等離子體流動(dòng)控制試驗(yàn)與仿真對(duì)比研究

李正農(nóng) 王鵬 張學(xué)文

摘 ? 要：采用數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了當(dāng)來流風(fēng)速為7 m/s、湍流度小于10%時(shí)，在4種不同方向的等離子體射流激勵(lì)下，低矮房屋平屋面上流動(dòng)分離的規(guī)律.研究結(jié)果表明：施加順風(fēng)向等離子體激勵(lì)，能減小屋面的平均風(fēng)壓系數(shù)和極值風(fēng)壓系數(shù);施加逆風(fēng)向等離子體激勵(lì)，能增大屋面前檐的平均風(fēng)壓系數(shù)和極值風(fēng)壓系數(shù)，同時(shí)減小屋面中部及后檐的平均風(fēng)壓系數(shù)和極值風(fēng)壓系數(shù);施加引起由中間射向兩邊的等離子體激勵(lì)，能增大屋面前檐的平均風(fēng)壓系數(shù)和極值風(fēng)壓系數(shù)，能減小屋面后檐的平均風(fēng)壓系數(shù)和極值風(fēng)壓系數(shù);施加引起由兩邊射向中間的等離子體激勵(lì)，能減小屋面前檐以及屋面后檐的平均風(fēng)壓系數(shù)，同時(shí)能增大屋面中間的平均風(fēng)壓系數(shù)和極值風(fēng)壓系數(shù).

關(guān)鍵詞：流動(dòng)控制;等離子體;風(fēng)洞試驗(yàn);數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TU312.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： This article studied the rule of flow separation in low-rise building with flat roof through the combination of experimental method and numerical simulation， when the wind speed is 7 m/s and the turbulence is less than 10%. The results indicated that the mean wind pressure coefficient and extreme wind pressure coefficient of the roof decreased when applying along-wind plasma actuation; The mean wind pressure coefficient and extreme wind pressure coefficient increased in the front portion of the roof， and decreased in the back portion of the roof when applying headwind plasma actuation; The mean wind pressure coefficient and extreme wind pressure coefficient increased in the front portion of the roof and decreased in the back portion of the roof when applying the plasma actuation from middle to the both sides; The mean wind pressure coefficient decreased in the front portion of the roof and in the back portion， and the mean wind pressure coefficient and extreme wind pressure coefficient increased in the middle portion of the roof when applying the plasma actuation from the both sides to middle. The results of this paper can provide reference for wind resistance studies of building.

Key words： flow control;plasma;wind tunnel experiment;numerical simulation

在各種自然災(zāi)害當(dāng)中，風(fēng)災(zāi)對(duì)人們的生活生產(chǎn)影響最大. 雖然其作用幅度一般比地震小，但其發(fā)生的頻率卻比地震高得多. 國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)資料表明，眾多的自然災(zāi)害中，風(fēng)災(zāi)造成的損失位列各種災(zāi)害之首[1]，近年來，風(fēng)災(zāi)造成的損失逐年增加，比如，2016年9月，“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)造成17 907間房屋損毀，直接經(jīng)濟(jì)損失至少102億元，同時(shí)造成多人死亡. 風(fēng)災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡巨大. 如果在風(fēng)災(zāi)發(fā)生前，能夠?qū)ㄖM(jìn)行有效的抗風(fēng)設(shè)計(jì)來減少結(jié)構(gòu)受到的風(fēng)荷載，經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡將會(huì)得到一定的控制.

建筑的抗風(fēng)問題是近年來風(fēng)工程研究的熱點(diǎn). 國(guó)內(nèi)外有關(guān)科研學(xué)者通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬等研究方法進(jìn)行了大量建筑物風(fēng)載特性的研究，并取得了重要的研究結(jié)論和成果. 程志軍等人[2]揭示了結(jié)構(gòu)風(fēng)致破壞機(jī)理分別有流動(dòng)分離、內(nèi)外壓力共同作用、風(fēng)荷載作用下的動(dòng)力效應(yīng)，其中流動(dòng)分離是導(dǎo)致建筑物破壞最普遍的原因.

