紊流積分尺度對CAARC模型表面風壓特性的影響

張海程，杜樹碧,2，李明水,2，秦 川

(1.西南交通大學 土木工程學院, 成都 610031；2.西南交通大學 風工程四川省重點實驗室, 成都 610031)

Tieleman等[3]對風洞試驗結果與實測結果進行對比發現，實測的平均風壓系數比風洞所測高出25%～50%；實測脈動風壓均方根與峰值風壓為風洞試驗的3倍～4倍。Shu等[4]研究發現紊流積分尺度和紊流強度會對鈍體上下表面的脈動風壓系數造成顯著的影響。Saathoff等[5]利用均勻流場與格柵流場對短軸對稱圓柱前緣進行測壓試驗，研究結論表明，紊流強度與紊流積分尺度同時影響脈動風壓系數。Bearman[6]研究結論表明來流中紊流積分尺度越大，模型迎風面駐點的脈動風壓均方根越大。Morrison等[7]對低矮建筑上表面前緣處脈動風壓與來流積分尺度的關系進行了研究，結論表明：來流中紊流積分尺度越小，屋蓋前緣處脈動風壓均方根越大。Du等[8]利用不同的格柵流場對矩形迎風面進行了測壓試驗，結論表明：脈動風壓均方根系數隨積分尺度的增大而增大，駐點附近增大程度較小，邊緣處增大幅度較大。曾加東等[9]對寬厚比為2∶1的矩形進行了邊界層風洞試驗，研究結論表明：矩形高層建筑順風向脈動風荷載相關性與紊流積分尺度成正比。為研究紊流積分尺度對高層建筑表面風壓特征的影響，本文采用1∶100和1∶200縮尺比的CAARC標準高層建筑模型為研究對象，在3種B類邊界層風場中進行風洞測壓試驗，探討了紊流積分尺度對脈動風壓分布特性的影響。

1 試驗安排

1.1 模型與測點布置

CAARC模型是聯邦航空咨詢委員會提出的一種用以檢驗不同風洞所得試驗數據的一致性的高層建筑標準模型[10]，本文共采用了1∶100和1∶200兩種縮尺比試驗模型，兩種模型的測壓點均布置在模型1/4H，1/3H，1/2H，2/3H高度處(H為模型總高度)，CAARC模型原始尺寸與測點編號及布置如圖1所示。

(a)測點層高度

試驗時測壓系統采用 Scanivalve電子掃描閥(DSM-4000)，測壓閥置于模型內部，測壓管路長度短于0.2 m，以減小壓力信號的幅值畸變和相位畸變[11-13]，采樣頻率為256 Hz，采樣時間為 180 s。測壓時采用TFI Cobra Probe三維脈動風速儀同步采集模型參考高度2/3H處的來流風速，采樣頻率256 Hz，采樣時間為180 s。

1.2 大氣邊界層模擬

為了產生變化范圍較大的紊流積分尺度，本次試驗在XNJD-1和XNJD-3風洞中進行。XNJD-1風洞為雙試驗段回流式風洞，本文所用試驗段截面尺寸(寬×高)為 2.4 m×2.0 m，風速范圍為1.0～45.0 m/s；XNJD-3風洞試驗段截面(寬×高)為22.5 m×4.5 m，風速范圍為1.0～16.5 m/s。XNJD-1和XNJD-3風洞中的背景紊流度分別為1%和0.5%，滿足JGJ/T 338—2014《建筑工程風洞試驗方法標準》[14]中2.1.3條規定“背景紊流度不應大于2.0%”的要求。1∶100模型在XNJD-3中進行測壓試驗，編號為XNJD31，1∶200模型分別在XNJD-1和XNJD-3中進行測壓試驗，編號分別為XNJD12和XNJD32，所用風場均為相應縮尺比的B類風場，由于XNJD31和XNJD32所用風場均是同一個風洞中不同比例的B類風場，所以兩種邊界層模擬采用了相同的粗糙元布置，且均在尖劈底部布置了鋸齒形擋板，僅通過調節尖劈布置來改變風場，XNJD31采用9個三角形尖劈，間距為2.5 m，XNJD32采用8個三角形尖劈，間距為2.8 m；XNJD12采用3個較小的三角形尖劈，并布置了15排大粗糙元，縱橫向間距為0.3 m，22排小粗糙元，縱橫向間距為0.2 m，均采用TFI Cobra Probe三維脈動風速儀對紊流場進行風速測量，采樣頻率為256 Hz，采樣時間180 s。

