張海程，杜樹(shù)碧,2，李明水,2，秦 川

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 風(fēng)工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610031)

Tieleman等[3]對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)的平均風(fēng)壓系數(shù)比風(fēng)洞所測(cè)高出25%～50%；實(shí)測(cè)脈動(dòng)風(fēng)壓均方根與峰值風(fēng)壓為風(fēng)洞試驗(yàn)的3倍～4倍。Shu等[4]研究發(fā)現(xiàn)紊流積分尺度和紊流強(qiáng)度會(huì)對(duì)鈍體上下表面的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)造成顯著的影響。Saathoff等[5]利用均勻流場(chǎng)與格柵流場(chǎng)對(duì)短軸對(duì)稱圓柱前緣進(jìn)行測(cè)壓試驗(yàn)，研究結(jié)論表明，紊流強(qiáng)度與紊流積分尺度同時(shí)影響脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)。Bearman[6]研究結(jié)論表明來(lái)流中紊流積分尺度越大，模型迎風(fēng)面駐點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)壓均方根越大。Morrison等[7]對(duì)低矮建筑上表面前緣處脈動(dòng)風(fēng)壓與來(lái)流積分尺度的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)論表明：來(lái)流中紊流積分尺度越小，屋蓋前緣處脈動(dòng)風(fēng)壓均方根越大。Du等[8]利用不同的格柵流場(chǎng)對(duì)矩形迎風(fēng)面進(jìn)行了測(cè)壓試驗(yàn)，結(jié)論表明：脈動(dòng)風(fēng)壓均方根系數(shù)隨積分尺度的增大而增大，駐點(diǎn)附近增大程度較小，邊緣處增大幅度較大。曾加?xùn)|等[9]對(duì)寬厚比為2∶1的矩形進(jìn)行了邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)，研究結(jié)論表明：矩形高層建筑順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)荷載相關(guān)性與紊流積分尺度成正比。為研究紊流積分尺度對(duì)高層建筑表面風(fēng)壓特征的影響，本文采用1∶100和1∶200縮尺比的CAARC標(biāo)準(zhǔn)高層建筑模型為研究對(duì)象，在3種B類邊界層風(fēng)場(chǎng)中進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)，探討了紊流積分尺度對(duì)脈動(dòng)風(fēng)壓分布特性的影響。

1 試驗(yàn)安排

1.1 模型與測(cè)點(diǎn)布置

CAARC模型是聯(lián)邦航空咨詢委員會(huì)提出的一種用以檢驗(yàn)不同風(fēng)洞所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性的高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型[10]，本文共采用了1∶100和1∶200兩種縮尺比試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，兩種模型的測(cè)壓點(diǎn)均布置在模型1/4H，1/3H，1/2H，2/3H高度處(H為模型總高度)，CAARC模型原始尺寸與測(cè)點(diǎn)編號(hào)及布置如圖1所示。

(a)測(cè)點(diǎn)層高度

試驗(yàn)時(shí)測(cè)壓系統(tǒng)采用 Scanivalve電子掃描閥(DSM-4000)，測(cè)壓閥置于模型內(nèi)部，測(cè)壓管路長(zhǎng)度短于0.2 m，以減小壓力信號(hào)的幅值畸變和相位畸變[11-13]，采樣頻率為256 Hz，采樣時(shí)間為 180 s。測(cè)壓時(shí)采用TFI Cobra Probe三維脈動(dòng)風(fēng)速儀同步采集模型參考高度2/3H處的來(lái)流風(fēng)速，采樣頻率256 Hz，采樣時(shí)間為180 s。

