冀晓华 余世策 蒋建群

(浙江大学建筑工程学院，浙江 杭州 310058)

基于实用测压管路频响修正的风洞动态风压测试★

冀晓华 余世策 蒋建群

(浙江大学建筑工程学院，浙江 杭州 310058)

通过对某厂房模型针对不同的测压管路系统在边界层流场中进行同步测压试验，对修正后的风压系数时程与目标时程进行对比分析，验证修正方法的可靠性。研究结果表明，采用风压测试技术可以获得较为准确的风压系数时程，经修正的实验结果可以用于工程实践。

测压管路，频响函数，傅立叶变换，风压系数谱，相关系数

1 概述

国外学者Irwin[1],Gumley[2，3],Holmes[4，5]等和国内谢壮宁等[6，7],周晅毅等[8,9]对于管路动态特性进行深入的研究，在包括管路频响特性的理论预测、管路的优化设计和管路频响特性的改良等方面作了大量工作，大体上能达到以下共识：其一，在测压管路中增加压扁管或毛细管能改善测压管路的频响特性，但仅限于不太长的管路；其二，利用理论预测方法可以找到比较合适的管路系统，但所提供的优化管路配管方案条件苛刻，很难在工程中应用；其三，采用频响函数在频域内进行修正是最为理想的方法，但管路频响函数的计算非常复杂，且管路内径精确测量难度大造成很大误差。由于工程中涉及大批量测压管路的测压，且这些测压管路多数较长，因此在频域内进行修正是最理想的方法，本文采用自行设计的实验装置对工程中常用管路进行频响函数的测试，采用实测的管路频响函数并在频域内进行修正，对某厂房模型针对不同的管路系统在边界层流场中进行不同风向角下同步测压试验，对修正后的风压系数时程与目标时程进行风压系数均方根、系数谱和相关系数的对比分析，验证修正方法的可靠性，本文的工作可为工程应用中动态风压测试的频域修正提供解决方案。

2 管路频响函数测试和信号修正

2.1 典型管路参数

本文主要针对带转接的Scanivalve电子压力扫描阀的测压管路进行频响函数测试，图1是应用较广的脉动风压测试管路示意图，它由安装在被测物体表面的钢管(G1)、导压的PVC软管(G2)、过渡钢管(G3)、过渡PVC软管(G4)、转接件钢管(G5)、压力模块输入软管(G6)等几部分组成，G3～G6由实验室装备一般固定不变，G1～G2根据模型制作要求确定，接管时只需将模型上的软管与过渡管连接即可，这样的配管能大大提高测压管的连接效率并降低转接件的损坏几率。本次试验采用的各部分尺寸如表1所示，其中G2采用了四种长度，这样配管总长分别为600 mm，900 mm，1 200 mm，1 500 mm，基本上可以涵盖应用中的大部分情形。

表1 典型测压管路尺寸表 mm

2.2 实验装置和测试方案

为了测试典型管路的频响函数，本文研制了专用实验装置，其设计图如图2所示，其原理是利用信号发生器产生正弦波信号，通过功率放大器对信号进行放大，输送到扬声器发出确定的正弦波压力信号，保持正弦波幅值不变并改变正弦波的频率，在扬声器对面安装一块平板，将不同的管路安装在平板上，同时将一根非常短的皮管直接将测压孔与模块相连，由于短管在低频段的频响平坦，可以将短管测到的信号作为标准信号，从而得到被测管路的频响特性曲线。

压力测试采用的Scanivalve电子压力扫描阀系统量程为±2 500 Pa，精度能达到±0.1%F.S.，采样频率最高达625 Hz。由于测压点安装位置非常靠近，全部落在扬声器的声场范围之内，因此可以认为各测压点的压力变化完全一致，在测点与模块的连接方式设计上采取了多点联合扫描技术[10]，所谓多点联合扫描技术就是将压力完全相同的多个测压孔通过同样的管路连接到扫描阀模块中扫描时间间隔相同的一系列传感器上，将多点采集的数据序列按采集顺序集合为一个序列，这样可以大幅度提高采样频率。本文采取4点联合扫描，将系统采样频率设为最高值625 Hz，相当于将采样频率提高到2 500 Hz，这样就能够采集到200 Hz高频的完整正弦波信号。

2.3 频响函数测试结果

首先观察扫描阀采集到的压力时程，图3为短管测到的标准信号和G2=500 mm的管系测到的信号在50 Hz激振频率的正弦波压力激励下测得的部分脉动压力时程曲线和相应的拟合曲线，从图3中可以看出，通过多点联合扫描技术得到的压力采样结果非常符合正弦波的特征，一方面验证了本文多点联合扫描技术的成功，另一方面也表明本文研制的装置能产生优质的高频正弦波。

