楊 群, 于 暢, 于文文, 劉小兵

(1. 石家莊鐵道大學(xué) 省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 石家莊 050043;2. 河北省風(fēng)工程與風(fēng)能利用工程技術(shù)創(chuàng)新中心, 石家莊 050043;3. 石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院, 石家莊 050043)

方柱目前廣泛應(yīng)用于高層建筑、橋墩和橋塔等實(shí)際工程中,近年來(lái)隨著這些結(jié)構(gòu)不斷朝著更高、長(zhǎng)細(xì)比更大、阻尼更小的方向發(fā)展,使得抗風(fēng)設(shè)計(jì)成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮的部分。

研究表明,將截面進(jìn)行不同角部處理的氣動(dòng)措施因其方法簡(jiǎn)單、施工方便和氣動(dòng)性能良好等優(yōu)點(diǎn)被人們所青睞[1-3]。其中,將結(jié)構(gòu)截面進(jìn)行圓角化處理是比較常見(jiàn)的一種截面處理方式,由于結(jié)構(gòu)形狀的改變使繞流方式發(fā)生變化,與尖銳鈍體截面相比,其氣動(dòng)性往往受流態(tài)作用表現(xiàn)出較大差異[4-8]。為了能夠?qū)A角化處理對(duì)結(jié)構(gòu)氣動(dòng)特性的影響有全面的認(rèn)識(shí),不同學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。Carassale等[8]對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方柱、圓角率為0.067和0.133的方柱進(jìn)行了試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)風(fēng)向角是影響方柱氣動(dòng)特性的一個(gè)關(guān)鍵因素,圓角化處理會(huì)使方柱氣動(dòng)特性產(chǎn)生明顯轉(zhuǎn)變的風(fēng)向角減小,有限范圍內(nèi)的圓角處理不會(huì)引起周?chē)鲌?chǎng)的本質(zhì)變化。杜曉慶等[9]對(duì)比研究了標(biāo)準(zhǔn)方柱和圓角率為0.143的方柱的流場(chǎng)特性,發(fā)現(xiàn)圓角化會(huì)使方柱前角分離點(diǎn)后移,剪切層更加貼近壁面,因而氣流更容易發(fā)生再附,分離泡出現(xiàn)的風(fēng)向角會(huì)提前。杜明倩等[10]采用二維數(shù)值模擬的方法研究了雷諾數(shù)為2.25×104時(shí),0°風(fēng)向角下標(biāo)準(zhǔn)方柱和圓角率為0.1,0.2和0.3的方柱。結(jié)果表明:方柱阻力和升力的振動(dòng)幅值隨圓角半徑增加先減小后增大,當(dāng)圓角率為0.3時(shí)最大。Hinsberg等試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)圓角率小于0.29的方柱在雷諾數(shù)小于1×105時(shí)其氣動(dòng)力系數(shù)對(duì)雷諾數(shù)不敏感;當(dāng)雷諾數(shù)為1×105～1×106時(shí),其氣動(dòng)力系數(shù)隨雷諾數(shù)產(chǎn)生明顯變化。楊群等[11]對(duì)圓角率為0.3的方柱進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其氣動(dòng)特性在小風(fēng)向角時(shí)變化更加明顯。

根據(jù)以上文獻(xiàn)可知,圓角方柱氣動(dòng)特性的主要研究方法包括風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算。風(fēng)向角、圓角率及雷諾數(shù)等參數(shù)均會(huì)對(duì)圓角方柱的氣動(dòng)特性產(chǎn)生一定的影響。現(xiàn)有的研究主要采用風(fēng)洞試驗(yàn)的手段分析圓角方柱氣動(dòng)特性隨不同參數(shù)的變化規(guī)律,對(duì)氣動(dòng)特性變化的機(jī)理分析不足,且這些研究中各影響參數(shù)的變化有限,針對(duì)不同圓角率方柱在不同風(fēng)向角下氣動(dòng)特性的分析還不是十分系統(tǒng),因而難以全面掌握?qǐng)A角方柱氣動(dòng)特性隨不同參數(shù)的變化規(guī)律及其內(nèi)在機(jī)理。鑒于此,針對(duì)多個(gè)不同圓角率的方柱,在全風(fēng)向角范圍內(nèi)開(kāi)展了剛性模型測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn),詳細(xì)研究了圓角率和風(fēng)向角對(duì)方柱氣動(dòng)特性的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上,利用CFD(computational fluid dynamics)數(shù)值模擬方法對(duì)氣動(dòng)特性變化的流場(chǎng)機(jī)理進(jìn)行了探析。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)介紹

