鐘永力,晏致濤,,*,李 妍,楊小剛,蔣 森
1.重慶科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院,重慶 401331;2.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400045
下?lián)舯┝魇且环N在雷暴天氣中由強(qiáng)下沉氣流猛烈沖擊地面而形成并沿地表傳播的近地面短時(shí)破壞性強(qiáng)風(fēng)[1]。在雷暴天氣中,發(fā)生微下?lián)舯┝鞯母怕士蛇_(dá)60%~70%,產(chǎn)生的近地面強(qiáng)風(fēng)最大風(fēng)速可超過60 m/s。在世界范圍內(nèi),下?lián)舯┝髟斐闪舜罅抗こ探Y(jié)構(gòu)物的破壞[2]。
下?lián)舯┝骶哂休^強(qiáng)的突發(fā)性,較難記錄實(shí)際的下?lián)舯┝魇录?,因此,風(fēng)洞試驗(yàn)是研究下?lián)舯┝鞯闹饕侄?。?shí)驗(yàn)室研究下?lián)舯┝髌毡椴捎脹_擊射流裝置。早期,沖擊射流裝置主要用于模擬平穩(wěn)風(fēng)場(chǎng)特性,由于水平放置,一定程度上會(huì)受到地面的影響。之后,通過將噴嘴懸掛于足夠高處,盡量排除了地面的影響[3]。此類試驗(yàn)在后續(xù)研究中得到了進(jìn)一步改進(jìn),形成了移動(dòng)式壁面射流裝置[4-5]。同時(shí),可以通過控制沖擊射流閥門的開啟速度來實(shí)現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)的下?lián)舯┝髂M[6]。國(guó)內(nèi)對(duì)下?lián)舯┝鞯奈锢砟M相對(duì)較晚。浙江大學(xué)[7]與中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心[8]建成了類似的動(dòng)量沖擊射流裝置。
從物理模型角度而言,沖擊射流是模擬下?lián)舯┝鞯倪壿嬒嗨颇P汀H欢?,由于?shí)驗(yàn)室條件的限制,很難采用沖擊射流對(duì)下?lián)舯┝鏖_展大尺度、較快平移速度的試驗(yàn)研究。即便能夠快速移動(dòng),試驗(yàn)縮尺比也較小,需要較大的試驗(yàn)空間。目前,國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中最大的噴嘴直徑為4.5 m[9],對(duì)于如此大的設(shè)備,模擬下?lián)舯┝鞯钠絼?dòng)(速度可達(dá)水平風(fēng)速的1/3)是非常困難的。
由于下?lián)舯┝鞒隽鞫蔚钠骄L(fēng)速剖面符合典型的平面壁面射流特征,Lin 等[10]提出了一種新的物理模型,采用壁面射流裝置研究了二維平面內(nèi)的下?lián)舯┝鞒隽鞫蔚牧鲌?chǎng)特征,并在常規(guī)邊界層風(fēng)洞中對(duì)下?lián)舯┝鞒隽鞫芜M(jìn)行了模擬[11],實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)風(fēng)洞試驗(yàn)中的幾何縮尺(1∶100~1∶250)。但前期的研究尚未考慮下?lián)舯┝髦欣妆┰频钠絼?dòng)作用。段旻等[12]通過一個(gè)縮聚裝置在邊界層風(fēng)洞中得到了壁面射流,模擬了下?lián)舯┝髌骄L(fēng)速剖面;辛亞兵等[13]采用類似裝置研究了穩(wěn)態(tài)下?lián)舯┝髯饔孟碌拇罂邕B續(xù)剛構(gòu)橋風(fēng)振響應(yīng)。
現(xiàn)有下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)模擬試驗(yàn)裝置大部分僅模擬下?lián)舯┝鞣€(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng),而對(duì)下?lián)舯┝鞯姆欠€(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)模擬較少。實(shí)際上,空間層面的下?lián)舯┝魇侨S的,產(chǎn)生的渦系是環(huán)狀擴(kuò)散的,而采用帶協(xié)同流的壁面射流模型僅能模擬二維平面流動(dòng)情況。為了評(píng)估采用二維壁面射流模擬三維下?lián)舯┝鞒隽鞫物L(fēng)場(chǎng)的準(zhǔn)確性,Lin 等[10]對(duì)理想下?lián)舯┝鞒隽鞫蔚亩S性假設(shè)進(jìn)行了驗(yàn)證,研究表明平面壁面射流與徑向沖擊射流在橫風(fēng)向的誤差完全可以忽略;即使存在較大的分流角度,陣風(fēng)前端產(chǎn)生的正面曲率效應(yīng)對(duì)下?lián)舯┝髦行木€(移動(dòng)路徑)流場(chǎng)的影響也非常微弱??傮w來看,壁面射流模型與下?lián)舯┝鞯牧鲃?dòng)機(jī)制并不完全相同,但在造成結(jié)構(gòu)物破環(huán)的主要區(qū)域—出流段—采用壁面射流模型完全能夠模擬下?lián)舯┝鞒隽鞫物L(fēng)場(chǎng)的主要特征。
