基于壁面射流的下擊暴流風場特性研究

洪藝然，李昌茂，肖云鳳，周 嬌

（重慶科技學院建筑工程學院，重慶 401331）

下擊暴流是一種在雷暴天氣中由強下沉氣流猛烈沖擊地面形成，同時經由地表擴散的近地面短時破壞性強風。下擊暴流中尺度較小的微下擊暴流（水平尺度＜4km）發生的頻率很高，如在雷雨天氣時發生下擊暴流的概率可達60%～70%，在世界各地造成了大量工程結構物的破壞。下擊暴流作用下輸電線塔的倒塌破壞事故尤為常見[1]。對美國、澳大利亞和南非等國相關輸電線塔倒塌事故的研究表明，高達80%以上與天氣有關的輸電線塔結構的倒塌是由雷暴天氣的下擊暴流等強風所致。由于下擊暴流的尾流出口區域的面積較沖擊中心大得多，同時破壞的大概率一般位于下擊暴流的尾流出口區域，而不是沖擊中心，常常忽略下擊暴流中部的沖擊部分，僅僅考慮研究其水平出流段，因此風工程所關心的下擊暴流的流場都主要集中于水平出流段，該段流場已被驗證為典型的平面壁面射流。鑒于以上原因，正確評估壁面射流區域流場特性是正確評估構筑物風荷載安全性的關鍵，討論其流場和規律也是文章研究下擊暴流風場特性的一種主要思路。

壁面射流的概念最早由Glauert[2]提出，其定義為一種高速射入光滑壁面上、周圍環境流體特性相同的半無限靜止流體中的射流。壁面射流通常分為兩個區域，其中內層與邊界層相似，外層與自由剪切流相似。一般傳統風洞實驗中幾何縮尺比是1 ∶100 ～1 ∶250，基于壁面射流的風洞試驗可以同時實現這個幾何縮尺，使得下擊暴流的風工程研究變得有可能。根據現有的研究可知，當前對壁面射流的研究作了大量的工作，但是大部分研究者只是從純理論的角度去探討壁面射流的規律，忽略了壁面粗糙度的問題。而事實上，對于出流段，壁面粗糙度對于壁面射流的各種參數影響均非常大。壁面粗糙度會明顯改變壁面射流的內層規律，從而影響外層規律。不同地面粗糙度會顯著影響壁面射流最大風速、最大風速高度以及雷諾應力。并且，壁面具有粗糙度能更加準確模擬土木工程中的地貌，然而目前尚無相關研究。因此，在壁面射流中考察壁面粗糙帶來的影響有待與進一步研究。

文章基于沖擊射流與壁面射流理論研究壁面粗糙度對下擊暴流出流段風場特性影響，采用布置不同粗糙壁面的方法，對靜止沖擊射流以及無協同流光滑壁面射流進行風洞試驗，驗證壁面射流風洞試驗的可行性。同時在風洞壁面設置粗糙元，增加壁面粗糙度，研究壁面射流在具有一定紊流度區域的流場空間分布情況，考慮壁面粗糙度對壁面射流內層和外層的平均風剖面與湍流特性的影響。

1 風場特性參數研究

1.1 平均風速剖面

目前，平均風速剖面作為研究風速變化的一種主要方法，也是描述風場特性重要參數之一。風工程中風速剖面模型包括對數模型和指數律模型，其表達式如下：

式中：Z 為地面高度；Zb、分別為標準參考高度和標準參考高度處的平均風速；Zz、分別為任一高度和任意高度處的平均風速；為大氣底層內Z'高度處的平均風速，Z'=Z-Zd（Zd為零平均位移，m）；為表面摩擦速度；為風剖面指數；k為馮卡曼常數，k≈0.4；Z0為地表面粗糙度。四類地面粗糙度類別所對應的梯度風高度ZG（粗糙度影響高度）以及指數α 的設計參考值參考如表1 所示[3]。

表1 我國地面粗糙度類別及其參數

1.2 湍流強度剖面

湍流強度定義為脈動風速均方根δu與平均風速V的比值，即為：

式中：Iu為湍流強度；N 為單次采樣總數；ui為第i次采樣時的風速。

Zhou Y 等[4]對ASCE7 等5 種國際規范進行比較，得出湍流強度剖面統一的函數表達式：

式中：c 和d 為隨地形變化的常數。

2 壁面射流風洞試驗

試驗在重慶大學直流式教學風洞實驗室進行。通過對直流式邊界層風洞加裝風機和噴嘴的改裝，該風洞具備了壁面射流的模擬功能。試驗尺寸為2.4m×1.8m×15m（寬×高×長）。壁面射流裝置加裝在試驗段入口位置，通過4 個千斤頂與支架連接，實現了壁面射流裝置的升降。動力段采用三臺風機并聯安裝，回轉段采用對數螺旋旋轉線設計，減少風場轉向的風速的損耗，壁面射流噴口的高度為60mm，寬度與邊界層風洞基本一致。