1.2 大氣邊界層模擬

為了產(chǎn)生變化范圍較大的紊流積分尺度，本次試驗(yàn)在XNJD-1和XNJD-3風(fēng)洞中進(jìn)行。XNJD-1風(fēng)洞為雙試驗(yàn)段回流式風(fēng)洞，本文所用試驗(yàn)段截面尺寸(寬×高)為 2.4 m×2.0 m，風(fēng)速范圍為1.0～45.0 m/s；XNJD-3風(fēng)洞試驗(yàn)段截面(寬×高)為22.5 m×4.5 m，風(fēng)速范圍為1.0～16.5 m/s。XNJD-1和XNJD-3風(fēng)洞中的背景紊流度分別為1%和0.5%，滿足JGJ/T 338—2014《建筑工程風(fēng)洞試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]中2.1.3條規(guī)定“背景紊流度不應(yīng)大于2.0%”的要求。1∶100模型在XNJD-3中進(jìn)行測(cè)壓試驗(yàn)，編號(hào)為XNJD31，1∶200模型分別在XNJD-1和XNJD-3中進(jìn)行測(cè)壓試驗(yàn)，編號(hào)分別為XNJD12和XNJD32，所用風(fēng)場(chǎng)均為相應(yīng)縮尺比的B類風(fēng)場(chǎng)，由于XNJD31和XNJD32所用風(fēng)場(chǎng)均是同一個(gè)風(fēng)洞中不同比例的B類風(fēng)場(chǎng)，所以兩種邊界層模擬采用了相同的粗糙元布置，且均在尖劈底部布置了鋸齒形擋板，僅通過(guò)調(diào)節(jié)尖劈布置來(lái)改變風(fēng)場(chǎng)，XNJD31采用9個(gè)三角形尖劈，間距為2.5 m，XNJD32采用8個(gè)三角形尖劈，間距為2.8 m；XNJD12采用3個(gè)較小的三角形尖劈，并布置了15排大粗糙元，縱橫向間距為0.3 m，22排小粗糙元，縱橫向間距為0.2 m，均采用TFI Cobra Probe三維脈動(dòng)風(fēng)速儀對(duì)紊流場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量，采樣頻率為256 Hz，采樣時(shí)間180 s。

表1為各種工況時(shí)的阻塞比，最大阻塞比為4.36%，滿足JGJ/T 338—2014《建筑工程風(fēng)洞試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中1.1.10條第1款規(guī)定“阻塞比不宜大于5%，最大不應(yīng)超過(guò)8%”的要求。3種風(fēng)場(chǎng)的平均風(fēng)速剖面與紊流度剖面，如圖2所示。z為風(fēng)速測(cè)量高度，Iu為測(cè)點(diǎn)高度處的紊流度，U為測(cè)量高度處的平均風(fēng)速，U2/3H為2/3H高度處的來(lái)流平均風(fēng)速。圖2中左邊為紊流度剖面，右邊為平均風(fēng)速剖面。由圖2可知，平均風(fēng)速和紊流度均與規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)曲線吻合良好。3種風(fēng)場(chǎng)的脈動(dòng)風(fēng)速功率譜，如圖3所示。f為脈動(dòng)風(fēng)速的頻率，Su為脈動(dòng)風(fēng)速功率譜，σu為脈動(dòng)風(fēng)速均方根，由圖3可知，3種風(fēng)場(chǎng)的脈動(dòng)風(fēng)速功率譜均與Von Kármán譜吻合良好，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與Von Kármán譜進(jìn)行擬合，可以得到相應(yīng)的紊流積分尺度[15-16]。各流場(chǎng)的紊流參數(shù)如表2所示。從表2可知，平均風(fēng)速隨高度增大而增大，符合平均風(fēng)速剖面的變化規(guī)律，紊流度隨高度增大而減小，符合紊流度剖面的變化規(guī)律；表2中最小風(fēng)速為8.01 m/s，滿足JGJ/T 338—2014《建筑工程風(fēng)洞試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中1.1.11 條“測(cè)壓試驗(yàn)和測(cè)力試驗(yàn)的自由來(lái)流風(fēng)速最低不應(yīng)小于8 m/s”的要求，3種風(fēng)場(chǎng)雖然風(fēng)速不一致，但文獻(xiàn)[17]證明在常規(guī)試驗(yàn)中，雷諾數(shù)對(duì)CAARC模型試驗(yàn)結(jié)果影響可忽略不計(jì)。

表1 阻塞比

圖2 平均風(fēng)速剖面與紊流度剖面

表2 風(fēng)場(chǎng)紊流參數(shù)

縱向

表3 工況參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 數(shù)據(jù)處理

平均風(fēng)壓系數(shù)

(1)