眾多學(xué)者對(duì)如何減小建筑物所受風(fēng)荷載進(jìn)行了研究，傳統(tǒng)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)是增加結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度來抵抗風(fēng)荷載，這是一種消極、不經(jīng)濟(jì)的方式，隨著結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的發(fā)展，流動(dòng)控制是基于建筑物受風(fēng)荷載破壞的機(jī)理而提出的一種方法. 流動(dòng)控制稱為邊界層控制，指采取一定的局部控制措施來改變物體周圍的全局流場(chǎng)，而達(dá)到改善流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、興利減弊效果的方法. Choi等人[3]認(rèn)為流動(dòng)控制能實(shí)現(xiàn)延遲或者加速流動(dòng)的轉(zhuǎn)捩、減弱或者加強(qiáng)湍流摻混以及抑制或者促進(jìn)分離等，從而實(shí)現(xiàn)控制尾流區(qū)的湍流結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)傳熱傳質(zhì)、減阻增升以及抑制流動(dòng)引起的振動(dòng)和噪聲等目的. 流動(dòng)控制分為被動(dòng)流動(dòng)控制及主動(dòng)流動(dòng)控制. 被動(dòng)流動(dòng)控制不需要任何輔助能量的輸入，主要通過改變建筑結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)外形和邊界條件等方式，從而實(shí)現(xiàn)不同的流動(dòng)控制目的. 尾部設(shè)置障礙物、水平或豎向貫穿開洞、增加表面粗糙度和優(yōu)化截面形狀等[4]都是常見的被動(dòng)流動(dòng)控制. 主動(dòng)流動(dòng)控制需要借助于輔助能量，向流動(dòng)環(huán)境中直接注入合適的擾動(dòng)模式，系統(tǒng)內(nèi)在模式相耦合達(dá)到控制邊界層流動(dòng)的目的. 向流場(chǎng)中注入角動(dòng)量[5]、等離子體流動(dòng)控制[6]及采用吸/吹氣方法[7]控制結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載及風(fēng)致響應(yīng)是常見的主動(dòng)流動(dòng)控制. 研究表明[7]，被動(dòng)控制具有控制不靈活、控制效果不明顯等缺點(diǎn)，而主動(dòng)控制則具有易控性及控制效果好等優(yōu)點(diǎn). 等離子體流動(dòng)控制是運(yùn)用最廣泛的主動(dòng)流動(dòng)控制方法[6].

等離子體是處于一定溫度下的電離氣體，通常等離子體被稱為“物質(zhì)的第四態(tài)”，它是由許多帶電粒子組成的一個(gè)體系. 等離子體可從外加電磁場(chǎng)中獲得能量，使其產(chǎn)生溫度和壓強(qiáng)的升高或者產(chǎn)生宏觀的定向運(yùn)動(dòng). 利用等離子體的這一特性，可以對(duì)流場(chǎng)施加一定的可控?cái)_動(dòng)，在主動(dòng)流動(dòng)控制領(lǐng)域表現(xiàn)出潛在的應(yīng)用前景[8].

截止目前，等離子流動(dòng)控制主要運(yùn)用于航天飛行器中[9-10]，等離子體流動(dòng)控制在建筑抗風(fēng)領(lǐng)域研究還很少，本文是基礎(chǔ)性研究，研究基本現(xiàn)象，旨在將等離子體流動(dòng)控制運(yùn)用到建筑風(fēng)工程中，先對(duì)簡(jiǎn)單的情況進(jìn)行研究. 航天飛行器飛行時(shí)主要處于一種低湍流度的環(huán)境中，因此本文是研究建筑物在低湍流度風(fēng)場(chǎng)中的情況. 在實(shí)際情況中，建筑的形態(tài)各異，建筑周圍的流場(chǎng)也很復(fù)雜，但本文為了方便觀察試驗(yàn)現(xiàn)象，試驗(yàn)選取了一個(gè)較為簡(jiǎn)單的平屋頂進(jìn)行研究.