白丽筠矜持地微笑起来，缓缓地说，我就是要用这个段子让季经理、李老板两人都光火，我就是要让他们都怕我，从此不再理睬我。可是，我这么做的最大理由是什么呢？

2.4 基于频响函数的修正方法

当测得各管系的幅频曲线和相频曲线的实验离散点后(见图4，图5)，在进行修正时首先要对这些离散点进行多项式拟合，以得到各管系频响函数离散点最为接近的函数，分别以|H(f)|和φ(f)进行拟合，则频响函数可表达为：

H(f)=|H(f)|[cosφ(f)+isinφ(f)]

(1)

则修正前测得压力的傅立叶变换P0(f)和修正后压力的傅立叶变换P1(f)之间的关系为：

P0(f)=P1(f)H(f)

(2)

因此修正后压力时程p1(t)可以表示为：

(3)

其中，p0(t)为修正前测得的压力时程；fft，ifft分别为傅立叶变换和傅立叶逆变换；real为复数的实部，当然上式同样也适用于压力系数时程的修正。

3 风洞试验

3.1 试验概况

本次试验在浙江大学ZD-1风洞中进行，试验对象为某工业厂房，该厂房长65.7 m，宽43.7 m，高19.2 m，试验中采用1∶120缩尺比，在试验前模拟出B类大气边界层流场，风速剖面和湍流度剖面模拟结果如图6所示，由于本次试验主要是为了对不同管系试验结果进行对比分析并进行修正验算，因此仅取了位于0°迎风山墙边缘外表面的一个测点进行试验，测点位置如图7所示，随着风向角变化这一点将从迎风面来流区到侧向气流分离区，最后到背风尾流区，因此选择这个位置有一定的代表性。为了便于对比，在同一个测点位置安装了五个测压孔，这五个测压孔位置非常靠近，可以认为测得的风压完全一致。将这五个测压孔分别连接到扫描阀上，其中一个测压孔通过非常短的皮管直接连接到扫描阀上，测到的结果作为标准结果，其他四个测压孔采用表1中的四种管系连接到扫描阀上，试验中取屋盖高度处为参考点，参考风速为12.4 m/s，采样频率为625 Hz，采样点数20 000个，试验中每15°风向角记录一次试验数据，得到24个风向角的数据。

3.2 试验结果分析

图8和图9分别为五个测压孔测得的平均风压系数和均方根风压系数随风向角的变化曲线，从图中可以看出四种管系测得的平均风压系数基本上与标准值完全吻合，仅平均风压系数接近0时略有差异，这是传感器的测量误差引起的，而均方根风压系数则差异较明显，特别是风向角为75°测点处于气流分离区时，由管路引起的脉动风压与标准值的误差最大，四种管系均方根风压系数分别偏小0.018，0.025，0.047和0.06，相对误差分别达到4.5%，6.1%，11.6%和14.7%，75°风向角下各管系测得的风压系数谱如图10所示，可见高频部分能量衰减较为明显。由此可见，由管路引起的信号畸变对脉动风压测试的影响是不能忽略的，必须进行修正。

3.3 风压系数修正效果

为了验证基于频响函数的修正方法，这里针对工程中应用最为广泛的管系(G2=800 mm)，管路总长为1 200 mm。采用2.4节中的方法对风向角为75°时的测试结果进行频域修正，图11为采用该管系实测及修正后的风压系数时程和采用短管直接测得的标准信号的部分时程对比图，从图11可以看出，修正前的风压系数时程明显滞后于标准信号，且幅值大部分也偏小，经修正后的风压系数时程与标准信号吻合的较为理想，图12为相对应的风压系数谱对比图，很显然修正后的风压系数谱与标准风压系数谱几乎完全重合，这表明本文的频域修正方法在很大程度上修正了管路信号畸变引起的误差。当然由于风压脉动强弱的差异，不同风向角下的修正效果也会有所差异，为直观了解这种差异，这里引入相关系数γ和均方根系数相对误差ζ两个变量来描述修正后的效果，其中定义相关系数γ为：

(4)

其中，xi为待分析风压系数时程第i个数据；yi为标准风压系数时程第i个数据，当x和y时程越同步，相关系数越接近1。另一方面，定义均方根系数相对误差ζ为：

(5)

