李正農(nóng)，范曉飛，蒲 鷗，鄭義津，宮 博

(1.湖南大學(xué)建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南，長沙 410082；2.中國科學(xué)院太陽能熱利用及光伏系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

對(duì)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的研究要追溯到19世紀(jì)末，而真正定量化地研究風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力過程則始于英國學(xué)者拜格諾(R.A.Bagnold)，其結(jié)合了同時(shí)代流體力學(xué)的研究成果，經(jīng)多次沙漠考察[1-3]和一系列風(fēng)沙風(fēng)洞試驗(yàn)[4-7]，于1941年出版了至今仍是風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)研究中最重要的著作《風(fēng)沙物理及荒漠沙丘物理學(xué)》，美國土壤學(xué)家切皮爾(Chepil)[8]在拜格諾的基礎(chǔ)上注重研究了土壤或地表特性對(duì)沙粒輸移的影響，進(jìn)一步增強(qiáng)了對(duì)風(fēng)沙流的認(rèn)識(shí)與理解。20世紀(jì)60年代后，隨著高速攝影技術(shù)的興起，各國學(xué)者利用這一技術(shù)并結(jié)合理論分析對(duì)風(fēng)沙流中單一顆粒的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。Williams[9]分析了沙顆粒形狀對(duì)其運(yùn)動(dòng)以及輸沙率的影響，獲得了沙顆粒在不同高度處的粒徑分布；中國科學(xué)院的賀大良和高有廣[10]采用高速攝影技術(shù)研究了沙顆粒的躍移運(yùn)動(dòng)。至20世紀(jì)八、九十年代，研究方法逐漸趨于多樣化，包括野外觀測(cè)、數(shù)值模擬、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、理論分析等，錢寧和萬兆慧[11]、Pye和Tsoar[12]、Shao[13]也在該時(shí)期對(duì)風(fēng)沙問題的研究作出了貢獻(xiàn)，近年來，Hong等[14]、金阿芳等[15]、He等[16]、蔣紅[17]、佟鼎和黃寧[18]也對(duì)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究。

當(dāng)前國內(nèi)外對(duì)于風(fēng)沙的研究主要集中在風(fēng)沙現(xiàn)象和風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)本身，李朝妹等[19]基于雷諾平均的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)風(fēng)沙繞流建筑物的三維定常流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析建筑物周圍風(fēng)沙流場(chǎng)的分布情況和沙塵繞流建筑物的運(yùn)動(dòng)軌跡。王彥平等[20]采用氣流挾沙噴射法進(jìn)行混凝土、砂漿和水泥石的沖蝕磨損試驗(yàn)，研究風(fēng)沙流速度、沖蝕角度、沖蝕時(shí)間和沙流量對(duì)混凝土、砂漿和水泥石沖蝕磨損的影響。在建筑物風(fēng)沙荷載研究方面，李正農(nóng)等[21-22]總結(jié)了目前風(fēng)沙兩相流和建筑物風(fēng)沙荷載研究中存在的問題，并通過風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)探究了風(fēng)沙對(duì)低矮建筑整體受力的影響。此外，Gránásy[23]、Sodec和Craig[24]也對(duì)建筑物的風(fēng)沙作用進(jìn)行了研究，對(duì)建筑物抗風(fēng)沙方面做出了貢獻(xiàn)。

以上研究現(xiàn)象表明，針對(duì)風(fēng)沙現(xiàn)象和運(yùn)動(dòng)本身已取得大量研究成果，但對(duì)于風(fēng)沙流場(chǎng)的特性研究以及建筑物風(fēng)沙荷載的研究還比較少，故本文通過風(fēng)洞試驗(yàn)，詳細(xì)探究了不同情況下的風(fēng)沙流場(chǎng)特性，并采用高頻動(dòng)態(tài)天平風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn) 探究了風(fēng)沙流場(chǎng)中建筑物迎風(fēng)面的沙粒沖擊力規(guī)律。