1 ? 試驗(yàn)概況

1.1 ? 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在湖南大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)室的HD-3大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行，該風(fēng)洞為低速、直流邊界層風(fēng)洞. 模型試驗(yàn)區(qū)橫截面寬3 m，高2.5 m，試驗(yàn)段風(fēng)速 0.5～20.0 m/s連續(xù)可調(diào). 大氣邊界層模擬風(fēng)場(chǎng)調(diào)試和測(cè)定用澳大利亞TFI眼鏡蛇三維脈動(dòng)風(fēng)速測(cè)量?jī)x（Cobra Probe）進(jìn)行測(cè)量. 該儀器的測(cè)量精度為0.5 m/s，測(cè)量范圍為2～100 m/s. 可用來測(cè)量流場(chǎng)的平均風(fēng)速、湍流度以及脈動(dòng)風(fēng)功率譜等數(shù)據(jù). 風(fēng)壓測(cè)量、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)采用美國(guó)Scanivalve掃描閥公司的DSM3400電子壓力掃描閥系統(tǒng). 該系統(tǒng)能接8個(gè)壓力掃描閥采集模塊，每個(gè)掃描閥采集模塊可接64個(gè)測(cè)點(diǎn). 采樣頻率為312.5 Hz，量程為±10英寸水柱.

等離子體激勵(lì)器有很多種，常見的有輝光放電、電暈放電、介質(zhì)阻擋放電、大氣壓輝光放電、射頻電暈放電、微波放電等. 介質(zhì)阻擋放電（DBD）激勵(lì)器放電電極安裝在介質(zhì)板兩側(cè)，放電發(fā)生在電極附近，放電空間受限制較小，有利于生成較大面積的等離子體層，由于介質(zhì)的存在，避免了火花或電弧的產(chǎn)生. 介質(zhì)阻擋放電激勵(lì)器包括對(duì)稱結(jié)構(gòu)和非對(duì)稱結(jié)構(gòu)兩種常見的形式，非對(duì)稱結(jié)構(gòu)激勵(lì)器，多應(yīng)用于流動(dòng)控制領(lǐng)域，圖1為非對(duì)稱介質(zhì)阻擋放電激勵(lì)器示意圖，文中采用的介質(zhì)阻擋等離子體激勵(lì)器兩電極中心的中心間距為4 mm. 電極采用銅片，長(zhǎng)度為170 mm，寬度為4 mm，厚度0.1 mm，絕緣平板采用聚四氟乙烯，試驗(yàn)時(shí)，將電極用環(huán)氧樹脂類粘膠劑粘接在絕緣平板的上、下表面. 在試驗(yàn)中，為提高激勵(lì)強(qiáng)度和擴(kuò)大激勵(lì)范圍，試驗(yàn)中將6個(gè)等離子體激勵(lì)器組合使用，其上電極連接電源的正極，同時(shí)下電極接地. 圖2為試驗(yàn)時(shí)的等離子體激勵(lì)器，試驗(yàn)時(shí)，兩邊粘在模型側(cè)面，地面上的線將其固定在地面上. 高壓高頻電源給平板上的等離子體激勵(lì)器提供能量，使電極間具有電勢(shì)差并能夠維持穩(wěn)定的放電現(xiàn)象. 電源的輸出電壓和頻率連續(xù)可調(diào)，范圍分別為0～30 kV和5～20 kHz，且輸出波形為正弦波. 試驗(yàn)時(shí)，等離子體激勵(lì)器兩端的峰-峰值電壓皆采用15 kV，頻率皆采用6.5 kHz.

1.2 ? 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑闊o挑檐的平屋頂?shù)桶课荩螤顬殚L(zhǎng)方體. 模型幾何縮尺比為1∶40，模型尺寸為177.5 mm（長(zhǎng)）×118 mm（寬）×200 mm（高），如圖3所示.

低矮房屋由4面墻體和1塊屋蓋組成，等離子激勵(lì)器安裝在平屋頂上. 墻體厚度為1 mm. 屋板材料采用聚四氟乙烯，厚度1 mm，相對(duì)介電常數(shù)為5.5. 圖4為低矮房屋放置在風(fēng)洞試驗(yàn)室試驗(yàn)段，其阻塞率遠(yuǎn)小于5%，滿足風(fēng)洞試驗(yàn)要求.

