風(fēng)洞試驗(yàn)在建筑研究與設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

趙翔宇 魯 彥 郝杰龍

(重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400030)

隨著近年來我國經(jīng)濟(jì)的不斷增長，我國的建筑業(yè)也相應(yīng)地飛速發(fā)展。越來越多的超高層建筑、大跨度建筑被設(shè)計(jì)和建造，并且建筑的形狀也出現(xiàn)了越來越多的異型設(shè)計(jì)。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(jìn)其建筑材料與結(jié)構(gòu)體系的同時(shí)，也一定程度使得結(jié)構(gòu)的剛度變?nèi)?、自振頻率降低，這會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載的敏感度增加甚至以風(fēng)荷載為主要控制荷載[1]。另一方面，風(fēng)荷載的時(shí)空特性復(fù)雜，由結(jié)構(gòu)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(dǎo)位置，在具體設(shè)計(jì)時(shí)往往無法依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范直接對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。因此，為了進(jìn)行氣動(dòng)力研究以完善相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和為建筑設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)，風(fēng)洞試驗(yàn)的應(yīng)用越來越廣泛。

本文針對(duì)當(dāng)今不斷發(fā)展的超高層建筑，大跨度建筑等受風(fēng)荷載影響較大較復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)，對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)的應(yīng)用以及未來發(fā)展進(jìn)行了探討與分析。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)簡(jiǎn)述

1.1 風(fēng)洞試驗(yàn)方法

風(fēng)洞試驗(yàn)是進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)分析并提供相關(guān)參數(shù)的一種重要方法，在飛行器研究、建筑分析設(shè)計(jì)等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。對(duì)建筑領(lǐng)域而言，風(fēng)洞試驗(yàn)的方法是將建筑物的縮尺比模型固定在風(fēng)洞中，通過風(fēng)洞中人工產(chǎn)生的氣流模擬現(xiàn)實(shí)風(fēng)場(chǎng)，對(duì)其進(jìn)行測(cè)力試驗(yàn)、測(cè)壓試驗(yàn)等模擬試驗(yàn)并獲得相關(guān)參數(shù)和進(jìn)行力學(xué)分析。其主要思想來自于相似理論[3]：如果能控制一個(gè)現(xiàn)象中的全部物理量在兩個(gè)相應(yīng)時(shí)間空間都成比例，那么就可以說這兩個(gè)時(shí)間空間下的現(xiàn)象相似。即通過控制建筑的縮尺比模型以及試驗(yàn)條件，可以用縮尺比模型對(duì)現(xiàn)實(shí)建筑進(jìn)行模擬，并進(jìn)行定性乃至定量分析。

1.2 風(fēng)洞試驗(yàn)過程

風(fēng)洞試驗(yàn)過程從總體上可大致分為三部分內(nèi)容：

1)風(fēng)場(chǎng)調(diào)試。通過在風(fēng)洞中安裝導(dǎo)流板、粗糙源，可以對(duì)不同類型的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行模擬。風(fēng)洞試驗(yàn)通常需要首先根據(jù)試驗(yàn)需求對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)試與檢測(cè)，確保試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)對(duì)目標(biāo)風(fēng)場(chǎng)的模擬不出現(xiàn)大偏差，如圖1所示。

2)模擬試驗(yàn)。在確保風(fēng)場(chǎng)調(diào)試無誤后，在風(fēng)洞中安裝固定建筑的縮尺比模型，并進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)力試驗(yàn)、測(cè)壓試驗(yàn)或其他試驗(yàn)，如圖2所示。

3)數(shù)據(jù)校核。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析以檢驗(yàn)試驗(yàn)是否出現(xiàn)錯(cuò)誤。

1.3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

相比于其他研究方法，風(fēng)洞試驗(yàn)有著獨(dú)有優(yōu)勢(shì)：

1)準(zhǔn)確控制試驗(yàn)條件。風(fēng)洞試驗(yàn)可以準(zhǔn)確控制地貌、湍流度、風(fēng)速、風(fēng)向角等試驗(yàn)條件，從而較為準(zhǔn)確地模擬現(xiàn)實(shí)或目標(biāo)情況。

2)試驗(yàn)結(jié)果直觀可靠。由于風(fēng)洞試驗(yàn)是對(duì)現(xiàn)實(shí)情況的近似模擬，因此風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果也同樣可以近似反映真實(shí)情況。相比于其他理論分析，風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果要更為直觀可靠。

