對通過各類房屋的風(fēng)速與迎風(fēng)面背風(fēng)面壓差風(fēng)洞試驗(yàn)研究

摘要：本試驗(yàn)通過對長條形、短墻形、L形及方形等房屋模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M，研究其各參數(shù)之間的關(guān)系。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，建筑物內(nèi)部風(fēng)速的大小與迎風(fēng)面背風(fēng)面的壓強(qiáng)差正向相關(guān)，但其關(guān)系為一個(gè)平行四邊形的范圍內(nèi)，這對建筑物中風(fēng)荷載的設(shè)計(jì)計(jì)算有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：風(fēng)洞試驗(yàn)；迎風(fēng)面背風(fēng)面壓差研究；空氣動(dòng)力學(xué)

建筑內(nèi)部風(fēng)速（即通風(fēng)效果大小）與迎風(fēng)面背風(fēng)面壓強(qiáng)差的關(guān)系雖在理論上是有一定函數(shù)關(guān)系。但是由于實(shí)際風(fēng)場的方向大小時(shí)刻改變以及風(fēng)場的不穩(wěn)定性引起的擾動(dòng)，導(dǎo)致建筑內(nèi)部空氣流速與迎風(fēng)面背風(fēng)面壓強(qiáng)差之間的關(guān)系有了很多的不確定性。因此，本試驗(yàn)通過選取幾種不同的房屋模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M，研究其各參數(shù)之間的關(guān)系。在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮風(fēng)荷載及通風(fēng)情況，在滿足規(guī)范要求的前提下，如何提高建筑通風(fēng)效果有一定的研究價(jià)值。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 風(fēng)洞參數(shù)與性質(zhì)

此試驗(yàn)在法國埃菲爾空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。該風(fēng)洞為半開口低速風(fēng)洞，能擁有產(chǎn)生直徑2米范圍均勻試驗(yàn)的氣流。其速度可以被控制在小范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)（人工調(diào)節(jié)每05m/s一個(gè)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(shí)，模擬風(fēng)速可達(dá)30m/s。在此風(fēng)洞中，可以無障礙地對規(guī)模比較大的模型進(jìn)行測試。

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

1.2 試驗(yàn)其他工具設(shè)備準(zhǔn)備

此試驗(yàn)還用到了以下的裝置：（1）實(shí)驗(yàn)室溫度計(jì)；（2）氣壓計(jì) ；（3）皮托管；（4）用于測量風(fēng)動(dòng)壓強(qiáng)的微壓計(jì)；（5）配置了LABVIEW開發(fā)的采集數(shù)據(jù)軟件的計(jì)算機(jī)；（6）熱線風(fēng)速儀。

1.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)備

此試驗(yàn)中的研究模型為以下四種建筑結(jié)構(gòu)：

1.3.1 長條形建筑

該模型一共設(shè)置為7×5的盒子組合，高度為5層，共有35個(gè)盒子模擬為35間公寓。測試風(fēng)向角度為0°到180°。

1.3.2 短墻式建筑

該模型一共設(shè)置為3×5的盒子組合，高度為5層，共有15個(gè)盒子模擬為15間公寓。測試風(fēng)向角度為0°到180°。

1.3.3 L形建筑

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

1.3.4 圍攏方形建筑

該模型一共設(shè)置為20×5的盒子組合（四周每邊5×5），高度為5層，共有100個(gè)盒子模擬為100間公寓。測試風(fēng)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(gè)寬1.5cm，高2cm的開口。這個(gè)開口用以確保滿足我國住宅設(shè)計(jì)規(guī)范中對通風(fēng)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(yàn)方法

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的具體情況，試驗(yàn)可以同時(shí)測量這些盒子中的其中4個(gè)待測盒子的前后表明的壓強(qiáng)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(qiáng)差。每個(gè)待測盒子表面都在中心位置連接了一個(gè)測壓管，測壓管與壓力傳感器相連。

對于所有的模型，都設(shè)定為5層的建筑。該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行每一列測試第二層到第五層的盒子的壓強(qiáng)。第一層的盒子誤差情況比較大因此不列入考慮。

當(dāng)進(jìn)行壓強(qiáng)與風(fēng)速的測量時(shí)，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(fēng)向從0°到360°進(jìn)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(yàn)參數(shù)說明

2.1 風(fēng)速大小的調(diào)整

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

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

2.2 壓強(qiáng)系數(shù)的測量

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

測量的其中一個(gè)面的系數(shù)Kp1=（p1-p0）/pref10m

測量的另一個(gè)面系數(shù)Kp2=（p2-p0）/pref10m

兩個(gè)面之間的壓強(qiáng)差Kp1/2=Kp2-Kp1

對每個(gè)面的系數(shù)，取其算術(shù)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(guān)系，Kp>0表示從外部迎風(fēng)面流向內(nèi)部，Kp<0表示的是流體反向流動(dòng)。Kp接近0不表示沒有流動(dòng)而是流體在每個(gè)出入口有來回往復(fù)的流動(dòng)。

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

3 試驗(yàn)結(jié)果

盒子的內(nèi)部平均速度由熱線風(fēng)速儀測得。結(jié)果中的Kp表示順風(fēng)逆風(fēng)盒子兩面的壓強(qiáng)差。統(tǒng)計(jì)測試結(jié)果如下：

由圖8可以看出，在此風(fēng)洞試驗(yàn)中，所有的速度與壓強(qiáng)差的關(guān)系都處于一個(gè)平行四邊形范圍中。即隨著風(fēng)速的增長，建筑物迎風(fēng)面與背風(fēng)面收到的壓強(qiáng)的差值大小的變化范圍也在相應(yīng)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(jié)論

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果我們可以得到以下的結(jié)論：

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

（2）由于風(fēng)速的方向時(shí)刻變化，建筑內(nèi)部風(fēng)速與壓強(qiáng)差之間不是簡單的函數(shù)關(guān)系，而是在一個(gè)平行四邊形的范圍內(nèi)。

（3）給定某地區(qū)風(fēng)速的時(shí)候，通過試驗(yàn)可以得到迎風(fēng)面背風(fēng)面壓強(qiáng)差的取值范圍，對于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對風(fēng)荷載的設(shè)計(jì)有著一定的參考價(jià)值。Kp越大，房屋內(nèi)部空氣流速就越大，相對地通風(fēng)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(shù)學(xué)院助教。