劉 波

(西南交通大學(xué)風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心， 四川成都 610031)

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自然風(fēng)場被動模擬技術(shù)試驗(yàn)研究

劉 波

(西南交通大學(xué)風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心， 四川成都 610031)

隨著我國橋梁工程逐漸向著更大跨度方向發(fā)展，橋梁抗風(fēng)穩(wěn)定性逐漸成為控制大跨度橋梁設(shè)計(jì)的控制因素，風(fēng)洞試驗(yàn)是研究橋梁風(fēng)工程的重要手段。為研究自然風(fēng)場模擬技術(shù)，依托西南交通大學(xué)XNJD-3號風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，在進(jìn)行一系列試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)講述了兩種被動模擬技術(shù)的詳細(xì)過程及其優(yōu)缺點(diǎn)，同時提出了對主動模擬技術(shù)的展望。

橋梁； 抗風(fēng)穩(wěn)定性； 自然風(fēng)場； 被動模擬

隨著我國橋梁工程的發(fā)展，大跨度橋梁已經(jīng)逐漸成為了今后橋梁建設(shè)的主流。橋梁跨度越大結(jié)構(gòu)越柔，從而風(fēng)荷載對橋梁結(jié)構(gòu)的作用會更加顯著，研究大跨度橋梁抗風(fēng)穩(wěn)定性更為關(guān)鍵。風(fēng)洞試驗(yàn)作為橋梁風(fēng)工程研究的主要手段，如何準(zhǔn)確模擬橋梁所在地自然風(fēng)場成了需要解決的問題。本文依托西南交通大學(xué)XNJD-3風(fēng)洞試驗(yàn)室主要介紹風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)場被動模擬方法[1]，研究成果對橋梁抗風(fēng)試驗(yàn)有一定的指導(dǎo)意義。

1 風(fēng)場模擬裝置及測點(diǎn)布置

西南交通大學(xué)XNJD-3風(fēng)洞試驗(yàn)室是目前世界上最大的風(fēng)洞試驗(yàn)室，該試驗(yàn)室試驗(yàn)段長36 m，寬22.5 m，高4.5 m，所能模擬的風(fēng)速范圍為0～16.5 m/s，紊流度為1.0 %以下，為一座低風(fēng)速風(fēng)洞。

1.1 大氣邊界層的模擬

大氣邊界層的模擬主要是通過安裝尖塔、鋸齒板和粗糙元等裝置來實(shí)現(xiàn)，其中粗糙元為正六面體包括大尺寸粗糙元(邊長150 mm)、中尺寸粗糙元(邊長98 mm)、小尺寸粗糙元(邊長58 mm)。同時為了保證在試驗(yàn)段能產(chǎn)生比較合理的紊流區(qū)域，粗糙元擺放區(qū)域長度為尖塔高度的6倍(約為25 m)。西南交通大學(xué)XNJD-3風(fēng)洞主要采取被動模擬技術(shù)，根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中B類地表在70 m高度處的風(fēng)速參數(shù)，得到兩種邊界層的擺放形式。B類地表邊界層布置為大尺寸粗糙元橫向間距為2 m，縱向間距為1 m，前后兩行相互錯位，錯位長度為1 m，總行數(shù)為5行；中尺寸粗糙元放置方式為從大尺寸粗糙元最后一行后1 m處開始放置，橫向間距為1 m，縱向間距為1 m，前后兩行相互錯位，錯位長度為0.5 m，總行數(shù)為10行；小尺寸粗糙元放置方式為從中尺寸粗糙元最后一行后0.5 m處開始放置，橫向間距為0.5 m，縱向間距為0.5 m，前后兩行相互錯位，錯位長度為0.25 m，總行數(shù)為15行；尖塔距離邊界層距離為1.33 m，尖塔間間距為2.48 m，尖塔總數(shù)9個，其中翼板總高度為334 cm，在尖塔底部寬度為4 cm，90 cm高度處寬度為8 cm，200 cm高度處寬度為9 cm；鋸齒鋼板至于尖塔后。粗糙元放置位置、尖塔位置及翼板伸出長度具體形式如圖1所示。

1.2 測點(diǎn)布置

風(fēng)速測量采用Cobra Probe多通道風(fēng)速儀，該儀器可以實(shí)現(xiàn)多個通道同步測量，并且可以導(dǎo)出風(fēng)速時程數(shù)據(jù)，同時還可以統(tǒng)計(jì)實(shí)測平均風(fēng)速、脈動風(fēng)速以及三個方向的紊流度等參數(shù)。本次試驗(yàn)中，采用一個固定探頭和一個活動探頭來對模擬風(fēng)場進(jìn)行精確測量，其中橫向相關(guān)性的測量區(qū)間為2 m，豎向相關(guān)性的測量區(qū)間為1.4 m，橫向測點(diǎn)布置間距有0.105 m、0.3 m、0.5 m、0.75 m、1 m、1.5 m、2 m，豎向1類測點(diǎn)布置中，固定點(diǎn)距離地面0.1 m，測點(diǎn)間距為0.2 m、0.4 m、0.65 m、0.9 m、1.15 m、1.4 m，豎向2類測點(diǎn)布置中，固定點(diǎn)距離地面0.2 m，測點(diǎn)間距與豎向1類測點(diǎn)布置相同。具體測點(diǎn)布置如圖2所示。