1.3 ? 風(fēng)場(chǎng)及試驗(yàn)工況

大氣邊界層的模擬，平均風(fēng)速剖面和湍流度剖面如圖5所示. 其風(fēng)速介于5.5 ～7 m/s之間，湍流度小于10%，屋面高度處風(fēng)速為7 m/s，湍流度小于2%.

屋蓋由2塊平板組成，每塊平板都裝有3對(duì)電極，所有電極都平行于屋蓋前緣，每對(duì)電極誘導(dǎo)的射流都平行于屋面. 根據(jù)兩塊平板的射流方向來分，屋蓋的等離子體激勵(lì)器有4種不同的布置方式，分別命名為工況A、B、C和D，如圖6所示. 圖6中的屋蓋安裝在圖3中的低矮房屋上. 圖7展示了各工況在截面2-2的剖面圖. 其中，工況A誘導(dǎo)的射流方向和來流方向相同，即引起順風(fēng)向射流;工況B誘導(dǎo)的射流方向與來流方向相反，即引起逆風(fēng)向射流;工況C能誘導(dǎo)出由屋蓋中間射向屋檐兩側(cè)的射流;工況D能誘導(dǎo)出由屋檐兩側(cè)射向屋蓋中間的射流.

測(cè)點(diǎn)布置基于對(duì)稱性，測(cè)量只在中間及一測(cè)進(jìn)行，在平屋蓋中線及一側(cè)共設(shè)置兩排測(cè)壓孔，如圖3中虛線位置所示，測(cè)點(diǎn)布置圖如圖6所示. 兩排共有12個(gè)測(cè)壓孔. 兩排測(cè)壓孔所在的截面分別命名為截面1-1和截面2-2，分別處于y = 20.75 mm和y = 88.75 mm處. 每個(gè)測(cè)壓孔的直徑為1.2 mm. 連接掃描閥的絕緣塑料管（內(nèi)徑1 mm）的末端連接鋼管，鋼管（長(zhǎng)度10 mm，內(nèi)徑1 mm）的另一頭插入測(cè)壓孔中，沿著順風(fēng)向依次對(duì)各工況下的測(cè)孔進(jìn)行編號(hào)，則截面1-1包括B1、B2、B3、B4、B5和B6;截面2-2包括Z1、Z2、Z3、Z4、Z5和Z6. 由于電極布設(shè)方式不完全一樣，導(dǎo)致圖6中工況A、B、C和D之間的測(cè)孔位置存在差別. 圖8展現(xiàn)了等離子體激勵(lì)器在黑暗房間中的發(fā)光現(xiàn)象.

2 ? 模擬概況

2.1 ? 等離子體的處理

眾多研究學(xué)者在結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究中，對(duì)房屋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究[11]，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究對(duì)客觀條件要求苛刻，還需要大量的人力物力，相反，數(shù)值模擬是一種簡(jiǎn)便低成本的研究方法[12].為了研究等離子激勵(lì)的流動(dòng)控制機(jī)理，需要對(duì)等離子體模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，并建立合理的計(jì)算模型. 對(duì)DBD等離子體激勵(lì)器進(jìn)行簡(jiǎn)化的計(jì)算模型有多種，例如基于唯象模型的仿真，以及粒子群-蒙特卡羅的模型. 但是，由于流體力學(xué)計(jì)算本身特別復(fù)雜，存在著流動(dòng)分離、旋渦等復(fù)雜的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，使用電場(chǎng)和流場(chǎng)耦合等算法會(huì)非常復(fù)雜，計(jì)算工作量會(huì)非常大. 因此，本文采用Shyy等人[13]提出的一種唯象模型，其主要原理就是根據(jù)試驗(yàn)和理論分析，得到等離子體激勵(lì)器產(chǎn)生的電場(chǎng)力分布范圍以及大小，并將得到的電場(chǎng)力作為體積力，直接將其添加到流場(chǎng)計(jì)算的N-S方程中，從而模擬出等離子體激勵(lì)對(duì)流場(chǎng)的影響.