表1為各種工況時的阻塞比，最大阻塞比為4.36%，滿足JGJ/T 338—2014《建筑工程風洞試驗方法標準》中1.1.10條第1款規定“阻塞比不宜大于5%，最大不應超過8%”的要求。3種風場的平均風速剖面與紊流度剖面，如圖2所示。z為風速測量高度，Iu為測點高度處的紊流度，U為測量高度處的平均風速，U2/3H為2/3H高度處的來流平均風速。圖2中左邊為紊流度剖面，右邊為平均風速剖面。由圖2可知，平均風速和紊流度均與規范要求的標準曲線吻合良好。3種風場的脈動風速功率譜，如圖3所示。f為脈動風速的頻率，Su為脈動風速功率譜，σu為脈動風速均方根，由圖3可知，3種風場的脈動風速功率譜均與Von Kármán譜吻合良好，通過對試驗數據與Von Kármán譜進行擬合，可以得到相應的紊流積分尺度[15-16]。各流場的紊流參數如表2所示。從表2可知，平均風速隨高度增大而增大，符合平均風速剖面的變化規律，紊流度隨高度增大而減小，符合紊流度剖面的變化規律；表2中最小風速為8.01 m/s，滿足JGJ/T 338—2014《建筑工程風洞試驗方法標準》中1.1.11 條“測壓試驗和測力試驗的自由來流風速最低不應小于8 m/s”的要求，3種風場雖然風速不一致，但文獻[17]證明在常規試驗中，雷諾數對CAARC模型試驗結果影響可忽略不計。

表1 阻塞比

圖2 平均風速剖面與紊流度剖面

表2 風場紊流參數

縱向

表3 工況參數

2 試驗結果與討論

2.1 數據處理

平均風壓系數

(1)

式中:Pai為測壓點的平均風壓；Pj為測壓時的靜壓，ρ為空氣密度。

脈動風壓均方根系數

(2)

2.2 平均風壓系數

為了驗證本文風壓數據采集的準確性，將模型2/3H高度處的平均風壓系數與Bristol，Monash，National Aeronautical Establishment(a,b為其所采用的兩種邊界層模擬方式)，Nmional Physical Laboratory[19]幾家國外機構的試驗結果進行了對比。對比結果如圖4所示。由圖4可知，本次試驗所得到的數據與其他幾家機構接近，且整個斷面的變化趨勢一致，可以認為本文使用的試驗數據可靠有效，且可以看出紊流積分尺度對平均風壓系數影響不顯著，與前人研究結論相符[20-21]。

圖4 CAARC模型平均風壓系數(z=2/3H，寬面迎風)

2.3 脈動風壓均方根系數

圖5 CAARC模型脈動風壓系數(寬面迎風)

鑒于迎風面脈動風壓主要由順風向脈動風貢獻，而側面和背面主要受流動分離的控制其風壓分布更為復雜，下面采用Du等研究中的歸一化均方根風壓系數Λ進一步研究了紊流積分尺度的迎風面脈動風壓均方根系數的影響

(3)

圖6 CAARC模型迎風面脈動風壓系數(寬面迎風)

