洪藝然，李昌茂，肖云鳳，周 嬌

（重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶 401331）

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形成，同時(shí)經(jīng)由地表擴(kuò)散的近地面短時(shí)破壞性強(qiáng)風(fēng)。下?lián)舯┝髦谐叨容^小的微下?lián)舯┝鳎ㄋ匠叨龋?km）發(fā)生的頻率很高，如在雷雨天氣時(shí)發(fā)生下?lián)舯┝鞯母怕士蛇_(dá)60%～70%，在世界各地造成了大量工程結(jié)構(gòu)物的破壞。下?lián)舯┝髯饔孟螺旊娋€塔的倒塌破壞事故尤為常見[1]。對(duì)美國、澳大利亞和南非等國相關(guān)輸電線塔倒塌事故的研究表明，高達(dá)80%以上與天氣有關(guān)的輸電線塔結(jié)構(gòu)的倒塌是由雷暴天氣的下?lián)舯┝鞯葟?qiáng)風(fēng)所致。由于下?lián)舯┝鞯奈擦鞒隹趨^(qū)域的面積較沖擊中心大得多，同時(shí)破壞的大概率一般位于下?lián)舯┝鞯奈擦鞒隹趨^(qū)域，而不是沖擊中心，常常忽略下?lián)舯┝髦胁康臎_擊部分，僅僅考慮研究其水平出流段，因此風(fēng)工程所關(guān)心的下?lián)舯┝鞯牧鲌龆贾饕杏谒匠隽鞫?，該段流場已被?yàn)證為典型的平面壁面射流。鑒于以上原因，正確評(píng)估壁面射流區(qū)域流場特性是正確評(píng)估構(gòu)筑物風(fēng)荷載安全性的關(guān)鍵，討論其流場和規(guī)律也是文章研究下?lián)舯┝黠L(fēng)場特性的一種主要思路。

壁面射流的概念最早由Glauert[2]提出，其定義為一種高速射入光滑壁面上、周圍環(huán)境流體特性相同的半無限靜止流體中的射流。壁面射流通常分為兩個(gè)區(qū)域，其中內(nèi)層與邊界層相似，外層與自由剪切流相似。一般傳統(tǒng)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中幾何縮尺比是1 ∶100 ～1 ∶250，基于壁面射流的風(fēng)洞試驗(yàn)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)這個(gè)幾何縮尺，使得下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)工程研究變得有可能。根據(jù)現(xiàn)有的研究可知，當(dāng)前對(duì)壁面射流的研究作了大量的工作，但是大部分研究者只是從純理論的角度去探討壁面射流的規(guī)律，忽略了壁面粗糙度的問題。而事實(shí)上，對(duì)于出流段，壁面粗糙度對(duì)于壁面射流的各種參數(shù)影響均非常大。壁面粗糙度會(huì)明顯改變壁面射流的內(nèi)層規(guī)律，從而影響外層規(guī)律。不同地面粗糙度會(huì)顯著影響壁面射流最大風(fēng)速、最大風(fēng)速高度以及雷諾應(yīng)力。并且，壁面具有粗糙度能更加準(zhǔn)確模擬土木工程中的地貌，然而目前尚無相關(guān)研究。因此，在壁面射流中考察壁面粗糙帶來的影響有待與進(jìn)一步研究。

文章基于沖擊射流與壁面射流理論研究壁面粗糙度對(duì)下?lián)舯┝鞒隽鞫物L(fēng)場特性影響，采用布置不同粗糙壁面的方法，對(duì)靜止沖擊射流以及無協(xié)同流光滑壁面射流進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，驗(yàn)證壁面射流風(fēng)洞試驗(yàn)的可行性。同時(shí)在風(fēng)洞壁面設(shè)置粗糙元，增加壁面粗糙度，研究壁面射流在具有一定紊流度區(qū)域的流場空間分布情況，考慮壁面粗糙度對(duì)壁面射流內(nèi)層和外層的平均風(fēng)剖面與湍流特性的影響。

1 風(fēng)場特性參數(shù)研究

1.1 平均風(fēng)速剖面

目前，平均風(fēng)速剖面作為研究風(fēng)速變化的一種主要方法，也是描述風(fēng)場特性重要參數(shù)之一。風(fēng)工程中風(fēng)速剖面模型包括對(duì)數(shù)模型和指數(shù)律模型，其表達(dá)式如下：