式中:Pai為測(cè)壓點(diǎn)的平均風(fēng)壓；Pj為測(cè)壓時(shí)的靜壓，ρ為空氣密度。

脈動(dòng)風(fēng)壓均方根系數(shù)

(2)

2.2 平均風(fēng)壓系數(shù)

為了驗(yàn)證本文風(fēng)壓數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，將模型2/3H高度處的平均風(fēng)壓系數(shù)與Bristol，Monash，National Aeronautical Establishment(a,b為其所采用的兩種邊界層模擬方式)，Nmional Physical Laboratory[19]幾家國(guó)外機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，本次試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)與其他幾家機(jī)構(gòu)接近，且整個(gè)斷面的變化趨勢(shì)一致，可以認(rèn)為本文使用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠有效，且可以看出紊流積分尺度對(duì)平均風(fēng)壓系數(shù)影響不顯著，與前人研究結(jié)論相符[20-21]。

圖4 CAARC模型平均風(fēng)壓系數(shù)(z=2/3H，寬面迎風(fēng))

2.3 脈動(dòng)風(fēng)壓均方根系數(shù)

圖5 CAARC模型脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)(寬面迎風(fēng))

鑒于迎風(fēng)面脈動(dòng)風(fēng)壓主要由順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)貢獻(xiàn)，而側(cè)面和背面主要受流動(dòng)分離的控制其風(fēng)壓分布更為復(fù)雜，下面采用Du等研究中的歸一化均方根風(fēng)壓系數(shù)Λ進(jìn)一步研究了紊流積分尺度的迎風(fēng)面脈動(dòng)風(fēng)壓均方根系數(shù)的影響

(3)

圖6 CAARC模型迎風(fēng)面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)(寬面迎風(fēng))

2.4 脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜

2/3H高度處各面中點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜，如圖7所示。其中縱坐標(biāo)采用了歸一化風(fēng)譜。對(duì)于對(duì)稱結(jié)構(gòu)，迎風(fēng)面結(jié)構(gòu)中點(diǎn)即為駐點(diǎn)，由圖7所示迎風(fēng)面駐點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜可知，在低頻區(qū)間，脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜基本保持一致，由準(zhǔn)定常效應(yīng)控制；在高頻區(qū)間，脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜衰減速度快于脈動(dòng)風(fēng)速功率譜，且紊流積分尺度越小，衰減速度越快。這是由于當(dāng)來(lái)流遇到阻塞時(shí)，小渦會(huì)發(fā)生拉伸(即流動(dòng)畸變)[25]，紊流積分尺度小的來(lái)流中小渦占比更大，拉伸比例也更大，所以流速更快，風(fēng)壓更小，而大紊流積分尺度流場(chǎng)中大渦起主要控制作用，被可能拉伸的小渦占比較小，從而導(dǎo)致大紊流積分尺度流場(chǎng)中脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜與脈動(dòng)風(fēng)速功率譜趨向一致，即呈現(xiàn)準(zhǔn)定常特性。總體來(lái)說(shuō)在迎風(fēng)面駐點(diǎn)，紊流積分尺度越大，脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜越大。寬面迎風(fēng)工況下，側(cè)面和背面中點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜隨積分尺度的增大而減小，而在窄面迎風(fēng)這種結(jié)論并不顯著，這可能是由于側(cè)面和背面脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜受流動(dòng)分離、漩渦脫落、以及模型寬深比等多種因素影響，積分尺度對(duì)負(fù)壓區(qū)脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜的影響有待進(jìn)一步研究。

