胡尚瑜, 李秋勝, 張 明

(1. 汕頭大學(xué)工學(xué)院 土木與環(huán)境工程系, 廣東 汕頭 515063; 2. 香港城市大學(xué) 建筑學(xué)及土木工程學(xué)系, 香港 999077; 3. 國電環(huán)境保護研究院有限公司 國家環(huán)境保護大氣物理模擬與污染物控制重點實驗室, 南京 210031)

0 引 言

低矮建筑的風(fēng)洞試驗通常需要采用大比例尺(大于1∶100)模型。常規(guī)風(fēng)洞限于風(fēng)洞截面和邊界效應(yīng)，低頻湍流模擬能力缺失，難以滿足湍流積分尺度相似性。目前，常規(guī)風(fēng)洞可通過增設(shè)主動湍流裝置(如振動翼柵[1-2]、振動尖塔陣[3]等)注入低頻脈動能量，對風(fēng)洞大氣邊界層低頻湍流模擬進(jìn)行改善，或通過設(shè)計陣列多風(fēng)扇風(fēng)洞[4-7]等主動風(fēng)洞，改變來流風(fēng)速，形成突變流場、定常流場或可模擬較大湍流積分尺度的流場。在常規(guī)風(fēng)洞的基礎(chǔ)上，愛荷華州立大學(xué)Haan等[8]通過設(shè)計旁路改變氣流流量，產(chǎn)生陣風(fēng)效應(yīng)的非平穩(wěn)或平穩(wěn)風(fēng)速流場。佛羅里達(dá)國際大學(xué)風(fēng)工程中心結(jié)合陣列風(fēng)扇的主動控制與傳統(tǒng)被動模擬技術(shù)研發(fā)“風(fēng)墻”裝置，模擬大縮尺比例流場[9-10]，開展了TTU標(biāo)模1∶6縮尺模型測壓相關(guān)試驗研究。美國商業(yè)與住宅安全保障中心(IBHS)Brown等[11]利用由105個直徑1.68 m的小風(fēng)扇多排陣列組成的大型風(fēng)洞實驗室(工作截面寬44.2 m、高18.3 m、實驗段長度為44.2 m)開展了1∶1全尺寸TTU標(biāo)模測壓試驗研究，并以實測結(jié)果為基準(zhǔn)，評估了全尺寸風(fēng)洞模擬試驗結(jié)果的適用性和準(zhǔn)確性。西安大略大學(xué)Hangan等[12]研制了邊界層和龍卷風(fēng)混合多功能流場模擬風(fēng)洞，開展了全尺寸低矮建筑模型風(fēng)洞試驗研究。

雖然低矮建筑全尺寸或大縮尺比例模型風(fēng)洞試驗研究[13]可以減小由縮尺模型比例引起的雷諾數(shù)效應(yīng)，但低頻湍流缺失問題更為突出。因此，有必要對湍流積分尺度和低頻湍流對低矮建筑風(fēng)壓分布規(guī)律的影響機制進(jìn)行研究。本文采用主動與被動湍流相結(jié)合的方法，在陣風(fēng)風(fēng)洞中模擬不同湍流積分尺度和湍流強度的流場，開展1∶50低矮建筑標(biāo)準(zhǔn)模型測壓試驗研究，比較分析順風(fēng)向湍流積分尺度與湍流強度對屋面氣流分離再附區(qū)域和錐形渦作用下的角部邊緣區(qū)域的平均風(fēng)壓、脈動風(fēng)壓和峰值負(fù)壓產(chǎn)生的影響程度，并以現(xiàn)場實測結(jié)果[14-17]為基準(zhǔn)，評估陣風(fēng)風(fēng)洞模擬低矮建筑標(biāo)準(zhǔn)模型測壓試驗結(jié)果的適用性。