風(fēng)洞試驗(yàn)在石家莊鐵道大學(xué)大氣邊界層風(fēng)洞的高速試驗(yàn)段中進(jìn)行,該風(fēng)洞為串聯(lián)雙試驗(yàn)段回/直流邊界層風(fēng)洞,其高速試驗(yàn)段寬2.2 m,高2.0 m,試驗(yàn)段長(zhǎng)5.0 m,本試驗(yàn)流場(chǎng)為低湍流度的均勻流場(chǎng),湍流度小于等于0.2%。

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

模型截面參數(shù)與風(fēng)向角如圖1所示。為研究圓角率對(duì)方柱氣動(dòng)特性的影響規(guī)律,定義圓角率為R/D,其中D=120 mm為模型截面尺寸,R為圓角半徑,圓角率為0.1～0.4,R分別為12 mm,24 mm,36 mm和48 mm。為方便后文的描述,將方柱四個(gè)角點(diǎn)分別定義為a,b,c和d。

圖1 截面參數(shù)與風(fēng)向角示意圖Fig.1 Schematic diagram of cross section parameters and wind direction angle model

試驗(yàn)分別在模型的中心位置處沿著周向布置一圈測(cè)點(diǎn),通過(guò)電子壓力掃描閥監(jiān)測(cè)模型的表面風(fēng)壓變化情況,其中電子壓力掃描閥的采樣頻率為330 Hz,采樣時(shí)間為30 s。不同圓角率的測(cè)點(diǎn)布置略有不同,其原則為在周向上各直線(xiàn)段和各圓弧段測(cè)點(diǎn)間距相等,圓弧段測(cè)點(diǎn)間距稍小于直線(xiàn)段測(cè)點(diǎn)間距,同時(shí)保證直線(xiàn)段中點(diǎn)及圓弧段中點(diǎn)均布置有測(cè)點(diǎn)。即標(biāo)準(zhǔn)方柱沿周向布有測(cè)點(diǎn)60個(gè),每邊15個(gè);圓角率為0.1的圓角方柱沿周向布置56個(gè)測(cè)點(diǎn),每段圓弧段布置測(cè)點(diǎn)3個(gè),每段直線(xiàn)段布置測(cè)點(diǎn)11個(gè);圓角率為0.2的圓角方柱沿周向也布置56個(gè)測(cè)點(diǎn),其中每段圓弧段布置測(cè)點(diǎn)5個(gè),每段直線(xiàn)段布置測(cè)點(diǎn)9個(gè);圓角率為0.3的圓角方柱沿周向布置48個(gè)測(cè)點(diǎn),每段圓弧段布置測(cè)點(diǎn)7個(gè),每段直線(xiàn)段布置測(cè)點(diǎn)5個(gè);圓角率為0.4的圓角方柱沿周向布置56個(gè)測(cè)點(diǎn),每段圓弧段布置測(cè)點(diǎn)11個(gè),每段直線(xiàn)段布置測(cè)點(diǎn)3個(gè)。測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Layout of measuring points

試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷陌惭b示意圖,如圖3所示。模型長(zhǎng)L為1 700 mm,為消除端部效應(yīng)保證風(fēng)場(chǎng)的二維流動(dòng)性[12],在模型的兩端設(shè)置直徑De為600 mm的金屬圓形端板。為保證模型具有足夠的強(qiáng)度和剛度,在模型中央設(shè)置有實(shí)心鋼棒。模型支撐于風(fēng)洞中間位置,在試驗(yàn)風(fēng)速下模型沒(méi)產(chǎn)生變形且未出現(xiàn)明顯的振動(dòng)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎肁BS(acrylonitrile-butdiene-styrene)板制作,并對(duì)其進(jìn)行表面噴漆處理,經(jīng)粗糙度儀檢測(cè),模型表面粗糙度約為1.3～2.9 μm,試驗(yàn)照片如圖4所示。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾脠DFig.3 Layout of test model

圖4 試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.4 Test photo

1.2 試驗(yàn)工況

考慮到模型的對(duì)稱(chēng)性,風(fēng)向角α的變化范圍為0°～45°,其中: 0°～25°風(fēng)向角內(nèi)的角度變化步長(zhǎng)為2.5°; 25°～45°風(fēng)向角內(nèi)的角度變化步長(zhǎng)為5°。試驗(yàn)雷諾數(shù)為12萬(wàn),對(duì)應(yīng)風(fēng)速為14.6 m/s。