式中：Z 為地面高度；Zb、分別為標(biāo)準(zhǔn)參考高度和標(biāo)準(zhǔn)參考高度處的平均風(fēng)速；Zz、分別為任一高度和任意高度處的平均風(fēng)速；為大氣底層內(nèi)Z'高度處的平均風(fēng)速，Z'=Z-Zd（Zd為零平均位移，m）；為表面摩擦速度；為風(fēng)剖面指數(shù)；k為馮卡曼常數(shù)，k≈0.4；Z0為地表面粗糙度。四類地面粗糙度類別所對(duì)應(yīng)的梯度風(fēng)高度ZG（粗糙度影響高度）以及指數(shù)α 的設(shè)計(jì)參考值參考如表1 所示[3]。

表1 我國地面粗糙度類別及其參數(shù)

1.2 湍流強(qiáng)度剖面

湍流強(qiáng)度定義為脈動(dòng)風(fēng)速均方根δu與平均風(fēng)速V的比值，即為：

式中：Iu為湍流強(qiáng)度；N 為單次采樣總數(shù)；ui為第i次采樣時(shí)的風(fēng)速。

Zhou Y 等[4]對(duì)ASCE7 等5 種國際規(guī)范進(jìn)行比較，得出湍流強(qiáng)度剖面統(tǒng)一的函數(shù)表達(dá)式：

式中：c 和d 為隨地形變化的常數(shù)。

2 壁面射流風(fēng)洞試驗(yàn)

試驗(yàn)在重慶大學(xué)直流式教學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。通過對(duì)直流式邊界層風(fēng)洞加裝風(fēng)機(jī)和噴嘴的改裝，該風(fēng)洞具備了壁面射流的模擬功能。試驗(yàn)尺寸為2.4m×1.8m×15m（寬×高×長）。壁面射流裝置加裝在試驗(yàn)段入口位置，通過4 個(gè)千斤頂與支架連接，實(shí)現(xiàn)了壁面射流裝置的升降。動(dòng)力段采用三臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)安裝，回轉(zhuǎn)段采用對(duì)數(shù)螺旋旋轉(zhuǎn)線設(shè)計(jì)，減少風(fēng)場轉(zhuǎn)向的風(fēng)速的損耗，壁面射流噴口的高度為60mm，寬度與邊界層風(fēng)洞基本一致。

三維風(fēng)速的測量主要采用澳大利亞TFI（Turbulence Flow Instruments）公司生產(chǎn)的眼鏡蛇三維脈動(dòng)風(fēng)速探頭。該探頭為4 孔壓力探頭，探頭外徑為2.6mm，總長約155mm，能夠準(zhǔn)確測量頻率2000Hz 的湍流場，風(fēng)速測量范圍為2 ～100m/s，精度為±0.5m/s。

2.1 穩(wěn)態(tài)風(fēng)場特性試驗(yàn)

為了得出完整的三維流場的空間分布特性，在風(fēng)場試驗(yàn)中，分別測量風(fēng)洞中心面上不同順流向距離以及不同豎向高度各點(diǎn)的水平風(fēng)速。據(jù)壁面射流先增大后減小的特殊風(fēng)剖面特征，進(jìn)行選擇測量位置。其中順流方向測量位置分布為20b、40b、60b、80b、100b、120b，（其中b 為噴射口高度，b=60mm）；而豎向測量高度分布為5mm、10mm、15mm、25mm、35mm、45mm、55mm、65mm、80mm、100mm、150mm、250mm、350mm、500mm、700mm?？紤]壁面粗糙度對(duì)風(fēng)場的影響，在風(fēng)洞中心面上布置尺寸為25mm×25mm×25mm（寬×高×長）粗糙元，噴嘴出流速度為30m/s。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 壁面射流無量綱相似性研究

