紊流积分尺度对CAARC模型表面风压特性的影响

2022-05-16张海程杜树碧李明水

振动与冲击 2022年9期

张海程，杜树碧,2，李明水,2，秦川

(1.西南交通大学土木工程学院, 成都 610031；2.西南交通大学风工程四川省重点实验室, 成都 610031)

Tieleman等[3]对风洞试验结果与实测结果进行对比发现，实测的平均风压系数比风洞所测高出25%～50%；实测脉动风压均方根与峰值风压为风洞试验的3倍～4倍。Shu等[4]研究发现紊流积分尺度和紊流强度会对钝体上下表面的脉动风压系数造成显著的影响。Saathoff等[5]利用均匀流场与格栅流场对短轴对称圆柱前缘进行测压试验，研究结论表明，紊流强度与紊流积分尺度同时影响脉动风压系数。Bearman[6]研究结论表明来流中紊流积分尺度越大，模型迎风面驻点的脉动风压均方根越大。Morrison等[7]对低矮建筑上表面前缘处脉动风压与来流积分尺度的关系进行了研究，结论表明：来流中紊流积分尺度越小，屋盖前缘处脉动风压均方根越大。Du等[8]利用不同的格栅流场对矩形迎风面进行了测压试验，结论表明：脉动风压均方根系数随积分尺度的增大而增大，驻点附近增大程度较小，边缘处增大幅度较大。曾加东等[9]对宽厚比为2∶1的矩形进行了边界层风洞试验，研究结论表明：矩形高层建筑顺风向脉动风荷载相关性与紊流积分尺度成正比。为研究紊流积分尺度对高层建筑表面风压特征的影响，本文采用1∶100和1∶200缩尺比的CAARC标准高层建筑模型为研究对象，在3种B类边界层风场中进行风洞测压试验，探讨了紊流积分尺度对脉动风压分布特性的影响。

1 试验安排

1.1 模型与测点布置

CAARC模型是联邦航空咨询委员会提出的一种用以检验不同风洞所得试验数据的一致性的高层建筑标准模型[10]，本文共采用了1∶100和1∶200两种缩尺比试验模型，两种模型的测压点均布置在模型1/4H，1/3H，1/2H，2/3H高度处(H为模型总高度)，CAARC模型原始尺寸与测点编号及布置如图1所示。

(a)测点层高度

试验时测压系统采用 Scanivalve电子扫描阀(DSM-4000)，测压阀置于模型内部，测压管路长度短于0.2 m，以减小压力信号的幅值畸变和相位畸变[11-13]，采样频率为256 Hz，采样时间为 180 s。测压时采用TFI Cobra Probe三维脉动风速仪同步采集模型参考高度2/3H处的来流风速，采样频率256 Hz，采样时间为180 s。

1.2 大气边界层模拟

为了产生变化范围较大的紊流积分尺度，本次试验在XNJD-1和XNJD-3风洞中进行。XNJD-1风洞为双试验段回流式风洞，本文所用试验段截面尺寸(宽×高)为 2.4 m×2.0 m，风速范围为1.0～45.0 m/s；XNJD-3风洞试验段截面(宽×高)为22.5 m×4.5 m，风速范围为1.0～16.5 m/s。XNJD-1和XNJD-3风洞中的背景紊流度分别为1%和0.5%，满足JGJ/T 338—2014《建筑工程风洞试验方法标准》[14]中2.1.3条规定“背景紊流度不应大于2.0%”的要求。1∶100模型在XNJD-3中进行测压试验，编号为XNJD31，1∶200模型分别在XNJD-1和XNJD-3中进行测压试验，编号分别为XNJD12和XNJD32，所用风场均为相应缩尺比的B类风场，由于XNJD31和XNJD32所用风场均是同一个风洞中不同比例的B类风场，所以两种边界层模拟采用了相同的粗糙元布置，且均在尖劈底部布置了锯齿形挡板，仅通过调节尖劈布置来改变风场，XNJD31采用9个三角形尖劈，间距为2.5 m，XNJD32采用8个三角形尖劈，间距为2.8 m；XNJD12采用3个较小的三角形尖劈，并布置了15排大粗糙元，纵横向间距为0.3 m，22排小粗糙元，纵横向间距为0.2 m，均采用TFI Cobra Probe三维脉动风速仪对紊流场进行风速测量，采样频率为256 Hz，采样时间180 s。

表1为各种工况时的阻塞比，最大阻塞比为4.36%，满足JGJ/T 338—2014《建筑工程风洞试验方法标准》中1.1.10条第1款规定“阻塞比不宜大于5%，最大不应超过8%”的要求。3种风场的平均风速剖面与紊流度剖面，如图2所示。z为风速测量高度，Iu为测点高度处的紊流度，U为测量高度处的平均风速，U2/3H为2/3H高度处的来流平均风速。图2中左边为紊流度剖面，右边为平均风速剖面。由图2可知，平均风速和紊流度均与规范要求的标准曲线吻合良好。3种风场的脉动风速功率谱，如图3所示。f为脉动风速的频率，Su为脉动风速功率谱，σu为脉动风速均方根，由图3可知，3种风场的脉动风速功率谱均与Von Kármán谱吻合良好，通过对试验数据与Von Kármán谱进行拟合，可以得到相应的紊流积分尺度[15-16]。各流场的紊流参数如表2所示。从表2可知，平均风速随高度增大而增大，符合平均风速剖面的变化规律，紊流度随高度增大而减小，符合紊流度剖面的变化规律；表2中最小风速为8.01 m/s，满足JGJ/T 338—2014《建筑工程风洞试验方法标准》中1.1.11 条“测压试验和测力试验的自由来流风速最低不应小于8 m/s”的要求，3种风场虽然风速不一致，但文献[17]证明在常规试验中，雷诺数对CAARC模型试验结果影响可忽略不计。