1 風(fēng)沙流場(chǎng)特性

1.1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)在中國科學(xué)院電工研究所的直流式邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行，該風(fēng)洞總長度為60 m，包括風(fēng)扇段、穩(wěn)定段、蜂窩器、收縮段、實(shí)驗(yàn)段和擴(kuò)散段部分，其中實(shí)驗(yàn)段長度為20 m，寬度3 m，高度2.5 m，邊界層厚度10 m，實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速0 m/s~30 m/s連續(xù)可調(diào)。該風(fēng)洞對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)洞進(jìn)行相應(yīng)改造，在風(fēng)洞前緣部分頂部位置增加漏沙槽裝置，并在漏沙槽底部均勻設(shè)置漏沙孔，試驗(yàn)時(shí)通過漏沙孔進(jìn)行漏沙，經(jīng)過試驗(yàn)段較長距離的擴(kuò)散，落沙能夠在模型位置處形成沙塵暴荷載邊界。通過調(diào)整漏沙孔的數(shù)量，可控制進(jìn)入試驗(yàn)段的沙量。

鑒于常規(guī)風(fēng)洞風(fēng)速測(cè)量儀器眼鏡蛇在風(fēng)沙環(huán)境中的易損性，本試驗(yàn)風(fēng)速測(cè)試采用中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所開發(fā)的防沙風(fēng)速輪廓測(cè)試儀，該測(cè)試儀沿高度1.25 m范圍內(nèi)共設(shè)10個(gè)皮托管探針，采樣頻率均為2 Hz，能夠準(zhǔn)確采集高度分別為5 mm、10 mm、15 mm、50 mm、100 mm、250 mm、500 mm、750 mm、1000 mm、1250 mm 10個(gè)高度處的風(fēng)速，該試驗(yàn)僅選取1000 mm高度范圍內(nèi)的風(fēng)速數(shù)據(jù)繪制風(fēng)剖面。梯度集沙測(cè)試儀共有50路通道，沿高度每隔2 cm設(shè)置1路通道，并在各通道連接一個(gè)集沙盒，每個(gè)通道的集沙口面積為2 cm×2 cm，共可測(cè)量高度1 m范圍內(nèi)的沙量。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)各集沙盒中的集沙采用測(cè)量精度為0.001 g的電子秤進(jìn)行稱量，可得到沙濃度沿高度方向的梯度分布。風(fēng)洞試驗(yàn)布置及試驗(yàn)儀器如圖1所示。

圖1 風(fēng)洞試驗(yàn)儀器及布置Fig.1 Wind tunnel test equipment and layout

為得到同一風(fēng)速下不同落沙量下的流場(chǎng)特性及建筑物迎風(fēng)面的沙粒沖擊力規(guī)律，本試驗(yàn)采用指示風(fēng)速13.31 m/s，該指示風(fēng)速為風(fēng)洞中凈風(fēng)狀態(tài)下1 m高度處的平均風(fēng)速，并在該指示風(fēng)速下利用漏沙裝置進(jìn)行不同孔數(shù)落沙(0.5孔、1孔、2孔，對(duì)應(yīng)落沙量分別為0.235 kg/s、0.470 kg/s、0.940 kg/s)以模擬3種沙濃度(濃度1、濃度2、濃度3)，對(duì)應(yīng)不同的風(fēng)沙環(huán)境，另外，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)同一工況采用多次重復(fù)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1.2 沙濃度

梯度集沙測(cè)試儀共有50路通道，可測(cè)量高度1 m范圍內(nèi)的沙濃度，沙濃度的計(jì)算公式如下：

式中：c/(g/m3)為沙粒濃度；Q/g為集沙量；t/s為集沙時(shí)間；A0/m2為集沙測(cè)試儀的開孔截面積；VH/(m/s)為H高度的通道集沙口處的平均風(fēng)速。