Shyy根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和理論分析，認(rèn)為可以將等離子體激勵(lì)器作用的區(qū)域簡(jiǎn)化為一個(gè)寬度為b、高度為a的三角形區(qū)域OAB，如圖9和圖10所示. 圖9、圖10分別表示等離子體激勵(lì)器實(shí)際產(chǎn)生的電場(chǎng)線和簡(jiǎn)化后電場(chǎng)線的分布. 從圖9中可以看出，由于等離子體激勵(lì)器產(chǎn)生的電場(chǎng)線在正極附近非常集中，而在負(fù)極上的分布很均勻，電場(chǎng)強(qiáng)度隨著與正極的距離的增大而減小，因此，可以將其近似為平行于OAB三角形AB邊的電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度近似為線性分布，在原點(diǎn)O處具有最大的電場(chǎng)強(qiáng)度E0，在OA、OB以及AB邊上的電場(chǎng)強(qiáng)度為截?cái)嚯妶?chǎng)強(qiáng)度Eb.當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度低于截?cái)嚯妶?chǎng)強(qiáng)度Eb時(shí)，電場(chǎng)力的強(qiáng)度不能擊穿空氣而不能產(chǎn)生等離子體，因此可以忽略不計(jì). 在整個(gè)三角形區(qū)域內(nèi)，電場(chǎng)力平行于AB邊，并呈線性分布.

入口處數(shù)值模擬風(fēng)剖面與湍流度剖面如圖5所示，其與風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)剖面、湍流度剖面一致，數(shù)值模擬入口邊界條件與風(fēng)洞試驗(yàn)入口邊界條件一致.

出口處選用充分發(fā)展的自由出流邊界（outflow），流域頂部、兩側(cè)面以及建筑表面和地面選用無滑移的靜止壁面（wall）.

為了減少計(jì)算所需的時(shí)間，加快收斂進(jìn)度，在進(jìn)行大渦模擬前，首先使用雷諾平均法（RANS）來進(jìn)行與時(shí)間無關(guān)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算，并為后續(xù)大渦模擬創(chuàng)造初始流場(chǎng). 穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)，湍流模型選用具有較高精度和穩(wěn)定性的RNG k-ε模型，并使用非平衡壁面函數(shù)（Non-Equilibrium Wall Functions）來對(duì)近壁面進(jìn)行處理，從而補(bǔ)充湍流模型. 流體材料選用理想不可壓縮氣體，材料參數(shù)使用默認(rèn)值. 速度壓力方程組采用SIMPLEC方法進(jìn)行解耦，離散格式使用二階迎風(fēng)格式（Second Order Upwind）. 在穩(wěn)態(tài)計(jì)算收斂以后，對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行初始化，這樣能夠利用穩(wěn)態(tài)計(jì)算的結(jié)果作為大渦模擬的初始流場(chǎng)，從而加快大渦模擬的收斂速度. 在使用大渦模擬計(jì)算時(shí)使用Smagorinsky-Lilly模型，同時(shí)使用基于解耦思想的SIMPLEC算法來對(duì)離散方程進(jìn)行解耦，使用標(biāo)準(zhǔn)（Standard）離散格式離散壓力項(xiàng)，使用中心差分格式（Bounded Central Differencing）來離散動(dòng)量方程，同時(shí)瞬態(tài)方程的離散格式使用二階隱式格式（Second Order Implicit）.

對(duì)于穩(wěn)態(tài)的模擬計(jì)算，收斂標(biāo)準(zhǔn)為各項(xiàng)殘差下降至10-5以下，對(duì)于大渦模擬，設(shè)置10-4作為收斂的標(biāo)準(zhǔn). 瞬態(tài)計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)取為0.005 s.

為了便于風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬的對(duì)比，在數(shù)值模擬中設(shè)置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量與位置與試驗(yàn)中測(cè)壓孔的數(shù)量與位置一致.