根據(jù)Joint Airport Weather Studies(JAWS)的實(shí)測(cè)總結(jié)[14],下?lián)舯┝髌茐牡拇蟾怕蕝^(qū)域主要位于出流段,占整個(gè)下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)的90%以上,如圖1所示(圖中um表示局部最大風(fēng)速)。因此,在常規(guī)邊界層風(fēng)洞中采用壁面射流方法進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn),可以實(shí)現(xiàn)更大的幾何縮尺比。本文在參考已有研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)制作了基于大氣邊界層風(fēng)洞的非穩(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)模擬裝置。在常規(guī)邊界層風(fēng)洞的基礎(chǔ)上,通過增加壁面射流噴口及風(fēng)機(jī),在噴口處布置氣動(dòng)閥門,實(shí)現(xiàn)對(duì)邊界層風(fēng)洞中下?lián)舯┝鞒隽鞫畏欠€(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)的模擬。
圖1 典型微下?lián)舯┝魇疽鈭D[14]Fig.1 Schematic diagram of micro-downburst[14]
試驗(yàn)在重慶大學(xué)直流式教學(xué)風(fēng)洞中進(jìn)行。通過改進(jìn)文獻(xiàn)[10]提出的壁面射流方法并對(duì)風(fēng)洞進(jìn)行改裝,使直流式邊界層風(fēng)洞具備了壁面射流模擬功能,如圖2所示。風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸為2.4 m×1.8 m×15.0 m(寬×高×長(zhǎng))。壁面射流裝置加裝于試驗(yàn)段入口位置,通過4 個(gè)千斤頂與支架連接,可實(shí)現(xiàn)壁面射流裝置的上升與下降:當(dāng)進(jìn)行壁面射流試驗(yàn)時(shí),以千斤頂將壁面射流裝置上升至與試驗(yàn)段底面平齊;試驗(yàn)完成后,降下壁面射流裝置,可以常規(guī)使用邊界層風(fēng)洞。壁面射流裝置分為動(dòng)力段、過渡段、穩(wěn)流段、回轉(zhuǎn)段和射流噴口。動(dòng)力段采用3 臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)安裝;回轉(zhuǎn)段采用對(duì)數(shù)螺旋線設(shè)計(jì),盡量減小由于風(fēng)場(chǎng)轉(zhuǎn)向?qū)е碌娘L(fēng)速損耗;壁面射流噴口的高度b=60 mm,寬度與邊界層風(fēng)洞基本一致,最大出流速度為45 m/s。
圖2 壁面射流裝置圖Fig.2 Modifications to boundary layer wind tunnel
大多數(shù)下?lián)舯┝魍瑫r(shí)伴隨雷暴云層的平動(dòng),這種平動(dòng)會(huì)導(dǎo)致雷暴云層前端下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)速度增大,增大至峰值后迅速衰減。下?lián)舯┝鞯倪@種時(shí)變特征與常規(guī)邊界層穩(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)有著極大的不同,因此,對(duì)于平動(dòng)型下?lián)舯┝?,需要考慮其非穩(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)特性。通過在壁面射流噴口段安裝快開閥門,可以形成具有下?lián)舯┝黠L(fēng)速剖面的突變風(fēng)場(chǎng),實(shí)現(xiàn)時(shí)變下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)的試驗(yàn)?zāi)M;通過閥門控制壁面射流的流量大小,實(shí)現(xiàn)噴口風(fēng)速的非線性脈動(dòng)沖擊模擬。閥門快開由伸縮氣缸完成,并增加手動(dòng)節(jié)流閥以調(diào)節(jié)氣缸運(yùn)動(dòng)速度,實(shí)現(xiàn)閥門開/閉時(shí)間可調(diào)(1~10 s 范圍內(nèi)),如圖3所示。試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)采用眼鏡蛇三維脈動(dòng)風(fēng)速采集系統(tǒng)(Series 100 Cobra Probe)進(jìn)行采集,采樣頻率為512 Hz。
圖3 快開閥門裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of quick opening valve device