由此得到在指示風(fēng)速13.31 m/s時(shí)3種落沙濃度下的沙濃度沿高度方向上的分布如圖2所示。

圖2 指示風(fēng)速13.31 m/s下的沙濃度梯度Fig.2 Sand concentration gradient at the indicated wind speed of 13.31 m/s

由圖2可知：在同一指示風(fēng)速下，當(dāng)落沙量分別為0.235 kg/s、0.470 kg/s、0.940 kg/s時(shí)，沙濃度沿高度方向上的梯度分布具有相同的規(guī)律，即均隨著高度的增加而減小，這是因?yàn)樯沉Ｔ陲w行過程中受到自身重力的作用，故沙在運(yùn)動(dòng)過程中多集中在底部區(qū)域。另外，在落沙量分別為0.235 kg/s、0.470 kg/s、0.940 kg/s時(shí)，1 m高度內(nèi)的平均沙濃度分別為9.478 g/m3、26.237 g/m3、63.776 g/m3，即沙濃度隨落沙量的增大而增大，且其增加量隨著高度的增大而變小，這也是由沙的重力作用造成的。

1.3 風(fēng)剖面

基于1.1節(jié)中提到的試驗(yàn)設(shè)計(jì)工況，利用風(fēng)速測(cè)試儀可得到指示風(fēng)速13.31 m/s下凈風(fēng)和3種落沙濃度下的風(fēng)剖面，另外，由不同工況下的風(fēng)剖面進(jìn)行指數(shù)擬合得到各工況下的風(fēng)剖面指數(shù)如圖3所示。圖中α1、α2、α3、α4分別對(duì)應(yīng)凈風(fēng)、濃度1、濃度2、濃度3。

圖3 指示風(fēng)速13.31 m/s下的風(fēng)剖面Fig.3 The wind profile at the indicated wind speed of 13.31 m/s

由圖3可知，在指示風(fēng)速13.31 m/s時(shí)，風(fēng)剖面指數(shù)隨著沙濃度的增大而增大，在濃度3落沙時(shí)達(dá)到最大值0.254。另外，3種落沙量下風(fēng)沙場(chǎng)的風(fēng)速相對(duì)于凈風(fēng)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速均有不同程度的削減，且削減量與沙濃度有關(guān)，各落沙工況下不同高度處的風(fēng)速相對(duì)凈風(fēng)風(fēng)剖面的削減量見表1。

表1 不同落沙量下風(fēng)速相對(duì)凈風(fēng)風(fēng)速削減量Table 1 Reduction of wind speed relative to net wind speed under different falling sand amounts

由表1可知，同一指示風(fēng)速13.31 m/s下，3種落沙量下的風(fēng)速削弱值均隨高度的增大而減小，同時(shí)在該指示風(fēng)速下，濃度1、濃度2、濃度3 9個(gè)測(cè)量高度處風(fēng)速的平均削弱值分別為0.185 m/s、0.265 m/s、0.443 m/s，即3種落沙濃度下的削弱值規(guī)律為：濃度1<濃度2<濃度3。結(jié)合圖2中的沙濃度分布規(guī)律可知，沙濃度的大小與風(fēng)速的削減程度密切相關(guān)，平均削弱值分別為0.185 m/s、0.265 m/s、0.443 m/s時(shí)對(duì)應(yīng)的平均沙濃度分別為9.478 g/m3、26.237 g/m3、63.776 g/m3，即沙濃度越大，其相對(duì)凈風(fēng)的削減量也越大，在0.940 kg/s落沙量時(shí)的最大沙濃度74.651 g/m3處，風(fēng)沙場(chǎng)相對(duì)于凈風(fēng)情況下的風(fēng)速削減值最大，最大削減量為0.666 m/s。

1.4 湍流度

由風(fēng)速儀測(cè)得的風(fēng)速時(shí)程計(jì)算各高度方向上的湍流度，其計(jì)算方法為風(fēng)速樣本數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差與平均風(fēng)速的比值，即：