3 ? 風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比

3.1 ? 平均風(fēng)壓系數(shù)的變化

對(duì)于工況A、工況B、工況C、工況D無等離子體激勵(lì)時(shí)風(fēng)洞試驗(yàn)的屋面平均風(fēng)壓系數(shù)分布的位置及大小與數(shù)值模擬的基本一致，差異在3%以內(nèi). 這個(gè)差異由模擬過程中的假設(shè)及采集儀器的穩(wěn)定性等原因造成，但對(duì)于本文來說差異在可接受范圍之內(nèi).文中計(jì)算風(fēng)壓系數(shù)的變化量取風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬的平均值，屋面平均風(fēng)壓系數(shù)的最小值出現(xiàn)在屋面后檐，屋面平均風(fēng)壓系數(shù)介于-0.67～-0.60之間. 施加順風(fēng)向等離子體激勵(lì)，能減小屋面的平均風(fēng)壓系數(shù)，屋面前檐減小量最大，最大處減小了6.4%;施加逆風(fēng)向等離子體激勵(lì)，能增大屋面前檐的平均風(fēng)壓系數(shù)，最大處增大了11.3%，同時(shí)減小了屋面中部及后檐的平均風(fēng)壓系數(shù)，最大處減小了4.6%;施加引起由中間射向兩邊的等離子體激勵(lì)，能增大屋面前檐的平均風(fēng)壓系數(shù)，最大處增大了6.5%，能減小屋面后檐的平均風(fēng)壓系數(shù)，最大處減小了4.3%;施加引起由兩邊射向中間的等離子體激勵(lì)能減小屋面前檐以及屋面后檐的平均風(fēng)壓系數(shù)，最大處減小量了3.1%，同時(shí)能增大屋面中間的平均風(fēng)壓系數(shù)，最大處增大了3.2%.

3.2 ? 極值風(fēng)壓系數(shù)的變化

房屋在風(fēng)災(zāi)下的破壞往往是由于風(fēng)荷載超過了房屋的承載力引起，建筑物在風(fēng)災(zāi)下的破壞是由于風(fēng)壓極值超過房屋的承載力引起，因此本文對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)及數(shù)值模擬所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出90%保證率下的極大值風(fēng)壓系數(shù)及90%保證率下的極小值風(fēng)壓系數(shù)的變化，見圖14.

對(duì)于工況A、工況B、工況C、工況D無等離子體激勵(lì)時(shí)風(fēng)洞試驗(yàn)的屋面在90%保證率下極值風(fēng)壓系數(shù)分布的位置及大小與數(shù)值模擬的一致，差異在3%以內(nèi). 這個(gè)差異由模擬過程中的假設(shè)及采集儀器的穩(wěn)定性等原因造成，但對(duì)于本文來說差異在可接受范圍之內(nèi). 文中計(jì)算風(fēng)壓系數(shù)的變化量取風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬的平均值，施加順風(fēng)向等離子體激勵(lì)，在90%保證率下，屋面的極大值風(fēng)壓系數(shù)均減小，最大處減小了6.5%，屋面的極小值風(fēng)壓系數(shù)均減小，最大處減小了5.5%;施加逆風(fēng)向等離子體激勵(lì)，在90%保證率下，屋面前檐處極大值風(fēng)壓系數(shù)增大，最大處增大了15.8%，其他地方均減小，最大處減小了4.5%;屋面前檐處極小值風(fēng)壓系數(shù)增大，最大處增大了11.3%，其他地方均減小，最大處減小了4.5%;施加引起由中間射向兩邊的等離子體激勵(lì)，在90%保證率下，在屋面前檐處極大值風(fēng)壓系數(shù)增大，最大處增大了8.2%，其他地方均減小，最大處減小了5.5%，在屋面前檐處極小值風(fēng)壓系數(shù)增大，最大處增大了5.8%，其他地方均減小，最大處減小了6.7%;施加引起由兩邊射向中間的等離子體激勵(lì)，在90%保證率下，在屋面前檐處極大值風(fēng)壓系數(shù)減小，最大處減小了2.7%，其他地方均增大，最大處增大了3.2%;在屋面前檐處極小值風(fēng)壓系數(shù)減小，最大處減小了2.9%，其他地方均增大，最大處增大了3.0%.