1.3 參數(shù)定義

模型的風(fēng)壓分布可用無(wú)量綱化風(fēng)壓系數(shù)來(lái)表示,定義如下

(1)

式中:Pi為模型表面某測(cè)點(diǎn)處測(cè)得的瞬時(shí)壓力信號(hào)的時(shí)間序列;Ps為參考點(diǎn)處的靜壓值;ρ為空氣密度;U∞為模型遠(yuǎn)前方來(lái)流的風(fēng)速。

平均風(fēng)壓系數(shù)CP_mean和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)CP_rms可定義為

(2)

(3)

式中,N為采樣點(diǎn)數(shù),本試驗(yàn)采樣點(diǎn)數(shù)為9 900個(gè)。

不同風(fēng)向角下方柱的氣動(dòng)力可用無(wú)量綱參數(shù)阻力系數(shù)和升力系數(shù)表示,定義為

(4)

(5)

式中,FD(i)和FL(i)分別為各測(cè)點(diǎn)壓力積分得到的方柱單位長(zhǎng)度上的順風(fēng)向阻力時(shí)程和橫風(fēng)向升力時(shí)程。

模型的平均升/阻力系數(shù)和脈動(dòng)升力系數(shù)定義如下

(6)

(7)

(8)

方柱的旋渦脫落特性可用無(wú)量綱參數(shù)斯特勞哈爾數(shù)表示,其定義如下

(9)

式中,f為柱體尾流的旋渦脫落頻率。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果可靠性檢驗(yàn)

為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性,首先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方柱進(jìn)行了試驗(yàn)。本文試驗(yàn)得到的0°風(fēng)向角下的平均阻力系數(shù)、脈動(dòng)升力系數(shù)和斯特勞哈爾數(shù)與前人的研究成果的對(duì)比,如表1所示。0°風(fēng)向角時(shí)方柱表面平均風(fēng)壓系數(shù)與前人結(jié)果的比較,如圖5所示?？梢钥吹奖疚脑囼?yàn)所得結(jié)果基本介于已有文獻(xiàn)研究結(jié)果之間。

表1 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證Tab.1 Verification of test results

圖5 0°風(fēng)向角時(shí)標(biāo)準(zhǔn)方柱的平均風(fēng)壓系數(shù)Fig.5 Mean wind pressure coefficient of standard square cylinders at 0° wind direction angle

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 升/阻力系數(shù)

5種不同圓角率方柱的平均阻力系數(shù)隨風(fēng)向角變化的曲線(xiàn)圖,如圖6所示。由圖6可知:

圖6 不同圓角率的方柱平均阻力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化曲線(xiàn)Fig.6 Variation of mean drag coefficient of square cylinders with different rounded corner ratios with wind direction angle

(1) 不同圓角率的方柱的平均阻力系數(shù)隨風(fēng)向角的增大,均呈現(xiàn)出先減小后增大的規(guī)律,并且達(dá)到最小值時(shí)所在的風(fēng)向角略有不同。其中,標(biāo)準(zhǔn)方柱在12.5°時(shí)達(dá)到最小值,約為1.65;圓角率為0.1的圓角方柱在7.5°時(shí)達(dá)到最小值,約為1.38;圓角率為0.2,0.3和0.4的圓角方柱則5°時(shí)出現(xiàn)最小值,對(duì)應(yīng)數(shù)值分別為在0.920,0.780和0.645左右。

(2) 圓角方柱的平均阻力系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)方柱相比明顯偏小。從整體上看,平均阻力系數(shù)隨著圓角率的增大,呈現(xiàn)出減小的變化規(guī)律。

(3) 在7.5°～17.5°風(fēng)向角內(nèi),圓角率為0.4的圓角方柱的平均阻力系數(shù)略大于圓角率為0.3的圓角方柱;在40°風(fēng)向角時(shí),圓角率為0.2的圓角方柱的平均阻力系數(shù)略大于圓角率為0.1的圓角方柱。

5種不同圓角率方柱平均升力系數(shù)隨風(fēng)向角變化的曲線(xiàn)圖,如圖7所示。由圖7可知:

圖7 不同圓角率的方柱平均升力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化曲線(xiàn)Fig.7 Variation of mean lift coefficient of square cylinders with different rounded corner ratios with wind direction angle

