尹亞鵬，王漢封, ，李歡, ，何旭輝, ，黃致睿

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2.中南大學(xué) 高速鐵路建造技術(shù)國家工程研究中心，湖南 長沙 410075)

矩形柱體的分離再附流動(dòng)和氣動(dòng)特性不僅是結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究問題，也是大跨橋梁、高層建筑等工程實(shí)際中的熱點(diǎn)問題[1]。5︰1矩形柱體由于同時(shí)具有分離和再附2種流動(dòng)特征，是高速鐵路扁平箱梁等工程結(jié)構(gòu)的基本組成部分，因此被學(xué)者們廣泛研究[2]，且取得了許多較為成熟的研究成果[3]。WU等[4]研究表明，隨著攻角α的增加，底部表面分離剪切層會(huì)完全再附著，當(dāng)α≥4°時(shí)頂部表面為完全分離流動(dòng)。但目前鮮有學(xué)者研究附屬結(jié)構(gòu)對(duì)5︰1矩形柱體氣動(dòng)力的影響，特別是開縫式柔性膜結(jié)構(gòu)。剛性風(fēng)屏障是高速鐵路橋梁常見的附屬結(jié)構(gòu)設(shè)施[5]，關(guān)于風(fēng)屏障參數(shù)對(duì)列車橋梁氣動(dòng)力的影響，已有較多的學(xué)者進(jìn)行了研究，如關(guān)于風(fēng)屏障的透風(fēng)率[6?7]、高度[8]和百葉窗型[9]，也研究了不同形式的橋梁結(jié)構(gòu)，如高速鐵路扁平箱梁[10]、大跨度桁架橋[11]、公鐵兩用雙層橋梁[12]等。但剛性風(fēng)屏障由于具有較大的迎風(fēng)面積且會(huì)干擾流場，增加橋梁結(jié)構(gòu)的阻力和力矩[13]，在某些情況下會(huì)削弱橋梁抗風(fēng)性能。而在自然界中，生物體結(jié)構(gòu)往往是柔性和靈活的[14]，這不同于大多是剛性的工程結(jié)構(gòu)。目前在強(qiáng)化傳熱、能量收集、化工物混合等工程領(lǐng)域，柔性結(jié)構(gòu)已得到了成功應(yīng)用[15]。但是在橋梁工程領(lǐng)域，鮮有學(xué)者研究柔性膜結(jié)構(gòu)對(duì)高速鐵路扁平箱梁氣動(dòng)力的影響。為擴(kuò)大5︰1矩形柱體的研究成果，基于仿生學(xué)原理，設(shè)計(jì)一種開縫式柔性膜結(jié)構(gòu)，研究開縫式柔性膜結(jié)構(gòu)對(duì)分離再附流動(dòng)的影響，也為進(jìn)一步研究開縫式柔性膜結(jié)構(gòu)對(duì)高速鐵路扁平箱梁氣動(dòng)力的影響提供重要依據(jù)，本文采用測壓試驗(yàn)，通過改變攻角α等參數(shù)，系統(tǒng)地研究開縫式柔性膜結(jié)構(gòu)對(duì)5:1矩形柱體氣動(dòng)力的影響。

1 試驗(yàn)測試

1.1 試驗(yàn)裝置

測壓試驗(yàn)在中南大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室高速試驗(yàn)段[16]進(jìn)行，試驗(yàn)段尺寸為3 m(寬)×3 m(高)，湍流度≤0.5%，風(fēng)速可調(diào)節(jié)范圍為4～92 m/s，測壓試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑橐痪匦沃w，其尺寸為0.5 m(寬)×0.1 m(高)×1.8 m(長)(B/D=5︰1)，模型位于流場中心線位置，固定在剛性抱桿上。試驗(yàn)裝置如圖1所示。測壓試驗(yàn)通過電機(jī)調(diào)整圖1(b)處轉(zhuǎn)盤來改變攻角，精度為0.01°。采用PSI公司的DTCnet ESP-64HD壓力掃描閥系統(tǒng)進(jìn)行測壓試驗(yàn)，采樣頻率約為333.5 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為20 000。試驗(yàn)風(fēng)速為10 m/s，對(duì)應(yīng)Re為6.99×104。試驗(yàn)α在0°～+20°范圍內(nèi)變化，對(duì)應(yīng)的阻塞度變化范圍為2%～5.3%，本文所有測壓數(shù)據(jù)均未進(jìn)行阻塞度修正。矩形柱體模型外衣采用ABS板，內(nèi)部使用鋁合金芯梁作為支撐。模型兩端安裝端板，以保證繞流為二維流動(dòng)，尺寸如圖1(c)。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Test device diagram