三維風速的測量主要采用澳大利亞TFI（Turbulence Flow Instruments）公司生產的眼鏡蛇三維脈動風速探頭。該探頭為4 孔壓力探頭，探頭外徑為2.6mm，總長約155mm，能夠準確測量頻率2000Hz 的湍流場，風速測量范圍為2 ～100m/s，精度為±0.5m/s。

2.1 穩態風場特性試驗

為了得出完整的三維流場的空間分布特性，在風場試驗中，分別測量風洞中心面上不同順流向距離以及不同豎向高度各點的水平風速。據壁面射流先增大后減小的特殊風剖面特征，進行選擇測量位置。其中順流方向測量位置分布為20b、40b、60b、80b、100b、120b，（其中b 為噴射口高度，b=60mm）；而豎向測量高度分布為5mm、10mm、15mm、25mm、35mm、45mm、55mm、65mm、80mm、100mm、150mm、250mm、350mm、500mm、700mm。考慮壁面粗糙度對風場的影響，在風洞中心面上布置尺寸為25mm×25mm×25mm（寬×高×長）粗糙元，噴嘴出流速度為30m/s。

3 試驗結果分析

3.1 壁面射流無量綱相似性研究

根據得出的壁面射流風洞試驗數據結果，將相同粗糙度工況進行整合對比，可以得出壁面射流風洞試驗結果表現出了較好的自相似性，平均風速剖面在壁面內層達到最大速度點，其中特性與邊界層相似，隨著高度上升，外層由于空氣動力作用下發生自由剪切。而壁面射流湍流度剖面則呈現出明顯的雙峰特性，即內、外層壁面峰值。為了得到壁面射流的自相似剖面，鐘永力等[5]采用對特征長度、特征速度與雷諾正應力進行無量綱處理，通過3 種風洞試驗結果與Eriksson 等[6]試驗結果、Wood 模型和Oseguera 模型非常吻合，表現出良好的自相似特性。

3.2 粗糙元對平均風剖面的影響

當噴嘴口出流風速為30m/s 時，不同粗糙度的壁面射流順流方向平均風剖面。由此可以得出，在一定的測量高度范圍內，相同壁面粗糙度條件下，隨著順流向距離的增大，下部速度逐漸減小，而其上部速度逐漸增大，其中轉折區域在250mm 左右。隨著壁面粗糙度的增加，風洞下部阻塞率增大，其下部風速逐漸減小且梯度增加，而下部風速峰值點向上平移，上部風速逐漸增大。粗糙元對壁面射流風速剖面的影響可達到其自身高度的6 ～8倍，對上部流速影響不明顯。

3.3 粗糙元對湍流度的影響

出流速度設置相同大小的30m/s 風速，在噴嘴口順風向3.6m 范圍內布置粗糙元時，根據壁面射流順流方向湍流度剖面，可以看出壁面射流湍流度剖面呈現出明顯的雙峰特性，即內層近壁面峰值與外層峰值，并且隨著順流方向距離的增加，流場湍流剖面的外峰值發生位置不斷向上移動。而隨著粗糙元的引入，風洞近壁面粗糙度增加，增大對下部流場擾動，近壁面湍流度發生增大。湍流度剖面內、外峰值隨著壁面粗糙度的增加明顯增大。

4 結論

（1）通過設置1m、2.4m、3.6m 三種范圍粗糙元對壁面射流不同階段流場進行分析，可以得出粗糙度會明顯改變壁面射流的內層規律，從而影響外層規律。隨著地面粗糙度的變化，對壁面射流區域水平、豎向剖面、壁面射流最大風速、最大風速高度以及雷諾應力會顯著影響。

（2）通過增加粗糙元的方式改變風洞底部阻塞率，增大來流擾動。隨著壁面粗糙度的增大，近壁面湍流度顯著增加，湍流度剖面的內外峰值顯著變大，粗糙元對其壁面射流湍流強度的強度影響可達到自身6 ～8 倍。

壁面射流為下擊暴流最為主要部分，對于輸電線路，其破壞的大概率一般位于下擊暴流的尾流出口區域。對輸電塔線體系結構的危害最大，正確評估壁面射流區域流場特性是正確評估構筑物風荷載安全性的關鍵。本次風洞實驗通過增加粗糙元的方式，改變風洞底部阻塞率，應用于當前各種大氣邊界層地貌。壁面具有一定的粗糙度更能夠準確模擬實際土木工程中的地貌，為輸電塔線路體系抗風設計提供一個精確的研究環境和風工程中考慮下擊暴流風荷載奠定理論基礎。研究成果對于大規模推廣開展下擊暴流中的結構風工程試驗具有重要的價值。