(1) 隨著風(fēng)向角的增大,不同圓角率的方柱的平均升力系數(shù)變化規(guī)律同平均阻力系數(shù)相反,均呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì),并且達(dá)到最大值的風(fēng)向角與平均阻力系數(shù)達(dá)到最小值時(shí)的風(fēng)向角一致。

(2) 圓角率為0.1和0.2的圓角方柱的平均升力系數(shù)最大值與標(biāo)準(zhǔn)方柱平均升力系數(shù)最大值相比略小,而圓角率為0.3和0.4的圓角方柱則比標(biāo)準(zhǔn)方柱略大。

(3) 在0°和45°風(fēng)向角時(shí),由于方柱的對(duì)稱(chēng)性,平均升力系數(shù)均在0值附近。

為更好地指導(dǎo)實(shí)際工程,將平均升、阻力系數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分段擬合,擬合公式如下所示,公式參數(shù)如表2和表3所示。

表2 平均阻力系數(shù)擬合公式及參數(shù)Tab.2 The fitting formula and parameters of mean drag coefficient

表3 平均升力系數(shù)擬合公式及參數(shù)Tab.3 The fitting formula and parameters of mean lift coefficient

CD_mean(CL_mean)=p1×α3+p2×α2+p3×α+p4

(10)

5種不同圓角率方柱脈動(dòng)升力系數(shù)隨風(fēng)向角變化的曲線(xiàn)圖,如圖8所示。由圖8可知:

圖8 不同圓角率的方柱脈動(dòng)升力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化曲線(xiàn)Fig.8 Variation of fluctuating lift coefficient of square cylinders with different rounded corner ratios with wind direction angle

(1) 標(biāo)準(zhǔn)方柱的脈動(dòng)升力系數(shù)在0°～5°風(fēng)向角時(shí)最大,約為1.3～1.4,當(dāng)風(fēng)向角從5°增大到12.5°時(shí)急劇減小,之后隨著風(fēng)向角的繼續(xù)增大其數(shù)值基本穩(wěn)定在0.4左右。

(2) 不同圓角率的圓角方柱的脈動(dòng)升力系數(shù)從整體上看均是隨風(fēng)向角的增大呈先減小后增大最后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律,且達(dá)到最小值的風(fēng)向角均為5°。不同的是,圓角率為0.1的圓角方柱的脈動(dòng)升力系數(shù)的下降段幅度較其他圓角方柱大,而上升段幅度則小于其他圓角方柱;圓角率為0.2,0.3和0.4的圓角方柱的脈動(dòng)升力系數(shù)下降段幅度大致相同,但上升段幅度圓角率為0.2的圓角方柱脈動(dòng)升力系數(shù)要略小;不同圓角率的圓角方柱的脈動(dòng)升力系數(shù)趨于穩(wěn)定時(shí)的數(shù)值不同,其中圓角率為0.1的約為0.5,圓角率為0.2,0.3和0.4的在0.7左右。

(3) 當(dāng)風(fēng)向角小于10°時(shí),圓角方柱的脈動(dòng)升力系數(shù)顯著小于標(biāo)準(zhǔn)方柱;當(dāng)風(fēng)向角大于10°時(shí),圓角方柱的脈動(dòng)升力系數(shù)略大于標(biāo)準(zhǔn)方柱。

(4) 在小風(fēng)向角下(0°～5°),隨圓角率的增大,脈動(dòng)升力系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸減小的變化規(guī)律。

2.2 風(fēng)壓分布特性

2.2.1 風(fēng)向角對(duì)圓角方柱風(fēng)壓特性的影響

根據(jù)2.1節(jié)對(duì)不同圓角率方柱氣動(dòng)力系數(shù)的分析,發(fā)現(xiàn)圓角率為0.2,0.3和0.4的圓角方柱氣動(dòng)力系數(shù)變化規(guī)律具有一定的相似性,故本節(jié)僅選取了圓角率為0.1和0.4的圓角方柱的分壓分布與標(biāo)準(zhǔn)方柱進(jìn)行了對(duì)比分析。

不同圓角率的方柱在不同風(fēng)向角下各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)圖,如圖9所示。由圖9可知:

圖9 不同圓角率方柱各測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)Fig.9 Mean wind pressure coefficient at each measuring point of square cylinders with different rounded corner ratios

(1) 在ab面上,圓角方柱相較于標(biāo)準(zhǔn)方柱在不同風(fēng)向角下a點(diǎn)附近出現(xiàn)了較大的負(fù)壓。在小風(fēng)向角時(shí)平均風(fēng)壓系數(shù)變化不大,之后隨著風(fēng)向角的增大,在靠近a點(diǎn)部分的平均風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角的增大逐漸減小,靠近b點(diǎn)的部分則相反。