式中：Ii表示高度i處的湍流度；σi/(m/s)為高度i處脈動(dòng)風(fēng)速的均方根；Ui/(m/s)為高度i處的平均風(fēng)速。

因風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室為直流型風(fēng)洞，與外界連通，為探究凈風(fēng)場(chǎng)與風(fēng)沙流場(chǎng)下湍流度的變化與沙濃度的直接關(guān)系，采用多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)，且開展試驗(yàn)時(shí)根據(jù)天氣情況在風(fēng)速比較小的情況下安排試驗(yàn)，風(fēng)洞的進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口也設(shè)置了擋風(fēng)裝置以減小外界風(fēng)場(chǎng)的影響，以消除偶然誤差。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)由式(2)得到在指示風(fēng)速13.31 m/s下凈風(fēng)和3種落沙濃度下各測(cè)量高度處的湍流度分布規(guī)律如圖4所示。

圖4 指示風(fēng)速13.31 m/s下的湍流度Fig.4 The turbulence at the indicated windspeed of 13.31 m/s

由圖4可知，在同一指示風(fēng)速13.31 m/s及同一落沙濃度下，風(fēng)沙場(chǎng)湍流度的增量隨著高度的減小而增大；凈風(fēng)和含沙風(fēng)場(chǎng)下的湍流度規(guī)律保持一致，均隨著高度的增加而減小，且風(fēng)沙場(chǎng)的湍流度均大于凈風(fēng)場(chǎng)下的湍流度，詳細(xì)增量值見表2。

表2 不同落沙量下湍流度相對(duì)凈風(fēng)湍流度增加量Table 2 Increase of turbulence relative to net wind turbulence under different falling sand amount

由表2可知，同一指示風(fēng)速13.31 m/s下，3種落沙量下的湍流度增加量均隨高度的增大而減小，同時(shí)在該指示風(fēng)速下，濃度1、濃度1、濃度3 9個(gè)測(cè)量高度處湍流度的平均增量分別為0.630%、0.818%、1.287%，即3種落沙濃度下的增加量規(guī)律為：濃度1<濃度2<濃度3，而其對(duì)應(yīng)的平均沙濃度和風(fēng)速削減值分別為9.478 g/m3、26.237 g/m3、63.776 g/m3和0.185 m/s、0.265 m/s、0.443 m/s，這說明沙顆粒在削弱風(fēng)速的同時(shí)，增加了風(fēng)場(chǎng)的湍流強(qiáng)度從而使風(fēng)場(chǎng)更加紊亂，且對(duì)風(fēng)速的削弱作用和對(duì)湍流的增大作用均隨著沙濃度的增大而增大，在0.940 kg/s落沙量時(shí)的最大沙濃度74.651 g/m3處，風(fēng)沙場(chǎng)相對(duì)于凈風(fēng)情況下的湍流度增加量最大，最大增加量為2.285%。

2 天平測(cè)力試驗(yàn)

2.1 天平測(cè)力試驗(yàn)方案及設(shè)備

本試驗(yàn)測(cè)力采用的設(shè)備是45E12A4型六分量高頻動(dòng)態(tài)天平，見圖5，此天平能夠?qū)⒆饔迷谀Ｐ蜕系牧Π刺炱降闹苯亲鴺?biāo)系分解成3個(gè)互相垂直的力分量以及繞3個(gè)坐標(biāo)軸的力矩分量。測(cè)力天平主要由彈性連桿、力傳感器、十字剛性架與底座等組成。實(shí)驗(yàn)時(shí)所采用的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，包括前置放大器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)測(cè)力天平的信號(hào)通過應(yīng)變儀的放大后轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，信號(hào)經(jīng)過氣動(dòng)力分量以及頻譜處理以后，在計(jì)算機(jī)終端上以氣動(dòng)力的變化曲線及功率譜密度曲線的形式體現(xiàn)出來，進(jìn)行測(cè)力實(shí)驗(yàn)時(shí)，采樣頻率取1000 Hz，取測(cè)力天平在采樣時(shí)間內(nèi)的平均值作為迎風(fēng)面板所受的力。