當(dāng)閥門保持全開、噴口出流速度為28.30 m/s 時(shí),壁面射流不同順流向位置的平均風(fēng)速剖面如圖4所示,湍流度剖面如圖5所示。圖中,x為順流向位置,y為豎直高度方向位置(坐標(biāo)系如圖2所示)。可以看出,在測(cè)量高度范圍內(nèi),基本沒有回流的出現(xiàn),隨著順流向距離的增大,風(fēng)速剖面下部的速度逐漸減小,而上部速度逐漸增大,轉(zhuǎn)折區(qū)域約在200~300 mm范圍內(nèi)。壁面射流湍流度剖面則呈現(xiàn)出明顯的雙峰特征(即內(nèi)層近壁面峰值與外層峰值),且隨著順流向距離的增大,外層峰值出現(xiàn)的豎向高度位置不斷上移。
圖4 不同順流向位置平均風(fēng)速剖面Fig.4 Mean velocity profiles at various streamwise locations
圖5 不同順流向位置湍流度剖面Fig.5 Turbulent intensity profiles at various streamwise locations
為得到壁面射流的自相似剖面,通常采用特征長(zhǎng)度與特征速度對(duì)其進(jìn)行無量綱處理[15]。壁面射流的無量綱速度剖面如圖6所示??梢钥闯?,壁面射流風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出較好的自相似性,僅在x=20b處有一定偏差,這是由于此位置壁面射流轉(zhuǎn)捩沒有完成,尚未進(jìn)入完全發(fā)展階段。風(fēng)洞試驗(yàn)與Eriksson等[16]的試驗(yàn)結(jié)果、三種典型下?lián)舯┝黠L(fēng)速剖面經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蚚17-19]非常吻合。
圖6 無量綱平均風(fēng)速剖面Fig.6 Normalized mean velocity profiles
實(shí)際上,下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)中各位置的風(fēng)速與距離下?lián)舯┝鳑_擊地面點(diǎn)的相對(duì)位置、下?lián)舯┝骼妆┰频钠絼?dòng)速度、下沉氣流的出流速度和高度以及下?lián)舯┝鞯某隽鲝?qiáng)度有關(guān),這些因素同樣具有較強(qiáng)的隨機(jī)性。因此,本文僅通過控制快開閥門的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角度,重點(diǎn)模擬下?lián)舯┝麟S時(shí)間的變化及其豎向風(fēng)速剖面,未考慮同一下?lián)舯┝魇录胁煌恢玫娘L(fēng)速分布特征。
通過手動(dòng)節(jié)流閥控制伸縮氣缸氣壓大小,調(diào)整閥門開關(guān)時(shí)間。如圖7所示,瞬態(tài)風(fēng)場(chǎng)采用2 個(gè)眼鏡蛇探頭同時(shí)進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量的豎向位置分別為30、50、80、120、200、300 和500 mm,一個(gè)探頭固定于30 mm處,另一個(gè)探頭則上下移動(dòng)。在測(cè)量不同高度的風(fēng)速時(shí),數(shù)據(jù)采集時(shí)間并不同步,因此,通過統(tǒng)一最大風(fēng)速對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn),采用固定探頭對(duì)不同高度的風(fēng)速進(jìn)行時(shí)間同步,從而更加合理地分析豎向風(fēng)場(chǎng)特征[20]。下?lián)舯┝鞯膶?shí)測(cè)記錄較少,本文選擇文獻(xiàn)中可用的安德魯斯空軍基地(Andrews AFB)下?lián)舯┝鲗?shí)測(cè)記錄作為目標(biāo)事件[1],從而得到典型的下?lián)舯┝黠L(fēng)速時(shí)程。
圖7 非穩(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)測(cè)量的探頭布置Fig.7 Probe arrangement for unsteady wind field measurement
任意高度處下?lián)舯┝鞯捻樍飨蝻L(fēng)速可以分解為確定的時(shí)變平均分量V(z,t)和 脈動(dòng)分量v′(z,t)[21]:
其中,平均風(fēng)速隨時(shí)間連續(xù)變化且能夠反映原始風(fēng)速的變化趨勢(shì)。Su 等[22]采用不同的方法研究時(shí)變平均風(fēng)速與脈動(dòng)風(fēng)速的分離,建議采用高階的離散小波變換(DWT)與總體經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)方法提取時(shí)變平均風(fēng)速,就能夠較好地反映原始風(fēng)速的變化趨勢(shì)。因此,本文采取高階的DWT 方法(采用10 階小波)進(jìn)行時(shí)變平均風(fēng)速的分離。當(dāng)閥門開啟時(shí)間為3 s、壁面射流出流速度為33.06 m/s 時(shí),x=100b處移動(dòng)探頭在不同高度時(shí)(50、80 和120 mm)固定探頭的時(shí)變平均風(fēng)速如圖8所示。圖例中的2 個(gè)高度分別表示固定探頭和移動(dòng)探頭所在的豎向高度位置。