由于屋面上部的剪切層產(chǎn)生的環(huán)流，形成渦旋區(qū)，渦旋氣流的風(fēng)向與來流風(fēng)相反，因此會(huì)在屋面產(chǎn)生吸力，文中整個(gè)屋面都是負(fù)壓，屋面負(fù)壓大小與漩渦區(qū)的位置和屋頂近壁面流速有關(guān)，在本文中各工況下，屋頂近壁面來流風(fēng)速和漩渦的位置在等離子激勵(lì)作用下各不相同，來流工況A引起順風(fēng)向射流，順風(fēng)向射流使位于屋面后檐的旋渦增大并向下游移動(dòng)，減小了屋面正上方的旋渦，順風(fēng)向等離子體射流使該區(qū)域流體的流速加快，從而導(dǎo)致整個(gè)屋面風(fēng)壓系數(shù)變小，增大了屋面的負(fù)壓;工況B引起逆風(fēng)向射流，逆風(fēng)向射流能在屋面后半部分的上方誘導(dǎo)出兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的旋渦，同時(shí)減小了屋面正上方的旋渦，逆風(fēng)向的射流使屋面流體流速減小，從而導(dǎo)致屋面前檐的風(fēng)壓系數(shù)增大，減小了屋面前檐的負(fù)壓，屋面中部及后部風(fēng)壓系數(shù)減小，增大了屋面中部及后部的負(fù)壓;工況C引起屋蓋中間射向屋檐兩側(cè)的射流，使屋面后半部分的旋渦增大并向下游移動(dòng)，屋面正上方的旋渦減小并向下游移動(dòng)，誘導(dǎo)的射流減小了屋面前檐來流風(fēng)速，增大了屋面后檐來流風(fēng)速，從而使屋面前緣風(fēng)壓系數(shù)增大，減小了屋面前檐的負(fù)壓，屋面中部及后檐風(fēng)壓系數(shù)減小，增大了屋面中部及后檐的負(fù)壓;工況D引起屋檐兩側(cè)射向屋蓋中間的射流，使屋面后半部分的旋渦增大并向下游移動(dòng)，屋面正上方的旋渦減小并向下游移動(dòng)，在屋面前檐形成了一個(gè)新旋渦，誘導(dǎo)的射流使減小了屋面后檐來流風(fēng)速，增大了屋面前檐來流風(fēng)速，從而使屋面前緣及后檐風(fēng)壓系數(shù)減小，增大了屋面前檐及后檐的負(fù)壓，屋面中部的風(fēng)壓系數(shù)增大，減小了屋面中部的負(fù)壓. 其流線圖變化見圖15.

4 ? 結(jié) ? 論

通過在房屋上安裝等離子體激勵(lì)器誘導(dǎo)出4種不同方向的等離子體射流進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，試驗(yàn)研究了不同方向的等離子體射流對(duì)屋面平均風(fēng)壓系數(shù)和極值風(fēng)壓系數(shù)的影響.采用Fluent對(duì)試驗(yàn)工況進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了不同方向的等離子激勵(lì)對(duì)屋面平均風(fēng)壓系數(shù)及極值風(fēng)壓系數(shù)的影響.試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果吻合. 試驗(yàn)結(jié)果表明：等離子體能有效地進(jìn)行流動(dòng)控制，能改善屋面的局部風(fēng)壓系數(shù)的大小及分布，可用于建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng). 具體描述如下：

1）本文的數(shù)值模擬簡(jiǎn)化方法能有效地模擬出等離子體的激勵(lì)效果. 在邊界條件與風(fēng)洞試驗(yàn)條件一致的情況下，將等離子體激勵(lì)簡(jiǎn)化為體積力通過UDF接口加入到數(shù)值模擬軟件中，數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合.

2）施加不同方向的等離子體對(duì)平屋頂屋面的平均風(fēng)壓系數(shù)和極值風(fēng)壓系數(shù)的影響不同，但在不同方向的等離子體激勵(lì)下，極值風(fēng)壓系數(shù)的變化規(guī)律與平均風(fēng)壓系數(shù)的變化規(guī)律一致.

3）在湍流度小于10%的時(shí)候，等離子體流動(dòng)控制能有效地減小局部風(fēng)荷載，施加逆風(fēng)向等離子體激勵(lì)及中間射向兩邊的等離子體激勵(lì)能有效減小屋面前檐的風(fēng)荷載，但施加逆風(fēng)向等離子體激勵(lì)對(duì)屋面前檐風(fēng)荷載減小效果更明顯，施加引起由兩邊射向中間的等離子體激勵(lì)，能有效減小屋面中間的風(fēng)荷載，這對(duì)以后的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)具有參考意義.

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