(2) 在bc面上,不同圓角率方柱在小風(fēng)向角時(shí)平均風(fēng)壓系數(shù)變化較小且小風(fēng)向角范圍隨圓角率的增大逐漸減小。其中,標(biāo)準(zhǔn)方柱在12.5°風(fēng)向角平均風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角的增大而增大并且在c點(diǎn)附近出現(xiàn)的較大值逐漸向b點(diǎn)靠近;圓角率為0.1和0.4的方柱變化規(guī)律同標(biāo)準(zhǔn)方柱類(lèi)似,不同的是圓角方柱會(huì)在一定風(fēng)向角內(nèi)在b點(diǎn)附近平均風(fēng)壓系數(shù)出現(xiàn)較小值,并且產(chǎn)生明顯改變時(shí)的風(fēng)向角不同,圓角率為0.1的在7.5°～10.0°,圓角率為0.4的在5°左右。這同平均升/阻力系數(shù)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折時(shí)的風(fēng)向角基本對(duì)應(yīng)。

(3) 在cd和da面上,從整體上看不同圓角率的方柱平均風(fēng)壓系數(shù)在小風(fēng)向角時(shí)表現(xiàn)為先增大后減小,之后隨風(fēng)向角的增大變化不明顯。其中,圓角率為0.4的圓角方柱在0°～5°風(fēng)向角內(nèi)ab面上的平均風(fēng)壓系數(shù)變化不大的情況下,cd面上負(fù)壓強(qiáng)度減小,是阻力系數(shù)減小的主要原因,而da面的負(fù)壓強(qiáng)度減小及bc面上靠近b點(diǎn)的強(qiáng)負(fù)壓出現(xiàn),則是其升力系數(shù)增大的主要原因。

不同圓角率的方柱在不同風(fēng)向角下各測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)圖,如圖10所示。由圖10可知:

圖10 不同圓角率方柱各測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)Fig.10 Fluctuating wind pressure coefficient at each measuring point of square cylinders with different rounded corner ratios

(1) 在ab面上,圓角率為0.1的圓角方柱的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角的變化同標(biāo)準(zhǔn)方柱一樣無(wú)明顯改變,只是0°風(fēng)向角時(shí)在兩個(gè)角點(diǎn)出現(xiàn)較大值;圓角率為0.4的圓角方柱的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)則隨風(fēng)向角的增大而逐漸增大。在cd面上,在0°～5°風(fēng)向角時(shí),圓角率為0.4的圓角方柱和標(biāo)準(zhǔn)方柱脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)變化不大,圓角率為0.1的圓角方柱有較為明顯的減小現(xiàn)象;5°風(fēng)向角之后,圓角方柱脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)有明顯的增大現(xiàn)象,而標(biāo)準(zhǔn)方柱則是減小;從整體上看,10°～45°風(fēng)向角時(shí),不同圓角率方柱脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)變化不大。

(2) 在bc面和da面上,標(biāo)準(zhǔn)方柱在0°～5°風(fēng)向角范圍內(nèi)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)變化不明顯,到10°風(fēng)向角時(shí)有明顯的降低;圓角率為0.1和0.4的圓角方柱則在風(fēng)向角由0°增加到5°時(shí)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)出現(xiàn)降低現(xiàn)象,由于在小風(fēng)向角時(shí)bc和da面對(duì)方柱脈動(dòng)升力系數(shù)起主要作用,這正解釋了脈動(dòng)升力系數(shù)在此風(fēng)向角范圍內(nèi)出現(xiàn)減小現(xiàn)象的原因。

(3) 從整體上看,不同圓角率的方柱脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)在風(fēng)向角增大到一定程度后就趨于穩(wěn)定了。其中,圓角率為0.4的圓角方柱脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)在趨于穩(wěn)定后要高于小風(fēng)向角(0°～5°)時(shí)的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù),而標(biāo)準(zhǔn)方柱則低于,這也同脈動(dòng)升力系數(shù)的變化規(guī)律相吻合。

2.2.2 圓角率對(duì)圓角方柱風(fēng)壓特性的影響

為研究圓角率對(duì)方柱氣動(dòng)特性的影響,選取了0°風(fēng)向角時(shí)5種方柱的平均風(fēng)壓系數(shù)和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)進(jìn)行分析。