根據(jù)得出的壁面射流風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，將相同粗糙度工況進(jìn)行整合對(duì)比，可以得出壁面射流風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出了較好的自相似性，平均風(fēng)速剖面在壁面內(nèi)層達(dá)到最大速度點(diǎn)，其中特性與邊界層相似，隨著高度上升，外層由于空氣動(dòng)力作用下發(fā)生自由剪切。而壁面射流湍流度剖面則呈現(xiàn)出明顯的雙峰特性，即內(nèi)、外層壁面峰值。為了得到壁面射流的自相似剖面，鐘永力等[5]采用對(duì)特征長度、特征速度與雷諾正應(yīng)力進(jìn)行無量綱處理，通過3 種風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與Eriksson 等[6]試驗(yàn)結(jié)果、Wood 模型和Oseguera 模型非常吻合，表現(xiàn)出良好的自相似特性。

3.2 粗糙元對(duì)平均風(fēng)剖面的影響

當(dāng)噴嘴口出流風(fēng)速為30m/s 時(shí)，不同粗糙度的壁面射流順流方向平均風(fēng)剖面。由此可以得出，在一定的測量高度范圍內(nèi)，相同壁面粗糙度條件下，隨著順流向距離的增大，下部速度逐漸減小，而其上部速度逐漸增大，其中轉(zhuǎn)折區(qū)域在250mm 左右。隨著壁面粗糙度的增加，風(fēng)洞下部阻塞率增大，其下部風(fēng)速逐漸減小且梯度增加，而下部風(fēng)速峰值點(diǎn)向上平移，上部風(fēng)速逐漸增大。粗糙元對(duì)壁面射流風(fēng)速剖面的影響可達(dá)到其自身高度的6 ～8倍，對(duì)上部流速影響不明顯。

3.3 粗糙元對(duì)湍流度的影響

出流速度設(shè)置相同大小的30m/s 風(fēng)速，在噴嘴口順風(fēng)向3.6m 范圍內(nèi)布置粗糙元時(shí)，根據(jù)壁面射流順流方向湍流度剖面，可以看出壁面射流湍流度剖面呈現(xiàn)出明顯的雙峰特性，即內(nèi)層近壁面峰值與外層峰值，并且隨著順流方向距離的增加，流場湍流剖面的外峰值發(fā)生位置不斷向上移動(dòng)。而隨著粗糙元的引入，風(fēng)洞近壁面粗糙度增加，增大對(duì)下部流場擾動(dòng)，近壁面湍流度發(fā)生增大。湍流度剖面內(nèi)、外峰值隨著壁面粗糙度的增加明顯增大。

4 結(jié)論

（1）通過設(shè)置1m、2.4m、3.6m 三種范圍粗糙元對(duì)壁面射流不同階段流場進(jìn)行分析，可以得出粗糙度會(huì)明顯改變壁面射流的內(nèi)層規(guī)律，從而影響外層規(guī)律。隨著地面粗糙度的變化，對(duì)壁面射流區(qū)域水平、豎向剖面、壁面射流最大風(fēng)速、最大風(fēng)速高度以及雷諾應(yīng)力會(huì)顯著影響。

（2）通過增加粗糙元的方式改變風(fēng)洞底部阻塞率，增大來流擾動(dòng)。隨著壁面粗糙度的增大，近壁面湍流度顯著增加，湍流度剖面的內(nèi)外峰值顯著變大，粗糙元對(duì)其壁面射流湍流強(qiáng)度的強(qiáng)度影響可達(dá)到自身6 ～8 倍。

壁面射流為下?lián)舯┝髯顬橹饕糠?，?duì)于輸電線路，其破壞的大概率一般位于下?lián)舯┝鞯奈擦鞒隹趨^(qū)域。對(duì)輸電塔線體系結(jié)構(gòu)的危害最大，正確評(píng)估壁面射流區(qū)域流場特性是正確評(píng)估構(gòu)筑物風(fēng)荷載安全性的關(guān)鍵。本次風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)通過增加粗糙元的方式，改變風(fēng)洞底部阻塞率，應(yīng)用于當(dāng)前各種大氣邊界層地貌。壁面具有一定的粗糙度更能夠準(zhǔn)確模擬實(shí)際土木工程中的地貌，為輸電塔線路體系抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供一個(gè)精確的研究環(huán)境和風(fēng)工程中考慮下?lián)舯┝黠L(fēng)荷載奠定理論基礎(chǔ)。研究成果對(duì)于大規(guī)模推廣開展下?lián)舯┝髦械慕Y(jié)構(gòu)風(fēng)工程試驗(yàn)具有重要的價(jià)值。