2 紊流場模擬測試結(jié)果

2.1 紊流場平均風(fēng)速

試驗(yàn)結(jié)果表明，在B類地表邊界層模擬裝置下開機(jī)風(fēng)速1-1在風(fēng)洞中實(shí)測平均風(fēng)速約7.61 m/s，開機(jī)風(fēng)速2-2在風(fēng)洞中的實(shí)測平均風(fēng)速約10.14 m/s。邊界層模擬裝置下的平均風(fēng)速曲線如圖3所示。

從圖3中可以看出，在B類地表邊界層被動模擬中產(chǎn)生的平均風(fēng)速在風(fēng)洞的橫向分布上比較均勻，滿足風(fēng)洞試驗(yàn)要求。

2.2 模擬風(fēng)場紊流度

試驗(yàn)結(jié)果表明B類地表模擬裝置在低風(fēng)速和高風(fēng)速下的紊流度如表1所示。由表1中數(shù)據(jù)可以看出，B類地表下，無論是高風(fēng)速還是低風(fēng)速，縱向紊流度均為12.5 %，橫向和豎向紊流度均為11 %和8.9 %，基本上達(dá)到了模擬的要求，且隨風(fēng)速的增高，紊流度表現(xiàn)得較為穩(wěn)定。

2.3 紊流積分尺度

一般來說，對于被動模擬紊流場可以運(yùn)用Von Karman譜[3]對脈動風(fēng)譜進(jìn)行很好的擬合，本次試驗(yàn)中，對于Copra Probe所采集的風(fēng)速時程數(shù)據(jù)，采用Pwelch法來對風(fēng)譜進(jìn)行估計(jì)，同時運(yùn)用最小二乘法，對VonKarman譜中的積分尺度參數(shù)進(jìn)行識別，以獲取三個方向紊流積分尺度的信息。

這里取試驗(yàn)中被動模擬裝置模擬距地0.7m高度處紊流積分尺度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出：B類地表被動模擬裝置下，無論是高風(fēng)速還是低風(fēng)速，縱向紊流積分尺度為0.94～0.975m，橫向和豎向紊流積分尺度為0.38m和0.20m，基本上達(dá)到了一般風(fēng)洞試驗(yàn)的要求，且隨風(fēng)速的增高，紊流積分尺度表現(xiàn)得較為穩(wěn)定。

圖1 B類地表邊界層布置(單位:mm)

(a)測點(diǎn)橫向布置

(b)測點(diǎn)豎向1類布置 (c)測點(diǎn)豎向2類布置 圖2 風(fēng)場測點(diǎn)布置圖(單位:m)

圖3 風(fēng)洞中的平均風(fēng)速橫向分布測量結(jié)果

注：表中Iu、Iv、Iw分別表示縱向、橫向以及豎向紊流度。

表2 B類地表紊流積分尺度 m

注：表中Lu、Lv、Lw分別表示縱向、橫向以及豎向紊流積分尺度。

3 脈動風(fēng)譜

風(fēng)洞試驗(yàn)中兩種風(fēng)場被動模擬方法模擬的紊流場采用VonKarman譜進(jìn)行擬合。

(1)

(2)

圖4 B類地表模擬裝置兩類風(fēng)速下豎向脈動風(fēng)譜

從圖4可以看出，同一被動模擬紊流場中，不同風(fēng)速下的脈動風(fēng)譜的峰值基本一致，但是對應(yīng)于低風(fēng)速的風(fēng)譜峰值位置則在高風(fēng)速下脈動風(fēng)譜峰值位置之前，且低風(fēng)速下的低頻能量要高于高風(fēng)速下的低頻能量，高頻能量分布則呈相反的趨勢，高風(fēng)速下的高頻能量高于低風(fēng)速下高頻能量。簡而言之，脈動風(fēng)譜的峰值位置隨著風(fēng)速升高而升高，而且其能量分布也隨著風(fēng)速的升高向高頻部分轉(zhuǎn)移。

4 空間相關(guān)特性

試驗(yàn)中采用CobraProbe多通道風(fēng)速儀進(jìn)行風(fēng)速測量，實(shí)現(xiàn)多個通道同步采集數(shù)據(jù)，為了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，對多個工況進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。兩種風(fēng)速下各個脈動分量沿橫向相關(guān)性分別如圖5所示。

從圖5可以看出在兩種開機(jī)風(fēng)速下B類地表邊界層模擬裝置模擬的紊流場中，橫向脈動分量沿橫向的相關(guān)性大于縱向脈動分量的相關(guān)性，豎向脈動成分沿橫向的相關(guān)性最差。

5 結(jié)論

本文依托西南交通大學(xué)XNJD-3風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室對B類地表邊界層這種比較典型的紊流場被動模擬方法從布置裝置、模擬技術(shù)以及試驗(yàn)結(jié)果等三方面分析得出如下結(jié)論。

(1)B類邊界層模擬方法模擬的紊流場平均風(fēng)速橫向分布比較均勻能滿足一般風(fēng)洞試驗(yàn)的需要。

(2)B類邊界層模擬方法紊流場紊流積分尺度較小，對于小比例縮尺比模型風(fēng)洞試驗(yàn)而言能滿足要求，而對于大比例縮尺比模型而言該紊流積分尺度過小，影響試驗(yàn)精確性。

(a) 1-1風(fēng)速下橫向互相關(guān)系數(shù)

(b) 2-2風(fēng)速下橫向互相關(guān)系數(shù)圖5 兩種風(fēng)速下B類地表脈動風(fēng)空間相關(guān)性

(3)需進(jìn)一步開發(fā)可以產(chǎn)生較大紊流積分尺度的紊流場模擬方法。

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劉波(1991～)， 男， 碩士。

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[定稿日期]2016-12-22