圖5 高頻動(dòng)態(tài)測(cè)力天平Fig.5 High frequency dynamic force balance

本試驗(yàn)主要研究風(fēng)沙環(huán)境下建筑物迎風(fēng)面沙粒沖擊力規(guī)律，因進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)的同時(shí)擬采用足尺房屋在沙漠地區(qū)采取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方式進(jìn)行風(fēng)沙荷載的測(cè)量，為與后續(xù)的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，考慮到風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際條件，對(duì)風(fēng)場(chǎng)和試驗(yàn)?zāi)Ｐ投疾捎昧?∶10的縮尺比。雙坡屋面房屋采用縮尺比為1∶10后的模型尺寸為0.5 m×0.3 m×0.44 m，其中迎風(fēng)面尺寸為0.5 m×0.4 m，另為得出迎風(fēng)面沙粒沖擊力沿高度方向的變化規(guī)律，將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀L(fēng)面板分為相等的4份，各高度尺寸均為0.5 m×0.1 m，詳細(xì)劃分示意圖及劃分后各高度編號(hào)如圖6所示，試驗(yàn)時(shí)用測(cè)力天平分別測(cè)量各高度板在凈風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)沙場(chǎng)下所受到的力，將同一流場(chǎng)下4個(gè)高度處所受的力之和作為模型迎風(fēng)面板所受的合力。

圖6 模型迎風(fēng)面板劃分及編號(hào)Fig.6 Division and numbering of the windward panel of the model

進(jìn)行測(cè)力試驗(yàn)時(shí)保證迎風(fēng)面與來風(fēng)方向保持垂直，詳細(xì)模型布置方案示意圖如圖7所示，另本試驗(yàn)僅考慮迎風(fēng)面所受的沙粒沖擊力，故在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)保持迎風(fēng)面板與其余部分無接觸而單獨(dú)把迎風(fēng)面板固定在測(cè)力天平上，以保證天平測(cè)力結(jié)果為處于風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)沙場(chǎng)中僅迎風(fēng)面所受到的力，以免由于摩擦力的存在造成測(cè)力結(jié)果偏大。

2.2 天平測(cè)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

在進(jìn)行測(cè)力試驗(yàn)時(shí)，在凈風(fēng)場(chǎng)下，模型迎風(fēng)面所受到的力僅為風(fēng)力，而在風(fēng)沙場(chǎng)下，風(fēng)沙兩相流對(duì)模型迎風(fēng)面的作用力包括風(fēng)壓力和沙粒沖擊力，可表示為：

圖7 測(cè)力試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾肍ig.7 Model layout of force test

式中：Ffs為風(fēng)沙場(chǎng)下迎風(fēng)面所受到的力，即風(fēng)沙場(chǎng)下測(cè)力天平所測(cè)得的力；Ff為風(fēng)沙場(chǎng)下迎風(fēng)面所受到的風(fēng)壓力；Fs為風(fēng)沙場(chǎng)中迎風(fēng)面所受到的沙粒沖擊力。

因此，為求得風(fēng)沙場(chǎng)中模型迎風(fēng)面所受到的沙粒沖擊力，需將沙粒沖擊力從風(fēng)沙場(chǎng)中天平測(cè)得的力中分離出來。

風(fēng)壓是垂直于氣流方向的平面所受到的風(fēng)的壓力。根據(jù)伯努利方程可知風(fēng)壓與風(fēng)速的關(guān)系為：

式中：wp/(kN/m2)為風(fēng)壓；ρ/(kg/m3)為空氣密度；v/(m/s)為風(fēng)速。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀L(fēng)面的風(fēng)壓力與相應(yīng)迎風(fēng)面的面積有關(guān)，因試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑殡p坡屋面低矮房屋，考慮迎風(fēng)面的體型系數(shù)μs后，模型迎風(fēng)面所受到的風(fēng)壓力可表示為：