2.4 脈動風壓功率譜

2/3H高度處各面中點的脈動風壓功率譜，如圖7所示。其中縱坐標采用了歸一化風譜。對于對稱結構，迎風面結構中點即為駐點，由圖7所示迎風面駐點脈動風壓功率譜可知，在低頻區間，脈動風壓功率譜基本保持一致，由準定常效應控制；在高頻區間，脈動風壓功率譜衰減速度快于脈動風速功率譜，且紊流積分尺度越小，衰減速度越快。這是由于當來流遇到阻塞時，小渦會發生拉伸(即流動畸變)[25]，紊流積分尺度小的來流中小渦占比更大，拉伸比例也更大，所以流速更快，風壓更小，而大紊流積分尺度流場中大渦起主要控制作用，被可能拉伸的小渦占比較小，從而導致大紊流積分尺度流場中脈動風壓功率譜與脈動風速功率譜趨向一致，即呈現準定常特性。總體來說在迎風面駐點，紊流積分尺度越大，脈動風壓功率譜越大。寬面迎風工況下，側面和背面中點的脈動風壓功率譜隨積分尺度的增大而減小，而在窄面迎風這種結論并不顯著，這可能是由于側面和背面脈動風壓功率譜受流動分離、漩渦脫落、以及模型寬深比等多種因素影響，積分尺度對負壓區脈動風壓功率譜的影響有待進一步研究。

迎風面

XNJD32和XNJD12寬面迎風時模型2/3H高度處各面典型測點的脈動風壓功率譜，如圖8所示。總體來看，在迎風面，側面和背風面XNJD32和XNJD12的脈動風壓功率譜有相似的分布，在迎風面駐點以及距離較近的4號測點均有明顯的順風向特征，在5號邊緣測點則出現了較強的漩渦脫落特征，且測點距離迎風面邊緣越近，低頻區間功率譜越小，高頻區功率譜越大；側面5個測點都出現了較強的漩渦脫落特征，漩渦脫落頻率fs均約為0.1，且從上游區到下游區，高頻區間的功率譜逐漸增大；在背風面，3個測點均有較強的漩渦脫落特征，在背面中點13號測點和距離背面中點較近的12號測點均出現了主導漩渦脫落頻率fs和諧波2fs[26],且中間13號測點在fs處漩渦脫落特征更明顯，12號測點在2fs處漩渦脫落特征更明顯，而最靠近背面邊緣的11號測點，其主導漩渦脫落頻率為2fs，由于兩種工況的漩渦脫落頻率一致，可以認為紊流積分尺度對漩渦脫落頻率影響不明顯。對比兩種工況可知，紊流積分尺度越小，側面和背面整體的脈動風壓功率譜越大，由圖8可知，XNJD12的漩渦脫落特征更為顯著，這可能是由于XNJD12工況的紊流積分尺度較小而引起。

迎風面

2.5 風壓相關性

2.5.1 水平相關性

圖9 脈動風壓水平相關系數

2.5.2 豎向相關性

圖10 脈動風壓豎向相關系數

為進一步研究紊流積分尺度對豎向脈動風壓空間相關性的影響，計算了相同情況下的豎向相干函數，各面中點的豎向相干函數如圖11和圖12所示。由圖可知，迎風面脈動風壓豎向相干函數均大于脈動風速豎向相干函數，即迎風面脈動風壓相關性始終強于脈動風速的相關性，在側面和背面可以看出，寬面迎風的漩渦脫落特征較窄面迎風更為顯著，與徐安的研究一致。而豎向相干函數與紊流積分尺度呈現出與豎向相關系數不一致的變化規律，這可能是由于豎向脈動風壓相干函數受間距，模型尺寸，紊流場參數等多種因素的影響，因此，紊流積分尺度對豎向脈動風壓相干函數的影響有待于進一步研究。

(a)迎風面中點

(a)迎風面中點

3 結 論

本文通過在采用不同縮尺CAARC模型在相應縮尺B類風場中的測壓試驗，研究了紊流積分尺度的模型表面風壓特性的影響，得出的主要結論如下：

(1)紊流積分尺度對平均風壓系數影響較小。

(3)對于迎風面駐點，在低頻區間，脈動風壓功率譜由準定常效應控制，基本保持一致，在高頻區間，脈動風壓功率譜衰減速度快于脈動風速功率譜，且紊流積分尺度越小，衰減速度越快；紊流積分尺度越小，寬面迎風時側面與背風面的脈動風壓功率譜越大，迎風面外緣點和背面的漩渦脫落特征更為顯著。