圖8 不同測(cè)量高度風(fēng)速同步Fig.8 Wind speed synchronization of fixed probe data (unsynchronized and synchronized)
可以看出,由壁面射流裝置及閥門開關(guān)產(chǎn)生的出流速度在每次試驗(yàn)中都存在一定差異,這主要是由電機(jī)啟動(dòng)扭矩、制動(dòng)性能以及手動(dòng)節(jié)流閥中氣壓大小的不確定性所導(dǎo)致。因此,在測(cè)量風(fēng)速時(shí),移動(dòng)探頭在每個(gè)高度處進(jìn)行6 次重復(fù)試驗(yàn),挑選較為接近的幾組數(shù)據(jù)中的一組數(shù)據(jù)作為最終結(jié)果。壁面射流出流速度為33.06 m/s、主風(fēng)洞產(chǎn)出的環(huán)境風(fēng)速為6.60 m/s 時(shí),x=100b處不同高度的風(fēng)速時(shí)程以及時(shí)變平均風(fēng)速和脈動(dòng)風(fēng)速的分離如圖9所示。
從圖9可以看出,不同高度處的風(fēng)速時(shí)程都呈現(xiàn)出2 個(gè)峰值的特征,且隨著高度增大,最大平均風(fēng)速減小,說明采用本文方法能有效模擬典型下?lián)舯┝鞒隽鞫物L(fēng)速的時(shí)變特征。最大時(shí)變平均風(fēng)速豎向剖面如圖10所示(圖中陰影區(qū)域?yàn)镠jelmfelt[14]統(tǒng)計(jì)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)區(qū)間),可以看出:豎向風(fēng)速剖面表現(xiàn)出下?lián)舯┝鞯湫惋L(fēng)速剖面的基本特征,與Hjelmfelt 的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為吻合;但由于測(cè)點(diǎn)較少,且僅是取時(shí)變平均風(fēng)速的最大值,曲線并不非常平滑。
圖9 不同高度同步后的風(fēng)速時(shí)程Fig.9 Synchronized velocity time histories at various heights
圖10 最大時(shí)變平均風(fēng)速豎向剖面Fig.10 Vertical profile of maximum time-varying mean velocity
下?lián)舯┝髯畲箫L(fēng)速發(fā)生高度約為0.02~0.05D(D為下?lián)舯┝鞒隽髦睆剑23-24]。從圖4和10 可以看出,順流向x=100b處的最大風(fēng)速大約發(fā)生在豎向高度80 mm 處,可以估計(jì)出該位置的等效直徑約在2.67~1.60 m 范圍內(nèi)。Abd-Elaal 等通過大量參數(shù)分析,估計(jì)出Andrews AFB 下?lián)舯┝鞯某隽髦睆郊s為660 m[24]。因此,本文的壁面射流裝置在x=100b處模擬Andrews AFB 下?lián)舯┝鞯目s尺比約為1∶247~1∶412。出流速度為33.06 m/s 時(shí),最大時(shí)變平均風(fēng)速為15.70 m/s,Andrews AFB 下?lián)舯┝髯畲笏矔r(shí)風(fēng)速約為66.82 m/s[1],對(duì)其移動(dòng)平均后得到的最大風(fēng)速為54.21 m/s,如圖11所示,可以得到速度縮尺比為1∶3.67,需要模擬的時(shí)間縮尺比為1∶67.30~1∶112.26。從圖11可以看出,風(fēng)速?gòu)拈_始增大直至峰值所需時(shí)間約為105 s,因此需要閥門打開的時(shí)間為0.94~1.56 s。取閥門打開時(shí)間為1.50 s 進(jìn)行模擬,模擬結(jié)果如圖12所示。從圖中可以看出:風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際的下?lián)舯┝骶哂休^好的吻合度,特別是在第一個(gè)峰值處,而在第二個(gè)峰值處較實(shí)際風(fēng)場(chǎng)偏大。
圖11 Andrews AFB 下?lián)舯┝饕苿?dòng)平均風(fēng)速時(shí)程[1]Fig.11 Moving-averaged wind speed history of Andrews AFB downburst[1]
圖12 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與目標(biāo)下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)時(shí)變平均風(fēng)速對(duì)比Fig.12 Comparison of simulated and recorded time-varying mean velocity