圖2給出了每圈測壓孔的周向布置和展向(即長度方向)布置，沿展向布置4圈測壓孔R(shí)1～R4，其中R3為展向方向的中間截面，每圈周向布置70個(gè)測壓孔，測壓孔序號(hào)按順時(shí)針依次標(biāo)記為1號(hào)～70號(hào)。測壓孔外徑2 mm，通過測壓管與掃描閥連接，測壓管內(nèi)徑0.8 mm，管長350 mm。由于矩形大尺度旋渦脫落頻率約為10 Hz，頻率較低，測壓管長度對(duì)壓力幅值影響較小[17]；且所有測壓管長度均是350 mm，可以認(rèn)為測壓管長度對(duì)壓力的相位關(guān)系沒有影響，因此沒有對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。柔性膜結(jié)構(gòu)放置在矩形柱體模型頂部表面，在前緣和后緣處各放置1列，高度為0.2D(D為模型高度，D=0.1 m)，長度等于矩形模型的長度，材質(zhì)為聚乙烯塑料薄膜，厚度為0.06 mm，密度為0.92 g/cm3。

圖2 測壓孔布置圖Fig.2 Arrangement of pressure taps

圖3給出了開縫式柔性膜結(jié)構(gòu)的示意圖和實(shí)物細(xì)節(jié)，每細(xì)縫間隔0.2D，每圈測壓孔與細(xì)縫的相對(duì)位置如圖3(a)所示，R1和R2位于單獨(dú)一片柔性膜結(jié)構(gòu)的正中間，R3和R4位于兩片柔性膜結(jié)構(gòu)的縫隙處，圖3(b)為R4處的實(shí)物細(xì)節(jié)情況。

(a) 示意圖；(b) 實(shí)物細(xì)節(jié)

1.2 數(shù)據(jù)處理

掃描閥采集的數(shù)據(jù)為風(fēng)壓時(shí)程，根據(jù)公式CP=2(Pi-P∞)/ρU2∞可以計(jì)算每個(gè)測點(diǎn)i的風(fēng)壓系數(shù)CPi，CP的平均值為平均風(fēng)壓系數(shù)CˉP，CP的標(biāo)準(zhǔn)偏差值為脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)C′P。其中，Pi(t)表示掃描閥采集的第i個(gè)測點(diǎn)的時(shí)程數(shù)據(jù)，測點(diǎn)i的最大值為N=70，P∞和0.5ρU2∞分別表示試驗(yàn)段的大氣壓和來流動(dòng)風(fēng)壓，由放置在模型上游的皮托管測得。根據(jù)風(fēng)壓系數(shù)CPi，便可按照文獻(xiàn)[17]中的公式，通過壓力積分計(jì)算出模型的阻力系數(shù)CD,升力系數(shù)CL和扭矩系數(shù)CM。

2 結(jié)果分析

2.1 測試結(jié)果驗(yàn)證

圖4給出了無柔性膜結(jié)構(gòu)情況下，α=0°，R1～R4截面風(fēng)壓系數(shù)情況，可以看出沿流向各展向截面風(fēng)壓系數(shù)CP值幾乎一致，證明了試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷乃綄?duì)稱性和流動(dòng)二維性比較好。