不同圓角率方柱在0°風(fēng)向角時(shí)各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)圖,如圖11所示。由圖11可知:

圖11 0°風(fēng)向角下不同圓角率方柱各測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)Fig.11 Mean wind pressure coefficient at each measuring point of square cylinders with different rounded corner ratios at 0° wind direction angle

(1) 在迎風(fēng)側(cè)(ab面)上,a,b兩個(gè)角點(diǎn)附近圓角方柱表現(xiàn)為較大的負(fù)壓且隨圓角率的增大負(fù)壓強(qiáng)度逐漸減小;中間部分不同圓角率方柱平均風(fēng)壓系數(shù)大致相同。

(2) 背風(fēng)側(cè)(cd面)的平均風(fēng)壓系數(shù)均表現(xiàn)為負(fù)值,表明了背風(fēng)側(cè)漩渦作用表現(xiàn)為風(fēng)吸力。此外,圓角方柱背風(fēng)側(cè)負(fù)壓強(qiáng)度要小于標(biāo)準(zhǔn)方柱,迎風(fēng)側(cè)較大的風(fēng)壓力和背風(fēng)側(cè)較大的風(fēng)吸力解釋了相對(duì)于圓角方柱而言,標(biāo)準(zhǔn)方柱平均阻力系數(shù)較大的原因;同時(shí),對(duì)于圓角方柱,背風(fēng)側(cè)負(fù)壓強(qiáng)度在圓角率為0.1～0.3時(shí)隨圓角率的增大逐漸減小,圓角率為0.3和0.4則相差不大,在迎風(fēng)側(cè)平均風(fēng)壓系數(shù)差距表現(xiàn)不大的情況下,這種現(xiàn)象也解釋了圓角方柱平均阻力系數(shù)隨圓角率變化規(guī)律的原因。

(3) 不同圓角率方柱側(cè)風(fēng)面(bc面和da面)的平均風(fēng)壓系數(shù)均表現(xiàn)為負(fù)值且負(fù)壓強(qiáng)度變化同背風(fēng)側(cè)一致。同時(shí),bc面和da面的平均風(fēng)壓系數(shù)呈對(duì)稱(chēng)分布,這正是平均升力系數(shù)在0值附近的原因。

不同圓角率方柱在0°風(fēng)向角時(shí)各測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)圖,如圖12所示。由圖12可知:

圖12 0°風(fēng)向角下不同圓角率方柱各測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)Fig.12 Fluctuating wind pressure coefficient at each measuring point of square cylinders with different rounded corner ratios at 0° wind direction angle

(1) 迎風(fēng)側(cè)(ab面)兩角點(diǎn)附近的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)隨圓角率的增大呈先增大后減小的變化規(guī)律。其中,圓角率為0.1的方柱的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)在兩角點(diǎn)處變化最劇烈,分析原因可能是由于此處有較小的回流渦。

(2) 背風(fēng)側(cè)(cd面)的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)隨圓角率的增大逐漸減小。

(3) 側(cè)風(fēng)面(bc和da面)的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)隨圓角率的變化規(guī)律同背風(fēng)側(cè)相同,這也說(shuō)明了脈動(dòng)升力系數(shù)隨圓角率增大逐漸減小的原因。

2.3 斯特勞哈爾數(shù)

不同圓角率的方柱升力系數(shù)時(shí)程經(jīng)傅里葉變換得到的幅值譜圖,如圖13所示。由圖13可知:

圖13 不同圓角率的方柱的升力系數(shù)幅值譜Fig.13 Fourier amplitude spectrum of square cylinders with different rounded corner ratios

(1) 不同圓角率的方柱升力系數(shù)幅值譜圖均表現(xiàn)出明顯的峰值。標(biāo)準(zhǔn)方柱在0°～5°風(fēng)向角下幅值較大,之后隨著風(fēng)向角的增大幅值逐漸減小并趨于穩(wěn)定;圓角率為0.1和0.4的圓角方柱幅值隨風(fēng)向角的增大先減小后增大最后趨于穩(wěn)定且達(dá)到最小值的風(fēng)向角在5°左右。

(2) 不同圓角率升力系數(shù)幅值隨風(fēng)向角增大的變化規(guī)律同脈動(dòng)升力系數(shù)基本一致。

不同圓角率方柱的斯特勞哈爾數(shù)隨風(fēng)向角變化的曲線(xiàn)圖,如圖14所示。由圖14可知:

