對通過各類房屋的風速與迎風面背風面壓差風洞試驗研究

摘要：本試驗通過對長條形、短墻形、L形及方形等房屋模型進行風洞試驗模擬，研究其各參數(shù)之間的關系。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，建筑物內(nèi)部風速的大小與迎風面背風面的壓強差正向相關，但其關系為一個平行四邊形的范圍內(nèi)，這對建筑物中風荷載的設計計算有一定的參考價值。

關鍵詞：風洞試驗；迎風面背風面壓差研究；空氣動力學

建筑內(nèi)部風速（即通風效果大小）與迎風面背風面壓強差的關系雖在理論上是有一定函數(shù)關系。但是由于實際風場的方向大小時刻改變以及風場的不穩(wěn)定性引起的擾動，導致建筑內(nèi)部空氣流速與迎風面背風面壓強差之間的關系有了很多的不確定性。因此，本試驗通過選取幾種不同的房屋模型進行風洞試驗模擬，研究其各參數(shù)之間的關系。在進行建筑結構設計考慮風荷載及通風情況，在滿足規(guī)范要求的前提下，如何提高建筑通風效果有一定的研究價值。

1 試驗準備

1.1 風洞參數(shù)與性質(zhì)

此試驗在法國埃菲爾空氣動力實驗室中進行。該風洞為半開口低速風洞，能擁有產(chǎn)生直徑2米范圍均勻試驗的氣流。其速度可以被控制在小范圍內(nèi)進行連續(xù)調(diào)節(jié)（人工調(diào)節(jié)每05m/s一個速度級）；根據(jù)氣流遇到的障礙物，其最大速度在氣流幾乎沒有阻擋時，模擬風速可達30m/s。在此風洞中，可以無障礙地對規(guī)模比較大的模型進行測試。

對于本試驗，上游部分做了一定的障礙物設置以調(diào)整其底部速度使其更接近自然風的特點。正如圖1、圖2所示，在風洞中，根據(jù)所在地的實際測量數(shù)據(jù)模擬出類似于實際地面情況的風場。

1.2 試驗其他工具設備準備

此試驗還用到了以下的裝置：（1）實驗室溫度計；（2）氣壓計 ；（3）皮托管；（4）用于測量風動壓強的微壓計；（5）配置了LABVIEW開發(fā)的采集數(shù)據(jù)軟件的計算機；（6）熱線風速儀。

1.3 試驗模型的準備

此試驗中的研究模型為以下四種建筑結構：

1.3.1 長條形建筑

該模型一共設置為7×5的盒子組合，高度為5層，共有35個盒子模擬為35間公寓。測試風向角度為0°到180°。

1.3.2 短墻式建筑

該模型一共設置為3×5的盒子組合，高度為5層，共有15個盒子模擬為15間公寓。測試風向角度為0°到180°。

1.3.3 L形建筑

該模型一共設置為10×5的盒子組合（L每邊5×5），高度為5層，共有50個盒子模擬為50間公寓。測試風向角度為0°到360°。

1.3.4 圍攏方形建筑

該模型一共設置為20×5的盒子組合（四周每邊5×5），高度為5層，共有100個盒子模擬為100間公寓。測試風向角度為0°到360°。

模型單元（比例大小1/100）由一些氣密的盒子組成，尺寸為長8cm，寬6cm，高3cm，如圖6所示。

模型兩端對角線位置有兩個寬1.5cm，高2cm的開口。這個開口用以確保滿足我國住宅設計規(guī)范中對通風開口面積的要求。

盒子是由2mm厚的聚酯板制造的，由瞬干膠密封粘合后組裝在一起。前后連接的測壓管是由PVC管做成，外徑2mm，內(nèi)徑1mm。

1.4 試驗方法

根據(jù)實驗室的具體情況，試驗可以同時測量這些盒子中的其中4個待測盒子的前后表明的壓強差。通過變化待測盒子的位置，可以得到所有盒子的前后表明的壓強差。每個待測盒子表面都在中心位置連接了一個測壓管，測壓管與壓力傳感器相連。

對于所有的模型，都設定為5層的建筑。該實驗進行每一列測試第二層到第五層的盒子的壓強。第一層的盒子誤差情況比較大因此不列入考慮。

當進行壓強與風速的測量時，通過一列一列盒子的輪番測試，每一列定義為一組（圖中記為conf）。對所有的測試組的風向從0°到360°進行改變，每變化15°記錄一次數(shù)據(jù)。

考慮到對稱性，對長條形與短墻式建筑模型，只做0°到180°的測試。

2 試驗參數(shù)說明

2.1 風速大小的調(diào)整

試驗中風速的選取用對數(shù)律的平均風剖面。根據(jù)國家規(guī)范中10m高度風速的參考值進行相應比例調(diào)整到模型中“10m”高度，即實際距離模型底部10cm處的速度選取的。

將調(diào)整過得風洞距模型底10cm處風速記作Ve10， 用熱線風速儀測得的模型單元風速記作Ve。

2.2 壓強系數(shù)的測量

本試驗的不得在于測量迎風面與背風面的壓強相對于大氣靜壓強p0的值。這些值是參照地區(qū)10m高度處的風壓pref10m得出來的。每個盒子的測量結果都以比值形式呈現(xiàn)（無量綱值）：

測量的其中一個面的系數(shù)Kp1=（p1-p0）/pref10m

測量的另一個面系數(shù)Kp2=（p2-p0）/pref10m

兩個面之間的壓強差Kp1/2=Kp2-Kp1

對每個面的系數(shù)，取其算術平均值，Kp1（Kp1的平均值），Kp2（Kp2的平均值），Kp（Kp1/2的平均值）。

圖7的是流體的方向與Kp的關系，Kp>0表示從外部迎風面流向內(nèi)部，Kp<0表示的是流體反向流動。Kp接近0不表示沒有流動而是流體在每個出入口有來回往復的流動。

該試驗中測得的壓強是每列模型迎風面與背風面的壓強。數(shù)據(jù)獲取時間頻率200Hz，30s。根據(jù)測得的壓強算出平均壓強，再將平均壓強Kp加入到后續(xù)的討論中。

3 試驗結果

盒子的內(nèi)部平均速度由熱線風速儀測得。結果中的Kp表示順風逆風盒子兩面的壓強差。統(tǒng)計測試結果如下：

由圖8可以看出，在此風洞試驗中，所有的速度與壓強差的關系都處于一個平行四邊形范圍中。即隨著風速的增長，建筑物迎風面與背風面收到的壓強的差值大小的變化范圍也在相應的增加，但是其最大壓差與最小壓差的范圍長度是固定的。

4 結論

根據(jù)上述試驗結果我們可以得到以下的結論：

（1）不管是哪種形式的建筑，建筑內(nèi)部風速的大小與迎風面背風面的壓強差有直接的關系。

（2）由于風速的方向時刻變化，建筑內(nèi)部風速與壓強差之間不是簡單的函數(shù)關系，而是在一個平行四邊形的范圍內(nèi)。

（3）給定某地區(qū)風速的時候，通過試驗可以得到迎風面背風面壓強差的取值范圍，對于建筑結構設計中對風荷載的設計有著一定的參考價值。Kp越大，房屋內(nèi)部空氣流速就越大，相對地通風效果就越好。

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作者簡介：趙佳蓓（1989），女，漢族，湖南波陽人，土木工程碩士，現(xiàn)任廣州番禺職業(yè)技術學院助教。