圖4 無柔性膜結(jié)構(gòu)情況下，α=0°，R1～R4截面風(fēng)壓系數(shù)情況Fig.4 Wind pressure coefficient of R1～R4 section， without flexible film, at α=0°

圖5給出了無柔性膜結(jié)構(gòu)情況下，在α=0°時(shí)R3截面CP數(shù)值與文獻(xiàn)[3]的試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，可以看出本文結(jié)果與MANNINI等[3]的試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，且本文的脈動(dòng)風(fēng)壓測量精度較高，能夠較好地捕捉到風(fēng)壓脈動(dòng)情況。

圖5 在0°攻角下風(fēng)壓系數(shù)平均值和脈動(dòng)值Fig.5 Average value and fluctuating value of wind pressure coefficient at 0° angle of attack

2.2 柔性膜結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)壓系數(shù)CP的影響

圖6給出了無柔性膜結(jié)構(gòu)情況下，R3截面風(fēng)壓系數(shù)隨攻角α變化情況，可以看出隨著攻角的增加，底部表面CˉP和C′P的最大值均是逐漸向上游移動(dòng)，這對(duì)應(yīng)于底部表面分離泡長度的縮短，C′P最大值在向上游移動(dòng)時(shí)逐漸減小，這對(duì)應(yīng)于底部表面分離泡高度的矮化；頂部表面CˉP和C′P的最大值均是逐漸向下游移動(dòng)，這對(duì)應(yīng)于頂部表面分離泡長度的伸長，C′P最大值在0°<α<6°隨著攻角增加而增大，在6°<α<20°隨著攻角增加而減小，對(duì)應(yīng)于頂部表面流動(dòng)從分離再附流動(dòng)變?yōu)橥耆蛛x流動(dòng)，頂部表面尾角處受到了頂部分離泡和尾流中反向流的雙重作用，在6°攻角出現(xiàn)了脈動(dòng)壓力突然增大的現(xiàn)象。這與文獻(xiàn)[4]中觀察到的現(xiàn)象是一致的。

圖6 無柔性膜結(jié)構(gòu)情況下，R3截面風(fēng)壓系數(shù)隨α變化情況Fig.6 Wind pressure coefficient of R3 section varies with α, without flexible film

圖7給出了有柔性膜結(jié)構(gòu)情況下，R2截面風(fēng)壓系數(shù)隨α變化情況，可以看出隨著攻角的增加，底部表面和C′P的演化規(guī)律與圖6(a)和6(c)相似；頂部表面與圖6有所區(qū)別，最大值向上游移動(dòng)，整體壓力回升向上游移動(dòng)，最大值出現(xiàn)在上游柔性膜結(jié)構(gòu)處和下游尾緣處，上游處C′P最大值是由于柔性膜結(jié)構(gòu)拍動(dòng)造成的，下游處C′P最大值要小于無柔性膜結(jié)構(gòu)時(shí)的值，這是由于柔性膜結(jié)構(gòu)拍動(dòng)抑制了原有的旋渦脫落，并引起新的旋渦，加劇了外部氣流同柱體表面氣流的動(dòng)量交換。

圖7 有柔性膜結(jié)構(gòu)情況下，R2截面風(fēng)壓系數(shù)隨α變化情況Fig.7 Wind pressure coefficient of R2 section varies with α， with flexible film

圖8給出了有柔性膜結(jié)構(gòu)情況下，R3截面風(fēng)壓系數(shù)隨α變化情況，可以看出隨著攻角的增加，底部表面和C′P的演化規(guī)律與圖6(a)和6(c)相似；頂部表面與圖6有所區(qū)別，最大值向上游移動(dòng)，C′P最大值僅出現(xiàn)在下游尾緣處，下游處C′P最大值要小于無柔性膜結(jié)構(gòu)時(shí)的值。R3截面頂部表面上游處的C′P情況，同圖6(c)相似，由此可見單獨(dú)一片柔性膜結(jié)構(gòu)的影響區(qū)域有限，沿流向脈動(dòng)風(fēng)壓迅速衰減，對(duì)兩片之間的縫隙處影響較弱。