1 風(fēng)洞試驗研究

1.1 陣風(fēng)風(fēng)洞簡介

本文風(fēng)洞試驗在國家環(huán)境保護大氣物理與污染控制重點實驗室的陣風(fēng)風(fēng)洞中開展。該風(fēng)洞試驗段工作截面寬2.5 m、高2 m，邊界層長度為20 m，常規(guī)最大風(fēng)速可達(dá)50 m/s，主動陣風(fēng)模擬最大風(fēng)速為30 m/s。如圖1所示，主動陣風(fēng)風(fēng)洞在動力段下游與整流段之間布置了一個旁路段。當(dāng)分流門關(guān)閉時，主動陣風(fēng)風(fēng)洞可視作常規(guī)、定常流速風(fēng)洞；當(dāng)旁路開啟時，主通道氣流被部分分流到旁路，使主通道中的氣流速度發(fā)生快速變化，可產(chǎn)生陣風(fēng)效應(yīng)，實現(xiàn)陣風(fēng)因子在1.1～1.6之間的周期波形的陣風(fēng)，可視作陣風(fēng)風(fēng)洞。本次試驗采用常規(guī)被動湍流模擬與主動陣風(fēng)模擬相結(jié)合的方式，可實現(xiàn)對大氣邊界層中不同湍流積分尺度流場的模擬。

圖1 主動陣風(fēng)風(fēng)洞結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 近地風(fēng)場模擬

試驗?zāi)M的流場工況分為兩大類：常規(guī)邊界層風(fēng)場和陣風(fēng)邊界層風(fēng)場。常規(guī)邊界層風(fēng)場采用尖塔和粗糙元等被動湍流模擬裝置進(jìn)行模擬生成。相關(guān)模擬的常規(guī)邊界層風(fēng)場為CBL-1和CBL-2工況。陣風(fēng)邊界層風(fēng)場(CBL-1 and Active Gust)是在常規(guī)邊界層風(fēng)場CBL-1的基礎(chǔ)上，通過旁路主動控制裝置向流場中注入低頻湍流，以達(dá)到在不顯著改變流場湍流強度的前提下增大湍流積分尺度的目的。本文平均風(fēng)速剖面以對應(yīng)現(xiàn)場實測10 m標(biāo)準(zhǔn)高度的平均風(fēng)速uref作為參考，對各高度的平均風(fēng)速進(jìn)行歸一化。圖2給出了常規(guī)邊界層風(fēng)場(2種工況)、陣風(fēng)邊界層風(fēng)場和TTU現(xiàn)場實測風(fēng)場的平均風(fēng)速剖面的對比結(jié)果?？梢钥闯觯?種工況下的風(fēng)速剖面均與實測風(fēng)速剖面非常吻合，表明增加低頻湍流分量對來流平均風(fēng)速剖面影響甚微。

圖2 平均風(fēng)速剖面

圖3給出了常規(guī)邊界層風(fēng)場、陣風(fēng)邊界層風(fēng)場和TTU現(xiàn)場實測風(fēng)場的順風(fēng)向、橫風(fēng)向和豎風(fēng)向湍流剖面的對比結(jié)果。陣風(fēng)邊界層風(fēng)場的順風(fēng)向湍流強度Iu略大于相應(yīng)的常規(guī)邊界層風(fēng)場的順風(fēng)向湍流強度；而陣風(fēng)邊界層風(fēng)場的橫風(fēng)向湍流強度Iv和豎風(fēng)向湍流強度Iw則與常規(guī)邊界層風(fēng)場的結(jié)果非常接近。CBL-1和CBL-1 and Active Gust工況下的順風(fēng)向和橫風(fēng)向湍流強度略小于現(xiàn)場實測值，豎風(fēng)向湍流強度大于實測值。

圖3 平均湍流剖面

表1列出了10 m參考高度和3.950 m平均屋面高度處(即平坡屋頂高度3.988 m與屋檐高度3.912 m的平均值)各工況的湍流強度、湍流積分尺度模擬統(tǒng)計值。CBL-1工況下，平均屋面高度順風(fēng)向湍流強度Iu、橫風(fēng)向湍流強度Iv和豎風(fēng)向湍流強度Iw的均值分別為17.3%、14.7%和9.5%，Iv/Iu、Iw/Iu分別為0.85、0.55；CBL-2工況下，3個方向的湍流強度均值分別為14.8%、10.7%和8.3%，Iv/Iu、Iw/Iu分別為0.72、0.56；而實測平均屋面高度的Iv/Iu、Iw/Iu分別為0.74、0.25。CBL-1和CBL-2工況下的湍流強度比值Iv/Iu差別顯著。