迎風(fēng)面

XNJD32和XNJD12寬面迎風(fēng)時(shí)模型2/3H高度處各面典型測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜，如圖8所示。總體來(lái)看，在迎風(fēng)面，側(cè)面和背風(fēng)面XNJD32和XNJD12的脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜有相似的分布，在迎風(fēng)面駐點(diǎn)以及距離較近的4號(hào)測(cè)點(diǎn)均有明顯的順風(fēng)向特征，在5號(hào)邊緣測(cè)點(diǎn)則出現(xiàn)了較強(qiáng)的漩渦脫落特征，且測(cè)點(diǎn)距離迎風(fēng)面邊緣越近，低頻區(qū)間功率譜越小，高頻區(qū)功率譜越大；側(cè)面5個(gè)測(cè)點(diǎn)都出現(xiàn)了較強(qiáng)的漩渦脫落特征，漩渦脫落頻率fs均約為0.1，且從上游區(qū)到下游區(qū)，高頻區(qū)間的功率譜逐漸增大；在背風(fēng)面，3個(gè)測(cè)點(diǎn)均有較強(qiáng)的漩渦脫落特征，在背面中點(diǎn)13號(hào)測(cè)點(diǎn)和距離背面中點(diǎn)較近的12號(hào)測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)了主導(dǎo)漩渦脫落頻率fs和諧波2fs[26],且中間13號(hào)測(cè)點(diǎn)在fs處漩渦脫落特征更明顯，12號(hào)測(cè)點(diǎn)在2fs處漩渦脫落特征更明顯，而最靠近背面邊緣的11號(hào)測(cè)點(diǎn)，其主導(dǎo)漩渦脫落頻率為2fs，由于兩種工況的漩渦脫落頻率一致，可以認(rèn)為紊流積分尺度對(duì)漩渦脫落頻率影響不明顯。對(duì)比兩種工況可知，紊流積分尺度越小，側(cè)面和背面整體的脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜越大，由圖8可知，XNJD12的漩渦脫落特征更為顯著，這可能是由于XNJD12工況的紊流積分尺度較小而引起。

迎風(fēng)面

2.5 風(fēng)壓相關(guān)性

2.5.1 水平相關(guān)性

圖9 脈動(dòng)風(fēng)壓水平相關(guān)系數(shù)

2.5.2 豎向相關(guān)性

圖10 脈動(dòng)風(fēng)壓豎向相關(guān)系數(shù)

為進(jìn)一步研究紊流積分尺度對(duì)豎向脈動(dòng)風(fēng)壓空間相關(guān)性的影響，計(jì)算了相同情況下的豎向相干函數(shù)，各面中點(diǎn)的豎向相干函數(shù)如圖11和圖12所示。由圖可知，迎風(fēng)面脈動(dòng)風(fēng)壓豎向相干函數(shù)均大于脈動(dòng)風(fēng)速豎向相干函數(shù)，即迎風(fēng)面脈動(dòng)風(fēng)壓相關(guān)性始終強(qiáng)于脈動(dòng)風(fēng)速的相關(guān)性，在側(cè)面和背面可以看出，寬面迎風(fēng)的漩渦脫落特征較窄面迎風(fēng)更為顯著，與徐安的研究一致。而豎向相干函數(shù)與紊流積分尺度呈現(xiàn)出與豎向相關(guān)系數(shù)不一致的變化規(guī)律，這可能是由于豎向脈動(dòng)風(fēng)壓相干函數(shù)受間距，模型尺寸，紊流場(chǎng)參數(shù)等多種因素的影響，因此，紊流積分尺度對(duì)豎向脈動(dòng)風(fēng)壓相干函數(shù)的影響有待于進(jìn)一步研究。

(a)迎風(fēng)面中點(diǎn)

(a)迎風(fēng)面中點(diǎn)

3 結(jié) 論

本文通過(guò)在采用不同縮尺CAARC模型在相應(yīng)縮尺B類風(fēng)場(chǎng)中的測(cè)壓試驗(yàn)，研究了紊流積分尺度的模型表面風(fēng)壓特性的影響，得出的主要結(jié)論如下：

(1)紊流積分尺度對(duì)平均風(fēng)壓系數(shù)影響較小。

(3)對(duì)于迎風(fēng)面駐點(diǎn)，在低頻區(qū)間，脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜由準(zhǔn)定常效應(yīng)控制，基本保持一致，在高頻區(qū)間，脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜衰減速度快于脈動(dòng)風(fēng)速功率譜，且紊流積分尺度越小，衰減速度越快；紊流積分尺度越小，寬面迎風(fēng)時(shí)側(cè)面與背風(fēng)面的脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜越大，迎風(fēng)面外緣點(diǎn)和背面的漩渦脫落特征更為顯著。