圖14 不同圓角率方柱的斯特勞哈爾數(shù)隨風(fēng)向角的變化曲線(xiàn)Fig.14 Variation of Strouhal number of square cylinders with different rounded corner ratios with wind direction angle

(1) 不同圓角率方柱的斯特勞哈爾數(shù)隨風(fēng)向角的增大均會(huì)經(jīng)歷先增大后減小的過(guò)程。標(biāo)準(zhǔn)方柱在15°處斯特勞哈爾數(shù)達(dá)到最大值,約為0.146;圓角率為0.1的圓角方柱在7.5°處斯特勞哈爾數(shù)達(dá)到最大,約為0.167;圓角率為0.2,0.3和0.4的圓角方柱均在5°處斯特勞哈爾數(shù)達(dá)到最大值,分別為0.196,0.242和0.252。不同圓角率方柱斯特勞哈爾數(shù)最大值隨圓角率的增大逐漸增大。

(2) 整體上看,圓角方柱的斯特勞哈爾數(shù)隨風(fēng)向角的波動(dòng)幅度明顯大于標(biāo)準(zhǔn)方柱。同一風(fēng)向角下,圓角率越大,相對(duì)應(yīng)的尾流漩渦脫落頻率越大,斯特勞哈爾數(shù)值越大。特別的,在7.5°～15.0°風(fēng)向角內(nèi),圓角率為0.3的圓角方柱的斯特勞哈爾數(shù)要高于圓角率為0.4的圓角方柱。

不同圓角率的方柱升力系數(shù)幅值譜中卓越頻率對(duì)應(yīng)的峰值隨風(fēng)向角的變化曲線(xiàn),如圖15所示。由圖15可知,卓越頻率對(duì)應(yīng)的峰值隨風(fēng)向角的變化規(guī)律同脈動(dòng)升力系數(shù)基本一致。在風(fēng)向角小于10°時(shí),圓角方柱的峰值要小于標(biāo)準(zhǔn)方柱,并且峰值隨圓角率的增大逐漸減小。當(dāng)風(fēng)向角大于10°時(shí),標(biāo)準(zhǔn)方柱與圓角方柱峰值隨風(fēng)向角變化較小,基本穩(wěn)定在0.2左右。

圖15 不同圓角率方柱升力系數(shù)幅值譜中卓越頻率對(duì)應(yīng)的峰值隨風(fēng)向角的變化曲線(xiàn)Fig.15 Variation of peak values corresponding to superior frequencies in the Fourier amplitude spectrum of square cylinders with different rounded corner ratios with wind direction angle

3 流場(chǎng)機(jī)理分析

為進(jìn)一步了解圓角方柱氣動(dòng)特性產(chǎn)生上文變化規(guī)律的原因,采用CFD模擬了不同風(fēng)向角下標(biāo)準(zhǔn)方柱與圓角方柱的繞流。0°風(fēng)向角下方柱平均阻力系數(shù)隨圓角率變化圖,如圖16所示。標(biāo)準(zhǔn)方柱與圓角率為0.1的方柱平均阻力系數(shù)隨風(fēng)向角變化圖,如圖17所示。由圖16和圖17可知,模擬結(jié)果雖與已有文獻(xiàn)結(jié)果在數(shù)值上略有差別,但變化規(guī)律一致,可以采用模擬結(jié)果對(duì)其進(jìn)行機(jī)理解釋。

圖16 0°風(fēng)向角下方柱平均阻力系數(shù)隨圓角率的變化Fig.16 Variation of mean drag coefficient of square cylinders with rounded corner ratio under wind direction angle of 0°

圖17 標(biāo)準(zhǔn)方柱與圓角率為0.1的方柱平均阻力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化曲線(xiàn)Fig.17 Variation of mean drag coefficient of standard square cylinder and square cylinder with rounded corner ratio of 0.1 with wind direction angle

0°風(fēng)向角下不同圓角率方柱的平均流線(xiàn)圖,如圖18所示。由圖18可知:

圖18 0°風(fēng)向角下不同圓角率方柱的平均流線(xiàn)圖Fig.18 Mean streamline of square cylinder with different rounded corner ratios under wind direction angle of 0°

(1) 圓角率為0.1的圓角方柱的繞流特性與標(biāo)準(zhǔn)方柱類(lèi)似,也是在迎風(fēng)側(cè)角點(diǎn)附近氣流發(fā)生分離,并形成了4個(gè)回流區(qū)。與標(biāo)準(zhǔn)方柱不同之處在于側(cè)面回流區(qū)的旋渦尺寸相對(duì)較小,旋渦中心的位置更靠近圓角方柱表面;而尾部區(qū)域的旋渦尺寸則更大,旋渦中心位置更加遠(yuǎn)離圓角方柱。