不同順流向位置的最大風(fēng)速高度基本不變,因此,通過調(diào)節(jié)壁面射流的出流速度控制速度縮尺比,根據(jù)閥門開啟的速度控制時(shí)間縮尺比,能夠有效得到目標(biāo)風(fēng)場(chǎng)的時(shí)變風(fēng)速。
順流向x=100b處的湍流度豎向剖面如圖13所示。由于缺乏下?lián)舯┝鞯膶?shí)測(cè)湍流度豎向剖面,本文采用中國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[25]中的大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。下?lián)舯┝黠L(fēng)速具有時(shí)變特征,因此湍流度的計(jì)算并沒有固定方法。本文湍流度采用特征時(shí)間內(nèi)脈動(dòng)風(fēng)速的均方根值與最大平均風(fēng)速的比值。其中,定義特征時(shí)間為下?lián)舯┝鳑_擊地面后、風(fēng)速?gòu)拈_始急劇增大至衰減為最大風(fēng)速一半所需的時(shí)間[26]。
圖13 湍流度豎向剖面Fig.13 Vertical profiles of turbulent intensity
從圖13可以看出,風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果在近地面與規(guī)范值較為一致,當(dāng)豎向高度超過最大風(fēng)速所在高度后(0.05D,30 m),湍流度迅速增大,這是由于壁面射流風(fēng)場(chǎng)與邊界層風(fēng)場(chǎng)發(fā)生混合,渦旋的產(chǎn)生與耗散加速,這與穩(wěn)態(tài)壁面射流試驗(yàn)中得到的湍流度剖面非常類似。
風(fēng)洞試驗(yàn)x=100b、豎向高度80 mm 處的特征時(shí)間內(nèi)脈動(dòng)風(fēng)速功率譜如圖14所示,圖中同時(shí)給出von Karman 譜進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)Kolmogorov 湍流能譜假設(shè),在慣性子區(qū)內(nèi),湍流的能量將由最小尺度的渦耗散,這種渦的尺度稱為Kolmogorov 長(zhǎng)度尺度,而慣性子區(qū)內(nèi)的湍流能譜滿足“?5/3 定律”。從圖中可以看出,特征時(shí)間內(nèi)脈動(dòng)風(fēng)速功率譜與30 m 處的von Karman 譜在5 Hz 之后吻合,并且符合“?5/3 定律”。
圖14 80 mm 高度處特征時(shí)間內(nèi)脈動(dòng)風(fēng)速功率譜Fig.14 PSD of residual fluctuating velocity during characteristic time at 80 mm height
從上述分析可以看出,采用壁面射流裝置能夠較好地實(shí)現(xiàn)下?lián)舯┝鞒隽鞫物L(fēng)場(chǎng)的模擬,主要包括豎向風(fēng)速剖面以及時(shí)變風(fēng)速時(shí)程。對(duì)于湍流度,由于下?lián)舯┝鞯耐牧鞫热狈?shí)測(cè)資料,無法進(jìn)行對(duì)比研究,本文僅研究了光滑壁面一種情況,尚未考慮粗糙元的設(shè)置。總體而言,采用壁面射流裝置模擬下?lián)舯┝鞣欠€(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)是較為有效的。
基于平面壁面射流模型,在邊界層風(fēng)洞中模擬了穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)下?lián)舯┝鞒隽鞫物L(fēng)場(chǎng),結(jié)果表明:
1)穩(wěn)態(tài)壁面射流湍流度剖面呈現(xiàn)出明顯的雙峰特征(內(nèi)層近壁面峰值與外層峰值),且隨著順流向距離的增大,外層峰值出現(xiàn)的豎向高度位置不斷上移;而隨著射流出流速度的增大,湍流度呈增大趨勢(shì),外層峰值出現(xiàn)的豎向高度位置也上移。
2)與中國(guó)規(guī)范湍流度相比,非穩(wěn)態(tài)壁面射流湍流度剖面在最大風(fēng)速高度以下較為接近,而在最大風(fēng)速高度之上,非穩(wěn)態(tài)壁面射流湍流度較規(guī)范值偏大。
3)采用壁面射流裝置產(chǎn)生的下?lián)舯┝鞣欠€(wěn)態(tài)出流段風(fēng)速功率譜與von Karman 譜較為吻合,且符合“–5/3 定律”。
4)基于平面壁面射流方法的下?lián)舯┝髂M試驗(yàn)裝置在邊界層風(fēng)洞中可實(shí)現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)模擬,為下?lián)舯┝魉斤L(fēng)場(chǎng)作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究打下基礎(chǔ)。