其中，σx为待分析风压系数时程的均方根；σy为标准风压系数时程的均方根，相对误差表征的是待分析时程和标准信号脉动程度的相符性。图13 为修正前后压力系数时程与标准信号的相关系数随风向角的变化情况，从图中可以看出，修正前相关系数不高，最低仅0.55，而修正后的相关系数达到0.8以上，最高达到0.98，需要指出的是测点位于迎风区和气流分离区时修正效果较为理想，而当测点位于尾流区时，修正效果欠佳，主要原因在于此时风压脉动较弱，测试误差相对较大；图14为均方根系数相对误差随风向角的变化情况，修正后的均方根风压系数明显更接近标准信号，相对误差除两个风向角超过5%以外，其余均在±5%以内，可见通过在频域内进行修正，得到的压力脉动时程与标准信号更为贴近。

3.4 不同管系修正效果的对比分析

为了解对不同管系测得到结果的修正效果，这里将具代表性的0°，75°和285°三个风向角下的修正效果数据列于表2，可以看出，不同管系的修正效果均比较理想，修正后的相关系数均有大幅提高，且均方根系数的相对误差更接近0，除了285°风向角下的均方根风压系数修正结果的相对误差略偏大外，其余均较为理想，由于尾流区均方根系数本身不大，略大的相对误差对工程影响不大。可见，即使测压管路总长达到了1 500 mm，采用本文的修正方法仍能得到比较理想的结果，管路长度影响不大。

表2 不同管系修正效果对比表

G2/mm风向角/(°)γζ/%修正前修正后修正前修正后200500800110000.930.95-1.460.79750.870.92-4.54-2.542850.690.77-11.4-1.6400.870.94-2.67-1.10750.880.93-6.12-4.492850.580.71-16.5-10.700.830.97-7.361.84750.840.91-11.6-2.102850.550.80-22.7-1.0900.810.92-10.9-1.01750.820.83-14.7-4.892850.540.61-26.311.4

4 结语

本文采用自行设计的实验装置对工程中常用管路进行频响函数的测试，采用实测的管路频响函数编写了频域修正程序，并验证了修正方法的可靠性，在整个过程中得出以下几点结论：

1)采用实测管路频响函数进行动态风压频域修正方法是可行的，能大大提高动态风压测试的精度；2)位于迎风区、气流分离区的动态风压修正效果较为理想，背风区动态风压的修正效果略显不足，但对工程应用的影响不大；3)针对本文采用的四种管系均可采用频域内修正方法进行修正，管路长度对修正效果影响不大。

[1] Irwin H P A H，Cooper K R，Girard R.Correction of distortion effects caused by tubing systems in measurements of fluctuating pressures[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,1979,5(1-2):93-107.

[2] Gumley S J .Tubing systems for pneumatic averaging of fluctuating pressures[J].Journal of Wind Engineering Industrial Aerodynamics,1983,12(2):189-228.

[3] Gumley S J.A detailed design method for pneumatic tubing systems[J].Journal of Wind Engineering Industrial Aerodynamics，1983，13(1-3):441-452.

[4] Holmes J D，Lewis R E.Optimization of dynamic pressure measurement systems.Ι.Single point measurements[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1987，25(3):249-273.

[5] Holmes J D，Lewis R E.Optimization of dynamic pressure measurement systems.Ⅱ.Parallel tube manifold systems [J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1987，25(3):275-290.

[6] 谢壮宁,顾 明,倪振华.复杂测压管路系统动态特性的通用分析程序[J].同济大学学报，2003，31(6)：702-708.

[7] 谢壮宁,倪振华,石碧青.脉动风压测压管路系统的动态特性分析[J].应用力学学报,2002,19(1):5-9.

[8] 周晅毅,顾 明.风洞实验中多通道测压管路系统的参数分析[J].同济大学学报(自然科学版)，2005,33(8):1001- 1006.

[9] 周晅毅,顾 明.并联管道耗散模型的理论研究[J].振动与冲击，2004，23(3):79-82.

[10] 余世策,韩新刚,冀晓华，等.测压管路动态特性的实测技术研究[J].实验技术与管理，2012，29(2):40-43.

Wind tunnel dynamic pressure testing based on the practical tubing system frequency response correction★

JI Xiao-hua YU Shi-ce JIANG Jian-qun

(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

A plant model with different tubing system was tested in the boundary layer flow field, the modified wind pressure coefficient time histories were compared with the target time histories to validate the reliability of the correction method. Research results show that accurate wind pressure coefficient time histories can be obtained by using the pressure testing technology offered in this paper, and the revised experimental results can be used for engineering practice.

tubing system, frequency response function, FFT, wind pressure coefficient spectrum, correlation coefficient

1009-6825(2014)11-0032-04

2014-01-21★：国家自然科学基金(项目编号：50908208)

冀晓华(1981- )，男，硕士，助理工程师； 余世策(1978- )，男，博士，高级工程师； 蒋建群(1962- )，男，博士，教授

TU317.1

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