振动尖塔对风洞模拟大气湍流边界层的作用-空气动力学学报.pdfVIP

第 卷 第 期 空 气 动 力 学 学 报 ， ! ! #$% ! ’$ ! 年 月 !#! !$%’()!*+! ,+)+! ， !(() * +,- !(() !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 文章编号： （ ） (!./0/!. !(() (!0(!0(1 振动尖塔对风洞模拟大气湍流边界层的作用 陈 凯，毕卫涛，魏庆鼎 （北京大学湍流与复杂系统研究国家重点实验室，北京 ((/1） 摘 要：针对大气边界层风洞模拟中常常出现的湍流度随高度衰减太快的问题，本文尝试了 一种新的被动模拟方法———振动尖塔法。该方法主要采用了具有弹性底座的尖塔型旋涡发 生器。尖塔群受风洞自由来流驱动，发生随机振动，向下游流场注入了强烈的低频扰动，致使 试验区的湍流度、积分尺度和风谱惯性子区的宽度都明显增加，改善了风洞的模拟性能。 关键词：风工程；大气边界层风洞；旋涡发生器；振动；湍流度 中图分类号： 文献标识码： 2).1 3 - 引 言 在大型建筑物设计中，风荷载、风环境等是必不可少的考虑因素，尤其是对于众多有 着复杂构形、由新材料建造的现代建筑。由于大气边界层湍流及建筑物外形的复杂性，风 洞试验一直是为设计部门提供设计依据的基本手段。 大气边界层的风洞模拟是风工程试验的一个重要环节。已有的模拟方法主要分为被 ［］ 动方法和主动方法两种类型 ，其中采用旋涡发生器、挡板和粗糙元组合的被动模拟方法 是最普遍采用的方法。一般认为应用这种方法经调试后可以基本达到模拟流场与真实大 ［］ 气边界层湍流在平均风速和湍流度的廓线，积分尺度以及风谱等几个方面的相似性! 。 在实践中，这种旋涡发生器加挡板加粗糙元的模拟方法也并非总是合用。在进行城 市高耸细长结构和高层建筑物等的大气边界层风洞模拟试验时，常会出现试验模拟的边 界层上部湍流度较小的问题。其原因在于：底层粗糙元的强扰动不能在一定的距离内有 效地扩散到相当的高度，而主要由旋涡发生器形成的高空模拟流场湍流能量又过分地衰 减。实践中解决这个问题的常见途径有两种，一是增大模型的缩尺比，这将导致模型加工 和测量上的困难；一是在流场中附加格栅，这又往往使流场风谱的模拟性能变差。 针对湍流度模拟中存在的缺陷，作者设计了一种新型大气边界层湍流风洞模拟方法 ———振动尖塔法。该方法设置了前后两排位置相间的具有弹性底座的尖塔型旋涡发生 器。在来流风速达到一定值时，尖塔群发生不规则振动，向流场注入了强烈的低频扰动， 致使测量区的湍流结构发生显著变化。实验表明，振动尖塔法模拟的大气边界层上层湍 流场的湍流度、积分尺度，以及风谱惯性子区的宽度都明显增大，取得了较好的模拟效果。 本文将对实验结果加以详述。 收稿日期： ； 修订日期： !((!00!( !((!0!0!. 基金项目：国家自然科学基金重大资助项目（ ） 万方数据 ’$ .4/4.5( 6 作者简介：陈 凯（ ），四川富顺人，北京大学力学系博士研究生 41*0 6 空 气 动 力 学 学 报