表1 阻塞比

图2 平均风速剖面与紊流度剖面

表2 风场紊流参数

纵向

表3 工况参数

2 试验结果与讨论

2.1 数据处理

平均风压系数

(1)

式中:Pai为测压点的平均风压；Pj为测压时的静压，ρ为空气密度。

脉动风压均方根系数

(2)

2.2 平均风压系数

为了验证本文风压数据采集的准确性，将模型2/3H高度处的平均风压系数与Bristol，Monash，National Aeronautical Establishment(a,b为其所采用的两种边界层模拟方式)，Nmional Physical Laboratory[19]几家国外机构的试验结果进行了对比。对比结果如图4所示。由图4可知，本次试验所得到的数据与其他几家机构接近，且整个断面的变化趋势一致，可以认为本文使用的试验数据可靠有效，且可以看出紊流积分尺度对平均风压系数影响不显著，与前人研究结论相符[20-21]。

图4 CAARC模型平均风压系数(z=2/3H，宽面迎风)

2.3 脉动风压均方根系数

图5 CAARC模型脉动风压系数(宽面迎风)

鉴于迎风面脉动风压主要由顺风向脉动风贡献，而侧面和背面主要受流动分离的控制其风压分布更为复杂，下面采用Du等研究中的归一化均方根风压系数Λ进一步研究了紊流积分尺度的迎风面脉动风压均方根系数的影响

(3)

图6 CAARC模型迎风面脉动风压系数(宽面迎风)

2.4 脉动风压功率谱

2/3H高度处各面中点的脉动风压功率谱，如图7所示。其中纵坐标采用了归一化风谱。对于对称结构，迎风面结构中点即为驻点，由图7所示迎风面驻点脉动风压功率谱可知，在低频区间，脉动风压功率谱基本保持一致，由准定常效应控制；在高频区间，脉动风压功率谱衰减速度快于脉动风速功率谱，且紊流积分尺度越小，衰减速度越快。这是由于当来流遇到阻塞时，小涡会发生拉伸(即流动畸变)[25]，紊流积分尺度小的来流中小涡占比更大，拉伸比例也更大，所以流速更快，风压更小，而大紊流积分尺度流场中大涡起主要控制作用，被可能拉伸的小涡占比较小，从而导致大紊流积分尺度流场中脉动风压功率谱与脉动风速功率谱趋向一致，即呈现准定常特性。总体来说在迎风面驻点，紊流积分尺度越大，脉动风压功率谱越大。宽面迎风工况下，侧面和背面中点的脉动风压功率谱随积分尺度的增大而减小，而在窄面迎风这种结论并不显著，这可能是由于侧面和背面脉动风压功率谱受流动分离、漩涡脱落、以及模型宽深比等多种因素影响，积分尺度对负压区脉动风压功率谱的影响有待进一步研究。

迎风面

XNJD32和XNJD12宽面迎风时模型2/3H高度处各面典型测点的脉动风压功率谱，如图8所示。总体来看，在迎风面，侧面和背风面XNJD32和XNJD12的脉动风压功率谱有相似的分布，在迎风面驻点以及距离较近的4号测点均有明显的顺风向特征，在5号边缘测点则出现了较强的漩涡脱落特征，且测点距离迎风面边缘越近，低频区间功率谱越小，高频区功率谱越大；侧面5个测点都出现了较强的漩涡脱落特征，漩涡脱落频率fs均约为0.1，且从上游区到下游区，高频区间的功率谱逐渐增大；在背风面，3个测点均有较强的漩涡脱落特征，在背面中点13号测点和距离背面中点较近的12号测点均出现了主导漩涡脱落频率fs和谐波2fs[26],且中间13号测点在fs处漩涡脱落特征更明显，12号测点在2fs处漩涡脱落特征更明显，而最靠近背面边缘的11号测点，其主导漩涡脱落频率为2fs，由于两种工况的漩涡脱落频率一致，可以认为紊流积分尺度对漩涡脱落频率影响不明显。对比两种工况可知，紊流积分尺度越小，侧面和背面整体的脉动风压功率谱越大，由图8可知，XNJD12的漩涡脱落特征更为显著，这可能是由于XNJD12工况的紊流积分尺度较小而引起。

迎风面

2.5 风压相关性

2.5.1 水平相关性

图9 脉动风压水平相关系数

2.5.2 竖向相关性

图10 脉动风压竖向相关系数

为进一步研究紊流积分尺度对竖向脉动风压空间相关性的影响，计算了相同情况下的竖向相干函数，各面中点的竖向相干函数如图11和图12所示。由图可知，迎风面脉动风压竖向相干函数均大于脉动风速竖向相干函数，即迎风面脉动风压相关性始终强于脉动风速的相关性，在侧面和背面可以看出，宽面迎风的漩涡脱落特征较窄面迎风更为显著，与徐安的研究一致。而竖向相干函数与紊流积分尺度呈现出与竖向相关系数不一致的变化规律，这可能是由于竖向脉动风压相干函数受间距，模型尺寸，紊流场参数等多种因素的影响，因此，紊流积分尺度对竖向脉动风压相干函数的影响有待于进一步研究。