(2) 圓角率為0.2,0.3和0.4的圓角方柱的繞流特性比較相似,氣流并沒(méi)有在迎風(fēng)側(cè)角點(diǎn)附近發(fā)生分離,而是附著于表面向下游流動(dòng),在背風(fēng)側(cè)角點(diǎn)附近發(fā)生分離,并在尾部形成兩個(gè)比較明顯的回流旋渦。尾流旋渦的尺寸大小及旋渦中心的位置隨圓角率的變化不明顯。

標(biāo)準(zhǔn)方柱和圓角率為0.1的圓角方柱在幾個(gè)典型風(fēng)向角下的平均流線(xiàn)圖,如圖19所示。由圖19可知,在0°風(fēng)向角時(shí),圓角方柱的前角氣流分離點(diǎn)較標(biāo)準(zhǔn)方柱向后移動(dòng),氣流在前角分離后更加貼近方柱兩側(cè),這使得圓角方柱的氣流更容易發(fā)生再附。圓角方柱,在5°風(fēng)向角附近即形成了標(biāo)準(zhǔn)方柱在15°風(fēng)向角附近才形成的分離泡。分離泡的出現(xiàn)致使尾流寬度進(jìn)一步變窄,造成渦脫強(qiáng)度減弱,參考杜曉慶等的研究發(fā)現(xiàn)此種現(xiàn)象是致使阻力系數(shù)減小和斯特勞哈爾數(shù)增大的主要原因。隨著風(fēng)向角的繼續(xù)增大兩種方柱分離泡均消失,氣流附著在兩個(gè)迎風(fēng)面上,尾流寬度也進(jìn)一步增大。

圖19 典型風(fēng)向角下標(biāo)準(zhǔn)方柱和圓角率為0.1的方柱的平均流線(xiàn)圖Fig.19 Mean streamline of standard square cylinder and square cylinder with rounded corner ratio of 0.1 under typical wind direction angles

4 結(jié) 論

對(duì)5種不同圓角率的方柱進(jìn)行了剛性模型測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn),分析了圓角率和風(fēng)向角對(duì)方柱氣動(dòng)特性的影響,可得到以下主要結(jié)論:

(1) 隨著風(fēng)向角的增大,圓角方柱的平均阻力系數(shù)均先減小后增大,最后趨于平穩(wěn);相反,平均升力系數(shù)則先增大后減小,最后趨于穩(wěn)定。圓角方柱的平均升阻力系數(shù)取得最值的風(fēng)向角要小于標(biāo)準(zhǔn)方柱,圓角率為0.1的圓角方柱在7.5°風(fēng)向角附近取得最值,圓角率為0.2,0.3和0.4的圓角方柱在5°風(fēng)向角附近取得最值。

(2) 當(dāng)風(fēng)向角小于10°時(shí),圓角方柱的脈動(dòng)升力系數(shù)隨風(fēng)向角的增大整體呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律,且遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)方柱的脈動(dòng)升力系數(shù)。當(dāng)風(fēng)向角大于10°時(shí),圓角方柱的脈動(dòng)升力系數(shù)隨風(fēng)向角的增大變化較小,且略大于標(biāo)準(zhǔn)方柱的脈動(dòng)升力系數(shù)。

(3) 圓角方柱的斯特勞哈爾數(shù)隨風(fēng)向角的增大均呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律,最大值對(duì)應(yīng)的風(fēng)向角與其平均升/阻力系數(shù)取得最值時(shí)的風(fēng)向角一致,且隨圓角率的增大,最大值逐漸增大。由于較大的斯特勞哈爾數(shù)會(huì)使結(jié)構(gòu)在更低的風(fēng)速下發(fā)生渦激共振,所以大圓角率方柱結(jié)構(gòu)的渦激振動(dòng)抗風(fēng)設(shè)計(jì)需引起重視。

改善方柱氣動(dòng)性能的措施還包括切角、凹角以及增加表面粗糙度等。本文主要探討了圓角措施對(duì)方柱氣動(dòng)性能的影響規(guī)律及機(jī)理,以后可進(jìn)一步探究其他措施對(duì)方柱氣動(dòng)特性的影響規(guī)律及機(jī)理。