同時，由表1可知：在10 m參考高度處，CBL-1and Active Gust工況下的順風(fēng)向湍流積分尺度Lu最大可達(dá)81.5 m，約為CBL-1工況(31.0 m)的2.63倍；在3.950 m平均屋面高度處，CBL-1 and Active Gust工況下的Lu最大可達(dá)52.0 m，約為CBL-1工況(27.5 m)的1.89倍，順風(fēng)向湍流積分尺度Lu增加顯著。而常規(guī)邊界層風(fēng)場與陣風(fēng)邊界層風(fēng)場的橫風(fēng)向湍流積分尺度Lv和豎風(fēng)向湍流積分尺度Lw差別很小，且均與實測結(jié)果[17]差距較大。

圖4給出了不同湍流尺度下平均屋面高度處的順風(fēng)向、橫風(fēng)向及豎風(fēng)向脈動風(fēng)速功率譜對比(橫軸為折減頻率f=nz/uz，n為頻率，z為高度)。從圖中可見：在6×10-3

表1 主動陣風(fēng)風(fēng)洞風(fēng)場參數(shù)試驗值和現(xiàn)場實測值

圖4 平均屋面高度處的脈動風(fēng)速功率譜

1.3 TTU標(biāo)模測壓試驗

TTU原型實測屋尺寸為13.820 m×9.250 m×3.988 m，試驗采用1∶50縮尺模型，截面堵塞度0.4%，其影響可以忽略。如圖5所示，風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ偷臏y點布置及風(fēng)向角定義與現(xiàn)場實測一致[16-17]，平行屋脊方向的風(fēng)向角定義為0°，按逆時針方向增加；A-B為中軸迎風(fēng)墻面區(qū)域，B-C為中軸屋面區(qū)域，C-D為中軸背風(fēng)墻面區(qū)域。

圖5 TTU原型實測屋屋面測點布置及風(fēng)向角定義

風(fēng)壓系數(shù)定義為來流風(fēng)在建筑模型表面引起的實際壓力與平坡屋頂和屋檐平均高度處未受擾動的風(fēng)速壓力的比值，計算公式如下：

(1)

式中：Cpi(t)和pi(t)分別為第i個測點的風(fēng)壓系數(shù)和風(fēng)壓值；p∞為參考高度的靜壓；uH為平坡屋頂與屋檐平均高度處(3.950 m)未受擾動的平均風(fēng)速。

風(fēng)壓測量采用美國PSI公司的PSI8400-ESP電子壓力掃描系統(tǒng)，試驗參考風(fēng)速測量采用澳大利亞TFI公司的Cobra探針。測壓模型采用PVC板制作，滿足剛性模型的要求。測壓管路長400 mm，內(nèi)徑1 mm，采樣頻率331 Hz，采樣時間300 s。風(fēng)洞試驗參考高度風(fēng)速約15 m/s，現(xiàn)場實測平均風(fēng)速范圍為8～15 m/s，風(fēng)速比約為1∶1。時間比約為1∶50，則風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ筒蓸訒r間18 s對應(yīng)實測時間15 min。在處理試驗風(fēng)壓數(shù)據(jù)時，可將采集的總樣本300 s風(fēng)壓時程劃分為16個18 s時距的子樣本。各測點的平均風(fēng)壓系數(shù)和脈動風(fēng)壓系數(shù)為16個子樣本的均值。峰值負(fù)壓系數(shù)定義為：選取各子區(qū)間的最小風(fēng)壓系數(shù)為觀察極值樣本，將其組成一個分析樣本序列，運用廣義極值I分布模型，計算其在超越概率為78%的條件下的極值，即為峰值負(fù)壓系數(shù)。