式中：F/kN為風(fēng)壓力；μs為雙坡屋面迎風(fēng)面的體型系數(shù)；ρ/(kg/m3)為空氣密度；v/(m/s)為風(fēng)速；s/m2為迎風(fēng)面的面積。

由式(5)可知，風(fēng)壓力與風(fēng)速的二次方成正比，故可采用此關(guān)系，對(duì)風(fēng)沙流場(chǎng)下的迎風(fēng)面受力進(jìn)行分離得出沙粒沖擊力如下：

式中：Ff0為凈風(fēng)場(chǎng)下迎風(fēng)面所受到的風(fēng)壓力，即凈風(fēng)場(chǎng)下測(cè)力天平所測(cè)得的力；v1為凈風(fēng)場(chǎng)下模型各等分高度范圍內(nèi)的計(jì)算風(fēng)速值，其取值為凈風(fēng)場(chǎng)下各高度范圍內(nèi)中心高度處的風(fēng)速；v2為風(fēng)沙場(chǎng)下模型各等分高度范圍內(nèi)的計(jì)算風(fēng)速值，其取值為風(fēng)沙場(chǎng)下各高度范圍內(nèi)中心高度處的風(fēng)速。

基于以上計(jì)算思路，為求得風(fēng)沙場(chǎng)下迎風(fēng)面所受的沙粒沖擊力，需測(cè)量凈風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)沙場(chǎng)下迎風(fēng)面所受到的力。

在指示風(fēng)速13.31 m/s下進(jìn)行凈風(fēng)及3種落沙量下的天平測(cè)力試驗(yàn)，得到各工況下迎風(fēng)面所受的風(fēng)壓力及沙粒沖擊力之和見表3。

表3 各工況下各高度面板風(fēng)壓力和沙粒沖擊力之和/NTable 3 The sum of wind pressure and sand impact force at different heights under different conditions

由表3可知，同一指示風(fēng)速時(shí)，在凈風(fēng)場(chǎng)及風(fēng)沙場(chǎng)下模型迎風(fēng)面所受到的力隨著高度的增大而增大，風(fēng)沙場(chǎng)下迎風(fēng)面所受的力均大于凈風(fēng)場(chǎng)下所受的力，且沙濃度越大增加值越明顯。

采用插值計(jì)算法得到各高度板中心高度處(35 cm、25 cm、15 cm、5 cm)的風(fēng)速見表4。

表4 各工況下各高度面板中心高度處風(fēng)速 /(m/s)Table 4 Wind speed at center height of each height panel under different conditions

由表3、表4及式(3)得到凈風(fēng)場(chǎng)及風(fēng)沙場(chǎng)下各高度板的風(fēng)壓力見表5。

表5 各工況下各高度面板的風(fēng)壓力 /NTable 5 Wind pressure of panels at different heights under different conditions

由表5可知，同一指示風(fēng)速下，在凈風(fēng)場(chǎng)及風(fēng)沙場(chǎng)下模型迎風(fēng)面所受到的風(fēng)壓力隨著高度的增大而增大；隨著沙濃度的增大，迎風(fēng)面所受的風(fēng)壓力呈減小趨勢(shì)，這是由沙顆粒對(duì)風(fēng)速的削減作用造成的。

由表3、表5及式(4)得到凈風(fēng)場(chǎng)及風(fēng)沙場(chǎng)下各高度板的沙粒沖擊力見表6。

表6 各工況下各高度面板的沙粒沖擊力 /NTable 6 Sand impact force of panels at different heights under different conditions

由表6可知，同一指示風(fēng)速時(shí)，在風(fēng)沙場(chǎng)作用下模型迎風(fēng)面所受到的沙粒沖擊力隨著高度的增大而減?。欢鞲叨忍幟姘寮罢麄€(gè)迎風(fēng)面所受到的沙粒沖擊力隨著沙濃度的增大而增大。

