NF——3风洞中性大气边界层模拟装置的实验的研究.pdfVIP

第五届全国风工程及工业空气动力学学术会论文集 NF一3风洞中性大气边界层模拟装置的实验研究 上官云信 周瑞兴 郗患祥 张理 西北工业大学翼型研究中心，陕西西安710072 摘 要 本文介绍了在西北工业大学翼型研究中心^，，一3风洞使用的中性大气边 界层模拟装置实验研究的部分结果．这一模拟装置已成功地用于广安大厦风工程实 验．文中给出的研究与测定结果表明，这一装置成功地模拟了中性丈气边界层，且 具有配置方便，易于调整风剖面系数，同时还可适当模拟大气边界层湍流强度等特 点． 关键词：大气边界层(中性)，模拟装置．风洞实验，风工程． 1 引言 工业空气动力学及风工程主要是研究大气边界层里的风与地球表面上人类生产 活动及其成果间的相互作用。而这～类气动力问题，是与经典空气动力学、气象 学、气候学、结构动力学以及建筑工程等有密切联系，又加上大气边界层结构的复 杂性及不稳定性，使得问题的边界条件极为复杂，数学上描述其流场极为困难，也 很难用解析方法来处理．人们通常都借助于物理模拟——如风洞实验来取得基本设 计数据。国内外的有关研究已经表明，这一领域研究的关键问题之一是大气边界层 的正确模拟． 作为一门学科，70年代中期，国内开始有人在实验室模拟大气边界层气流，进 入八十年代后，国内这一学科发展较为活跃，解决了国民经济有关领域的不少问 题，形成了风工程研究队伍并成立了相应机构，开始有组织的研究与学术活动。 近年来，国内经济飞速发展，城市高层建筑建造日趋活跃，进～步促进了风工 程学科的发展。为了适应这～形势，西工大翼型研究中心在对国内外大气边界层模 拟方法和装置进行广泛调研的基础上，在NF一3风洞三元实验段实施了～种中性大 气边界层模拟装置，经过实验研究。在NF一3风洞形成了进行风工程实验研究的能 力。 2 中性大气边界层模拟准则及ⅣF一3风洞实施方案 所谓中性大气边界层就是等温(或不考虑其温度梯度)的大气边界层。 国内外大气边界层模拟研究已得出如下的一致意见：风工程研究中，自然风场 (大气边界层)的模拟及相似性要求可简化为： ·几何相似：要求实验物及所处的地面特征不因缩尺而产生畸变： 。运动相似：模拟的大气边界层平均速度型和湍流结构相似。国外学者D∞Pn口ort 对大气层历年测定结果深入研究后提出，在整个大气边界层内(一般认为，大气边 界层的范围为1000米，而离地面100米之内为近地层)，其平均风速可用幂次规律 ·468· 的经验公式来表达，即 塑：(z-L)a (1) “， ：， 式中，z为离地面的垂直高度，“(Z)是离地z高度处的速度，酢是离地面厶高 度处(即参考点)的参考风速：乃通常取为离地面10米高度处，即Z,-=10米。 有时，为了使用方便，人们把公式(1)改写成下式，即 utz_．2：f三18 —1(2) ％ 、％7 式中，磊为大气边界层厚度，通常取为500米，1．／。即为大气边界层对应的速度，其 已十分接近来流速度(未扰动)。 Harris对大气湍流强度做了多年的实际观测，得出如下结论，大气边界层湍流强 度随离地高度的增加丽减小，底层附近可达27‰而在(z／乙)20．6之后，端流强度 保持为3％。式(1)和式(2)中的口称为风剖面系数，是表明大气边界层内速 度分布情况的重要参数。根据建筑物设计规范，因地域之地貌不同，其值也不同。 国内、外规范规定的不同地貌a值如表1所列： 表1． 不同地貌的a值 事实上，模拟了风剖面系数Ct，就等于模7．1了大气边界层速度型，也就基本上满足 了运动相似。 ·雷诺数(也=警)与罗斯贝数(Ro=袁)相等，即 (垒)实物：(生!)模型 (3) (意)实物=(袁)模型