風洞試驗在建筑研究與設計中的應用

趙翔宇 魯 彥 郝杰龍

(重慶大學土木工程學院，重慶 400030)

隨著近年來我國經濟的不斷增長，我國的建筑業也相應地飛速發展。越來越多的超高層建筑、大跨度建筑被設計和建造，并且建筑的形狀也出現了越來越多的異型設計。一方面，為了降低建筑自重和獲得更大的無柱空間，建筑在不斷改進其建筑材料與結構體系的同時，也一定程度使得結構的剛度變柔、自振頻率降低，這會導致建筑結構對風荷載的敏感度增加甚至以風荷載為主要控制荷載[1]。另一方面，風荷載的時空特性復雜，由結構自身的特征湍流、高階振型等因素造成的影響往往不可忽略甚至居于主導位置，在具體設計時往往無法依據設計規范直接對結構進行分析。因此，為了進行氣動力研究以完善相關設計規范和為建筑設計提供可靠依據，風洞試驗的應用越來越廣泛。

本文針對當今不斷發展的超高層建筑，大跨度建筑等受風荷載影響較大較復雜的建筑結構，對風洞試驗的應用以及未來發展進行了探討與分析。

1 風洞試驗簡述

1.1 風洞試驗方法

風洞試驗是進行空氣動力學分析并提供相關參數的一種重要方法，在飛行器研究、建筑分析設計等領域都有廣泛應用。對建筑領域而言，風洞試驗的方法是將建筑物的縮尺比模型固定在風洞中，通過風洞中人工產生的氣流模擬現實風場，對其進行測力試驗、測壓試驗等模擬試驗并獲得相關參數和進行力學分析。其主要思想來自于相似理論[3]：如果能控制一個現象中的全部物理量在兩個相應時間空間都成比例，那么就可以說這兩個時間空間下的現象相似。即通過控制建筑的縮尺比模型以及試驗條件，可以用縮尺比模型對現實建筑進行模擬，并進行定性乃至定量分析。

1.2 風洞試驗過程

風洞試驗過程從總體上可大致分為三部分內容：

1)風場調試。通過在風洞中安裝導流板、粗糙源，可以對不同類型的風場進行模擬。風洞試驗通常需要首先根據試驗需求對風場進行調試與檢測，確保試驗風場對目標風場的模擬不出現大偏差，如圖1所示。

2)模擬試驗。在確保風場調試無誤后，在風洞中安裝固定建筑的縮尺比模型，并進行相應的測力試驗、測壓試驗或其他試驗，如圖2所示。

3)數據校核。對試驗數據進行初步分析以檢驗試驗是否出現錯誤。

1.3 優缺點分析

相比于其他研究方法，風洞試驗有著獨有優勢：

1)準確控制試驗條件。風洞試驗可以準確控制地貌、湍流度、風速、風向角等試驗條件，從而較為準確地模擬現實或目標情況。

2)試驗結果直觀可靠。由于風洞試驗是對現實情況的近似模擬，因此風洞試驗的結果也同樣可以近似反映真實情況。相比于其他理論分析，風洞試驗的結果要更為直觀可靠。

3)受環境因素影響小。風洞試驗是室內試驗，并且風洞內的試驗條件也可以準確控制，因此外界環境因素對試驗造成的影響相對較小。

4)成本低，效率高，安全性高。

雖然風洞試驗有著諸多優點，但是作為模擬試驗，很難實現完全精確，風洞試驗也同樣存在局限：

1)邊界效應。現實中的風場是沒有邊界的，但是風洞試驗受場地、造價影響，其洞壁邊界不同程度會對風場造成影響，使得模擬風場與現實風場存在偏差。

2)支架干擾。建筑的縮尺比模型在風洞中進行固定時需要用到支架，并且對于一些高寬比較大的建筑，為保證試驗過程中模型不出現大幅振動往往還需對支架進一步加固。這些支架同樣會對風場產生干擾。

3)試驗條件難以完全滿足。根據相似理論，風洞試驗應該精確控制試驗條件與現實成一定比例，但是在實際控制時往往難以對全部試驗條件都完全滿足。

因此，在具體試驗中，應考慮到風洞試驗的諸多影響因素，通過限制縮尺比、合理設置測點等試驗前手段以及修正數據等試驗后手段，盡量減小試驗誤差。

2 風洞試驗應用

2.1 理論研究

風洞試驗的種類繁多，根據需求可靈活選取測力試驗、測壓試驗、傳熱試驗等諸多類型。通過選取與控制變量進行模擬試驗，可自由對風速、風向、建筑尺寸等因素單獨分析，也可進行組合分析。

模擬試驗的主要依據是相似理論，因此在試驗前必須確保模擬試驗滿足相似判據為常數。在力學問題中，通常要求模擬試驗的設計應包括：力學相似、材料相似、初始條件相似及邊界條件相似等[4]。試驗者通常首先根據分析方程式法與量綱分析法求得模擬試驗的相似判據，并根據相似判據對模擬試驗進行設計。需要注意的是，有些相似條件如邊界條件相似在一些情況下很難達到相似模擬，但也應進行近似模擬且保證偏于安全[4]。

在完成模擬試驗的設計之后，便可以定制模型進行風洞試驗，具體步驟基本與上文所述相同。然后對試驗數據進行處理分析。

2.2 建筑設計

我國《建筑結構荷載規范》[5]對建筑物所受的風荷載標準值計算公式進行了規定，并給出了常見情況的風荷載體型系數等相關參數。但是對于不滿足常見情況或者重要且體型復雜的房屋和構筑物，仍應由風洞試驗確定[5]。

隨著我國科學技術與施工工藝的不斷發展，建筑設計對風洞試驗的需求量也不斷增大。越來越多的建筑不滿足于規范的常見情況，而需要通過風洞試驗獲得可靠參數以指導建筑設計。

建筑設計所需的風洞試驗基本與科研試驗項目相同，只是在獲得參數后進行的后期分析處理的方法與目的同科研試驗有所區別。此外，由于科研試驗是為了得到普遍性結果，而工業項目通常是為得到與項目對應的特有結果，因此有時工業項目的縮尺比模型還會包括建筑場地周邊的地形地貌，如圖3所示。

3 風洞試驗未來發展

3.1 試驗裝置改進

如前文所述，風洞試驗存在邊界效應、支架干擾等不可避免的影響因素，但這些因素可以通過改進試驗裝置以減小或避免。比如邊界效應，在飛行器領域已發展有自修正風洞[6]技術，通過對洞壁進行主動調節使其成為無約束流場中的一條流線以避免邊界效應，而這在建筑領域也具有廣泛的發展前景。再比如支架干擾，或也可以通過磁懸模型技術進行減小乃至避免。總而言之，通過對試驗裝置的改進，未來的風洞試驗將可以更加準確可靠。

3.2 分析方法發展

風洞試驗的數據分析方法發展至今，已有十分豐富的種類，常見的如CFD，POD等分析方法已得到廣泛應用。不斷發展擴充的分析方法使得數據的處理分析更加多元化，也使得理論研究更加精細深入。

4 結語

在建筑領域飛速發展的今天，風洞試驗的地位正愈發重要。不論是規范條文指導作用的局限性，還是建筑設計日益增高的需求與要求，都需要更多的風洞試驗以及相關理論研究。本文總結了風洞試驗的基本特點以及應用，可以看出，雖然風洞試驗目前尚存在一些局限，但其仍是對建筑進行風荷載分析與設計的最有效手段之一。并且在未來，建筑研究與設計對風洞試驗的需求還將繼續增長，而要求也會不斷變高。