將以上各工況下整個(gè)迎風(fēng)面所受的力匯總見表7及圖8。

由表7及圖8可知，相對(duì)于凈風(fēng)情況，含沙風(fēng)場(chǎng)下模型迎風(fēng)面所測(cè)得的合力均有所增大，即風(fēng)沙荷載對(duì)于建筑物的作用要大于風(fēng)荷載的作用，這是因?yàn)轱L(fēng)傳輸給沙顆粒能量使其具有一定的動(dòng)量，當(dāng)沙顆粒與建筑物的迎風(fēng)面碰撞時(shí)，沙粒反彈，不像空氣是繞流，沙粒碰撞過程消耗的能量更大，產(chǎn)生的沖擊力也較大，相對(duì)于由于風(fēng)速削減而減小的風(fēng)壓力來講，該沖擊力要大于風(fēng)壓力的削減量。

表7 各工況下整個(gè)迎風(fēng)面的力 /NTable 7 The force of the entire windward surface under different conditions

圖8 各工況下整個(gè)迎風(fēng)面的力Fig.8 The force of the entire windward surface under different conditions

另外，由圖7和圖8可知，風(fēng)沙場(chǎng)下模型迎風(fēng)面所測(cè)得的合力隨著沙濃度的增大而增大，在濃度3落沙時(shí)達(dá)到最大值，這是因?yàn)閰⑴c碰撞的沙顆粒數(shù)增多造成的。風(fēng)壓力隨著落沙量的增大而減小，結(jié)合1.2節(jié)中風(fēng)速及沙濃度梯度分布可知，雖然落沙量增大使得風(fēng)速的削減量越大，即風(fēng)沙場(chǎng)下模型迎風(fēng)面所受到的風(fēng)壓力減小，但沙顆粒的沖擊力要大于風(fēng)壓力的削減值，從而使得天平所測(cè)得的力要隨著落沙量的增大而增大。另外，對(duì)不同落沙濃度下的沙粒沖擊力進(jìn)行分析可知，相同指示風(fēng)速下，含沙風(fēng)場(chǎng)中沙粒沖擊力隨著落沙量的增大而增大，結(jié)合圖2中的沙濃度梯度分布，即沙粒沖擊力隨著沙濃度的增大而增大，相對(duì)于凈風(fēng)下的風(fēng)壓力來講，最大落沙量下所得到的最大沙粒沖擊力值為風(fēng)壓力的21.2%。

3 結(jié)論

本文通過風(fēng)洞試驗(yàn)及高頻動(dòng)態(tài)天平測(cè)力試驗(yàn)研究了風(fēng)沙場(chǎng)的流場(chǎng)特性及風(fēng)沙環(huán)境下建筑物迎風(fēng)面所受到的沙粒沖擊力規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1) 相同指示風(fēng)速下，沙濃度隨著高度的增加而減小，同一高度處的沙濃度隨著落沙量的增大而增大；沙顆粒對(duì)風(fēng)速有削弱作用，且沙濃度越大該削弱作用越明顯；沙顆粒對(duì)湍流度有增強(qiáng)作用，且沙濃度越大，該增強(qiáng)作用越明顯。

(2) 相同指示風(fēng)速下，凈風(fēng)場(chǎng)及風(fēng)沙流場(chǎng)下建筑物迎風(fēng)面各高度處所受的風(fēng)壓力和沙粒沖擊力之和隨著隨著高度的增大而增大；風(fēng)壓力隨著高度的增大而增大；沙粒沖擊力隨著高度的增大而減小。

(3) 相同指示風(fēng)速下，建筑物整個(gè)迎風(fēng)面受到的力隨著落沙量的增大而增大；由于沙顆粒對(duì)風(fēng)速的削弱作用，迎風(fēng)面所受到的風(fēng)壓力隨著落沙量的增大而減??；沙粒沖擊力由于落沙量的增大而隨著沙濃度的增大而增大，最大達(dá)到了風(fēng)壓力的21.2%。