2 試驗結(jié)果分析與驗證

2.1 湍流積分尺度對屋面中軸線區(qū)域風(fēng)壓的影響

在來流垂直于屋脊(270°)工況下，屋面中軸線上的平均風(fēng)壓系數(shù)Cp,mean、脈動風(fēng)壓系數(shù)Cp,rms和峰值負(fù)壓系數(shù)Cp=78%,extreme與來流湍流積分尺度的相關(guān)性如圖6所示。由圖6(a)可知，工況CBL-1與CBL-1 and Active Gust的屋面平均風(fēng)壓系數(shù)差別較小，表明湍流積分尺度對屋面中部區(qū)域的平均風(fēng)壓系數(shù)影響較小。由圖6(b)可知，脈動風(fēng)壓系數(shù)分布與湍流積分尺度具有較好的正相關(guān)性，在CBL-1 and Active Gust工況下，迎風(fēng)屋面屋檐邊緣區(qū)域和背風(fēng)屋面屋檐邊緣區(qū)域的脈動風(fēng)壓系數(shù)均大于CBL-1工況的試驗值(迎風(fēng)屋面屋檐區(qū)域脈動風(fēng)壓系數(shù)比CBL-1工況增大12.6%)。由圖6(c)可知，湍流積分尺度對峰值負(fù)壓系數(shù)(絕對值)的影響規(guī)律與脈動風(fēng)壓系數(shù)具有類似的趨勢和結(jié)果，湍流積分尺度與峰值負(fù)壓系數(shù)(絕對值)正相關(guān)，例如，在迎風(fēng)屋面屋檐區(qū)域，CBL-1工況下的峰值負(fù)壓系數(shù)試驗值為-3.56，CBL-1 and Active Gust工況下為-3.75，增大了約5.3%。同時，由于試驗工況的湍流強度與湍流積分尺度均小于實測，因此，實測的屋面中軸線峰值負(fù)壓系數(shù)絕對值均大于試驗值，但CBL-1 and Active Gust工況的脈動風(fēng)壓系數(shù)、峰值負(fù)壓系數(shù)與實測值更為接近，間接驗證了順風(fēng)向湍流積分尺度的模擬失真對試驗結(jié)果有一定的影響。

圖6 湍流積分尺度對270°平均風(fēng)向角屋面中軸線區(qū)域風(fēng)壓系數(shù)的影響

2.2 湍流強度對屋面中軸線區(qū)域風(fēng)壓的影響

在來流垂直于屋脊(270°)工況下，2個被動工況CBL-1和CBL-2的屋面中軸線風(fēng)壓系數(shù)結(jié)果如圖7所示：湍流強度對迎風(fēng)屋檐邊緣區(qū)域的平均風(fēng)壓系數(shù)影響顯著。湍流強度與屋面中軸線區(qū)域的各風(fēng)壓系數(shù)絕對值分布規(guī)律具有良好的正相關(guān)性。在湍流強度影響下，中軸線迎風(fēng)屋檐邊緣區(qū)域平均風(fēng)壓系數(shù)變化較大，工況CBL-1較CBL-2增大約17.1%；在迎風(fēng)屋面屋檐區(qū)域，工況CBL-1的脈動風(fēng)壓系數(shù)比CBL-2工況增大約17.7%；而峰值負(fù)壓系數(shù)受影響最為顯著，如在迎風(fēng)屋面屋檐區(qū)域，CBL-1工況的峰值負(fù)壓系數(shù)試驗值為-3.43，CBL-2工況為-2.80，前者比后者(絕對值)增大約22.5%。

2.3 湍流積分尺度對角部邊緣區(qū)域風(fēng)壓的影響

為研究湍流積分尺度對屋面角部邊緣區(qū)域風(fēng)壓的影響，選取圖5中的角部代表性測點50101、50901和50209的風(fēng)洞試驗值與文獻(xiàn)[16]選取的實測值進(jìn)行對比分析。測點風(fēng)壓系數(shù)與平均風(fēng)向角的關(guān)系如圖8～10所示。從圖8(a)、9(a)和10(a)可知：在平均風(fēng)向角180°～270°范圍內(nèi)的斜向風(fēng)工況下，對于角部邊緣區(qū)域測點的平均風(fēng)壓系數(shù)，工況CBL-1與CBL-1 and Active Gust的結(jié)果相差較小，表明湍流積分尺度對錐形渦影響下的角部邊緣區(qū)域平均風(fēng)壓影響不顯著。從圖8(b)、9(b)和10(b)可知：角部邊緣區(qū)域測點的脈動風(fēng)壓系數(shù)隨湍流積分尺度的增加而略有增大，與實測結(jié)果更加接近；工況CBL-1的試驗值小于CBL-1 and Active Gust工況，其差別主要由陣風(fēng)風(fēng)洞增加的低頻湍流分量引起，表明在風(fēng)洞試驗中湍流積分尺度和低頻湍流對錐形渦作用下的平坡屋面角部邊緣區(qū)域的脈動風(fēng)壓影響顯著，可通過準(zhǔn)定常理論修正風(fēng)洞試驗未能模擬的低頻湍流分量的影響。

