为Z位置的木条板(8)偏转的角度由下式计算得到：
θZ＝θmax×exp(r×Z/H)，
其中：r为经验参数，取-0.04～-0.12；θZ表示以高度Z位置的木条板(8)偏转的角度；exp表示指数函数；
目标风剖面的扭转角度由不同位置的木条板(8)发生偏转实现；
步骤二：整体扭转风剖面导流板系统(7)的实现；
将3-4个单个角度连续扭转导流板(4)横向并排放置在风洞试验高层建筑模型(5)上游S2距离的位置处即组成了扭转风剖面导流板系统(7)；其中：S2表示单个角度连续扭转导流板距离风洞试验高层建筑模型(5)的中心距离；
所述扭转风剖面导流板系统(7)通过多个竖杆(1)一端支撑于风洞顶面，所述多个竖杆(1)另一端通过底座木板(3)与风洞地面连接，让所有单个角度连续扭转导流板与风洞稳定连接，并且多个竖杆(1)均为伸缩调节杆，通过横杆(9)将单个角度连续扭转导流板串成一体，所述横杆(9)与风洞左右壁面连接；
每相邻两个竖杆(1)之间的中心距离为S1＝1.2H；粗糙元(6)按照生成普通风剖面摆放位置确定；为防止风剖面向下游传播时产生的耗散过大以及防止单个角度连续扭转导流板与风洞试验高层建筑模型(5)距离太近导致风剖面不能得到充分发展，单个角度连续扭转导流板距离风洞试验高层建筑模型(5)中心距离S2＝6～15H；
步骤三：扭转风剖面导流板系统(7)的扭转风偏角调试；
通过风速传感器检验扭转风剖面是否符合目标扭转风剖面，如果符合目标扭转风剖面则进行后续对扭转风剖面效应的风洞试验；如果扭转风剖面和目标扭转风剖面有出入，则通过增加粗糙元(6)个数以及调整粗糙元(6)摆放的角度，来调节底部风偏角和湍流度，从而使风速剖面、风偏角剖面与湍流度符合目标风剖面，目标扭转风剖面由当地实测风速样本进行统计得到。
2.根据权利要求1所述的一种风偏角连续可调的扭转风剖面风洞试验被动模拟方法，其特征在于：步骤一中，为了防止强风对单个角度连续扭转导流板扭转角度的破坏，在木条板(8)与木条板(8)之间采用角钢(2)连接固定，角钢(2)与木条板(8)之间用螺栓连接。
3.根据权利要求1所述的一种风偏角连续可调的扭转风剖面风洞试验被动模拟方法，其特征在于：步骤二中，由于风洞壁面不能打孔，因此横杆(9)的连接原理为：横杆(9)内部设有弹簧，通过弹簧压缩产生反作用将横杆(9)顶紧在风洞左右壁面上。
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