——之第十讲
风洞试验技术
主讲教师：
葛耀君
博士．教授
1、风洞试验简介2、风环境试验3、天平测力试验4、表面测压试验5、节段模型试验6、气弹模型试验
¾1. 风洞试验简介
1.1基本原理
z(1) 风速和风向模拟
•良态气候模式•飓风气候模式
z(2) 结构风效应模拟
•刚性结构——无振动响应•半刚性结构——仅有强迫振动•柔性结构——气流与结构相互作用
1.2试验模型
z(1)z(2)z(3)
精确的结构物模型简化的周边环境模型概略的上游地表模型
1.3风洞试验分类
风环境风洞试验
风洞试验
建筑结构风洞试验桥梁结构风洞试验
1.3风洞试验分类(续)
地面或行人风环境(Pedestrian level)
风环境
建筑物周边风环境(Topography model)
环境空气动力学试验(Environmental aerodynamics) 天平测力试验(Force balance test)
建筑结构
表面测压试验(Cladding load test) 气弹模型试验(Aeroelastic model test) 节段模型试验(Sectional model test)
桥梁结构
拉条模型试验(Taut strip model test) 气弹模型试验(Aeroelastic model test)
¾2. 风环境试验
2.1模拟范围
z(1) 上游地表粗糙类别模拟z(2) 周边地形500m 至750m (或10z(3) 缩尺比1:500~1:2000(小区)
倍桥面高度)
2.2
模型要求
z(1) 刚性块体z(2) 外形相似z(3) 表面粗糙程度相似
2.3 试验设备
z(1)皮托管测压——平均风速
static
P total
12
P t =P s +P d =P 0+ρa U
212
P d =P t −P s =ρa U =ρw g Δh
ρU =2g Δh
a
图1. 皮托管测压
w
2.3
试验设备
热线风速仪——脉动风速
z(2)
静力：W =H
W =I R w , H =A 1+B 1(T w −T e )
2
()
动力：C W (dT w /dt )=W −H
τ=C W /[(∂H /∂T w )−(∂W /∂T w )]
图2.
2.4 平均风速指标
z(1) 不同高度平均风速z(2) 风剖面指数αz(3) 梯度风高度
2.5
脉动风速指标
z(1) 紊流强度：
U U U
w max v max U +u max
z(2) 阵风因子：G u =, G v =, G w =
U U U
z(3) 功率谱密度：S u (f ), S v (f ), S w (f )
z(4) 相关函数：R uu (x 1, x 2, t ), R vv (x 1, x 2, t ), R ww (x 1, x 2, t ) z(5) 积分尺度：x L u , y L u , z L w
I u =
σ
u
, I v =
σ
v
, I w =
σ
w
¾3. 天平测力试验
3.1 模型要求
z(1) 轻质—惯性力小，频率高z(2) 刚性—无变形，频率高z(3)
F 外型相似
3.2 测力原理
z(1) 六分量天平
F L : Lift: Pitchingmoment : Rolling: Yawing
3.2 测力原理(续)
z(2) 竖向分量不要求
z(3) 要求: 高灵敏度、大刚度、稳定性、非耦合 3.3测力过程
z(1) 平均值和rms 值测量(一阶广义模态力) z(2) 力功率谱密度(紊流引起的非定常力)
z βz(3) 模态修正:μ(z ) =() (1≤β≤1. 5) H
¾4. 表面测压试验
4.1 模型要求
z(1)刚性——外型无变形
z(2)
z(3)不漏气——压力为常数外形相似
4.2 测压原理
z(1)测压位置多——要求非常高的采样频率
少测点：200~400 个
中测点：400~800 个
多测点：800个以上
4.2 测压原理(续)
z(2) 模型尺寸小—缩尺比
缩尺比：1:100~1:500
测压孔：1.1mm~1.6mm
z(3) Scanvalve 扫描阀
最新型号：16 通道×64测点=1024点
采样频率：1000Hz ×1024 =1,012,000 个/秒现有设备：4通道×64 测点=256点(4 个模块)
4.2 测压过程1T p (t ) dt ∫0C =z(1) 平均压力系数：q
1T 2[p (t ) −]dt ∫0z(2)rms 压力系数：C ~=p q
p min z(4)最小压力系数：C p =ˆq
(p max −p min )/2z(5)压力峰值因子：g p =z(6)两种不同方法p max z(3)最大压力系数：C =ˆp q
风洞试验直接测得的最大、最小值按保证率推算的峰值因子换算到最大、最小值
C p ˆ=C +gC ~p
¾5. 节段模型试验 5.1 模型要求
z(1)
z(2)
z(3)刚性——无挠曲变形振动相似——测振试验: 质量、刚度、频率外形相似
5.2 测力试验
z(1)
z(2)原理方法同天平测力不同风攻角下的三分力系数
5.3 测振试验
z(1) 涡激共振—风速与振幅z(2) 颤振风速—直接法确定颤振临界风速z(3) 气动导数—不同风攻角下的气动导数值z(4) 实时响应—抖振试验结果 5.4 气动导数试验方法
z(1) 自由振动测振法
z(2) 强迫振动测振法
z(3) 自由振动测压法
z(4) 强迫振动测压法
¾6. 气弹模型试验 6.1 相似要求
z(1)基本方程
a) 6 个基本未知量
3 个速度分量(u,v,w)
流体密度ρ、压力p 和温度T b) 6 个基本方程
Navier —Stokes 公式三个分量质量守恒方程
能量守恒方程
流体状态方程
z(1) 基本方程(续)
c) 六个基本假定
z流场是由理想气体组成的、是各向同性的z流场中p 、ρ和T 的均值保持不变z空气不可压缩、ρ不随p 变化z动态粘性系数ν和热扩散系数κ为常数z由粘性引起的温度变化忽略不计z无源流动
z (1) 基本变量
a) 五个无量纲变量
***x j =x j /L , u j =u j /v , t =t ⋅v /L p =p /(ρv ) , δT =δt /T *2*
b) 五种作用力
IF —Initial Force(惯性力) CF —Coriolis Force (地球旋转力) PF —Preasure Force (流体压力) VF —Viscosity Force(粘性力) BF —Buoyancy Force(流体浮力)
z(2) 基本变量(续)
c) 边界条件
压力梯度：p (x , y , z )来流特性：平均风速：U (y , z ≤z g )
脉动风谱： S jj (f , y , z ) (j =u , v , w )相关函数： R jj (f , Δx , Δy , Δz ) (i , j =u , v , w )
流体/固体几何形状
z(3) 相似变量
V —特征风速 g —重力加速度ρa —空气质量密度 L —特征长度υ—粘性系数 ξ—结构阻尼比ρs —结构质量密度 E —结构弹性模量
6.2 边界层模拟
z(1) 风速相似比z(5) 紊流度剖面z(2) 平均风剖面z(6) 空间相关性z(3) 紊流强度比z(7) 积分尺度比z(4) 功率谱密度z(8) 来流风攻角
6.3 模型基本组成
z(1)模型结构刚度—模型骨架z(2)模型结构外型—模型外衣z(3)模型结构质量—模型配重
6.4 模型测量
风速和风压测量
z(2)结构振动测量
加速度传感器—接触式速度传感器—接触式
位移传感器—接触和非接触式z(3)结构内力测量
动态应变计z(1)
下周同一时间再见!