圖7 湍流強度對270°平均風(fēng)向角屋面中軸線區(qū)域風(fēng)壓系數(shù)的影響

圖8 湍流積分尺度對角部測點50101平均和脈動風(fēng)壓系數(shù)的影響

2.4 湍流強度對角部邊緣區(qū)域風(fēng)壓的影響

在CBL-1和CBL-2工況下，進(jìn)一步比較分析各風(fēng)向角下測點50101、50901和50209的風(fēng)壓系數(shù)，以區(qū)分湍流強度對角部測點平均風(fēng)壓系數(shù)和脈動風(fēng)壓系數(shù)的影響。如圖11～13所示，在CBL-1工況下，50101、50901和50209測點的平均風(fēng)壓系數(shù)絕對值比CBL-2工況分別增大約14.8%、15.3%和13.9%，脈動風(fēng)壓系數(shù)分別增大約40.1%、37%和35.3%。對比2.3節(jié)中將湍流積分尺度作為影響因素的試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：與湍流積分尺度相比，湍流強度對錐形渦影響下的屋面角部邊緣區(qū)域的風(fēng)壓影響更為顯著，湍流強度起主導(dǎo)作用。因此，在低矮建筑風(fēng)洞試驗中，首先需模擬目標(biāo)湍流強度；同時需修正湍流積分尺度對脈動風(fēng)壓系數(shù)的影響。

圖9 湍流積分尺度對角部測點50901平均和脈動風(fēng)壓系數(shù)的影響

圖10 湍流積分尺度對角部測點50209平均和脈動風(fēng)壓系數(shù)的影響

圖11 湍流強度對角部測點50101平均和脈動風(fēng)壓系數(shù)的影響

圖12 湍流強度對角部測點50901平均和脈動風(fēng)壓系數(shù)的影響

圖13 湍流強度對角部測點50209平均和脈動風(fēng)壓系數(shù)的影響

3 結(jié) 論

在陣風(fēng)風(fēng)洞中開展了低矮建筑標(biāo)模(TTU)1∶50剛性模型測壓試驗，研究了順風(fēng)向湍流積分尺度與湍流強度對屋面氣流分離再附區(qū)域和錐形渦作用下的角部邊緣區(qū)域的平均風(fēng)壓、脈動風(fēng)壓和峰值負(fù)壓產(chǎn)生的影響，并與實測結(jié)果進(jìn)行了對比，得到如下結(jié)論：

(1) 基于陣風(fēng)風(fēng)洞，采用主、被動湍流相結(jié)合的方式模擬了平均風(fēng)速剖面相同而湍流剖面有增大的不同近地流場；陣風(fēng)邊界層風(fēng)場顯著增大了順風(fēng)向湍流積分尺度，同時，橫風(fēng)向、豎風(fēng)向湍流分量不受旁路主動控制的影響。

(2) 來流湍流強度對氣流分離作用下的迎風(fēng)屋面屋檐區(qū)域的平均風(fēng)壓系數(shù)、峰值負(fù)壓系數(shù)和脈動壓力系數(shù)的影響顯著；湍流積分尺度對氣流分離再附流動作用下的迎風(fēng)屋面屋檐區(qū)域的平均風(fēng)壓系數(shù)影響甚微，對脈動風(fēng)壓系數(shù)有顯著增大的效果，對峰值負(fù)壓系數(shù)有一定影響。

(3) 湍流積分尺度對錐形渦作用下的屋面角部邊緣區(qū)域的平均風(fēng)壓系數(shù)影響不大，而脈動風(fēng)壓系數(shù)隨湍流積分尺度增大略有增大；與湍流積分尺度相比，湍流強度對錐形渦影響下的屋面角部邊緣區(qū)域的平均風(fēng)壓系數(shù)、脈動風(fēng)壓系數(shù)的影響更為顯著。

致謝:感謝國電環(huán)境保護研究院有限公司田文鑫工程師提供風(fēng)洞試驗幫助；感謝桂林理工大學(xué)研究生許俊、嚴(yán)赫繪制部分插圖和表格。