圖8 有柔性膜結(jié)構(gòu)情況下，R3截面風(fēng)壓系數(shù)隨α變化情況Fig.8 Wind pressure coefficient of R3 section varies with α, with flexible film

2.3 柔性膜結(jié)構(gòu)對(duì)氣動(dòng)力特性的影響

圖9給出了氣動(dòng)力系數(shù)隨攻角α的變化情況，0D表示無柔性膜結(jié)構(gòu)，0.2D表示有開縫式柔性膜結(jié)構(gòu)，可以看出，R2和R3截面雖然在開縫式柔性膜結(jié)構(gòu)的不同位置，它們?cè)陲L(fēng)壓系數(shù)CP上有一些差別，但通過壓力積分求出的氣動(dòng)力并無十分明顯的區(qū)別。但開縫式柔性膜結(jié)構(gòu)對(duì)矩形柱體的氣動(dòng)力特性有較強(qiáng)的影響，影響幅度與攻角相關(guān)；以脈動(dòng)扭矩系數(shù)降幅最大的α=4°為例，在α=4°時(shí)，平均阻力系數(shù)最大下降11.8%，平均升力系數(shù)最大下降34.5%，平均扭矩系數(shù)最大下降60.7%；脈動(dòng)阻力系數(shù)C′D最大下降66.4%，脈動(dòng)升力系數(shù)C′L最大下降68.2%，脈動(dòng)扭矩系數(shù)C′M最大下降55.0%。

圖9 氣動(dòng)力系數(shù)隨α的變化情況Fig.9 Variation of aerodynamic coefficient with the angle of attack

2.4 柔性膜結(jié)構(gòu)對(duì)展向相關(guān)性的影響

展向相關(guān)性是衡量大尺度旋渦強(qiáng)弱的重要依據(jù)[18]，通過對(duì)R1～R4截面升力系數(shù)展向相關(guān)性的分析，可以估計(jì)大尺度渦結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和尺寸。圖10給出了柔性膜結(jié)構(gòu)對(duì)升力系數(shù)展向相關(guān)性的影響。對(duì)R1～R4截面升力系數(shù)時(shí)程進(jìn)行相關(guān)性分析，可以看出，圖10(a)無柔性膜結(jié)構(gòu)時(shí)，矩形柱體各截面有較強(qiáng)的展向相關(guān)性，特別地，在0°≤α≤10°，柱體表面具有大尺度展向旋渦脫落，在12°≤α≤20°，隨攻角和展向間距的增大，柱體表面展向渦有所減弱。圖10(b)有開縫式柔性膜結(jié)構(gòu)時(shí)，在0°≤α≤6°，展向相關(guān)性得到了較為明顯地削弱，原有的大尺度展向旋渦結(jié)構(gòu)被一定程度地破壞，這是三分力系數(shù)降低的重要原因。

圖10 展向相關(guān)性隨α的變化情況Fig.10 Variation of spanwise correlation with the angle of attack

3 結(jié)論

1) 開縫式柔性膜結(jié)構(gòu)不同位置處的風(fēng)壓系數(shù)有區(qū)別，主要體現(xiàn)在頂部表面平均風(fēng)壓系數(shù)的壓力回升和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)的峰值，其本質(zhì)原因是柔性膜結(jié)構(gòu)拍動(dòng)引起的旋渦，加劇了外部氣流同柱體表面氣流的動(dòng)量交換。

2) 單獨(dú)一片柔性膜結(jié)構(gòu)的影響區(qū)域有限，沿流向脈動(dòng)風(fēng)壓迅速衰減，對(duì)兩片之間的縫隙處影響較弱。

3) 開縫式柔性膜結(jié)構(gòu)對(duì)矩形柱體的氣動(dòng)力特性有較強(qiáng)的影響，影響幅度與攻角相關(guān)。

4) 開縫式柔性膜結(jié)構(gòu)破壞了原有的大尺度展向旋渦脫落，削弱了展向相關(guān)性，降低了三分力系數(shù)。