3)受環(huán)境因素影響小。風(fēng)洞試驗(yàn)是室內(nèi)試驗(yàn)，并且風(fēng)洞內(nèi)的試驗(yàn)條件也可以準(zhǔn)確控制，因此外界環(huán)境因素對(duì)試驗(yàn)造成的影響相對(duì)較小。

4)成本低，效率高，安全性高。

雖然風(fēng)洞試驗(yàn)有著諸多優(yōu)點(diǎn)，但是作為模擬試驗(yàn)，很難實(shí)現(xiàn)完全精確，風(fēng)洞試驗(yàn)也同樣存在局限：

1)邊界效應(yīng)?，F(xiàn)實(shí)中的風(fēng)場(chǎng)是沒有邊界的，但是風(fēng)洞試驗(yàn)受場(chǎng)地、造價(jià)影響，其洞壁邊界不同程度會(huì)對(duì)風(fēng)場(chǎng)造成影響，使得模擬風(fēng)場(chǎng)與現(xiàn)實(shí)風(fēng)場(chǎng)存在偏差。

2)支架干擾。建筑的縮尺比模型在風(fēng)洞中進(jìn)行固定時(shí)需要用到支架，并且對(duì)于一些高寬比較大的建筑，為保證試驗(yàn)過程中模型不出現(xiàn)大幅振動(dòng)往往還需對(duì)支架進(jìn)一步加固。這些支架同樣會(huì)對(duì)風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生干擾。

3)試驗(yàn)條件難以完全滿足。根據(jù)相似理論，風(fēng)洞試驗(yàn)應(yīng)該精確控制試驗(yàn)條件與現(xiàn)實(shí)成一定比例，但是在實(shí)際控制時(shí)往往難以對(duì)全部試驗(yàn)條件都完全滿足。

因此，在具體試驗(yàn)中，應(yīng)考慮到風(fēng)洞試驗(yàn)的諸多影響因素，通過限制縮尺比、合理設(shè)置測(cè)點(diǎn)等試驗(yàn)前手段以及修正數(shù)據(jù)等試驗(yàn)后手段，盡量減小試驗(yàn)誤差。

2 風(fēng)洞試驗(yàn)應(yīng)用

2.1 理論研究

風(fēng)洞試驗(yàn)的種類繁多，根據(jù)需求可靈活選取測(cè)力試驗(yàn)、測(cè)壓試驗(yàn)、傳熱試驗(yàn)等諸多類型。通過選取與控制變量進(jìn)行模擬試驗(yàn)，可自由對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向、建筑尺寸等因素單獨(dú)分析，也可進(jìn)行組合分析。

模擬試驗(yàn)的主要依據(jù)是相似理論，因此在試驗(yàn)前必須確保模擬試驗(yàn)滿足相似判據(jù)為常數(shù)。在力學(xué)問題中，通常要求模擬試驗(yàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)包括：力學(xué)相似、材料相似、初始條件相似及邊界條件相似等[4]。試驗(yàn)者通常首先根據(jù)分析方程式法與量綱分析法求得模擬試驗(yàn)的相似判據(jù)，并根據(jù)相似判據(jù)對(duì)模擬試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(dá)到相似模擬，但也應(yīng)進(jìn)行近似模擬且保證偏于安全[4]。

在完成模擬試驗(yàn)的設(shè)計(jì)之后，便可以定制模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，具體步驟基本與上文所述相同。然后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

2.2 建筑設(shè)計(jì)

我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[5]對(duì)建筑物所受的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式進(jìn)行了規(guī)定，并給出了常見情況的風(fēng)荷載體型系數(shù)等相關(guān)參數(shù)。但是對(duì)于不滿足常見情況或者重要且體型復(fù)雜的房屋和構(gòu)筑物，仍應(yīng)由風(fēng)洞試驗(yàn)確定[5]。

隨著我國科學(xué)技術(shù)與施工工藝的不斷發(fā)展，建筑設(shè)計(jì)對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)的需求量也不斷增大。越來越多的建筑不滿足于規(guī)范的常見情況，而需要通過風(fēng)洞試驗(yàn)獲得可靠參數(shù)以指導(dǎo)建筑設(shè)計(jì)。

建筑設(shè)計(jì)所需的風(fēng)洞試驗(yàn)基本與科研試驗(yàn)項(xiàng)目相同，只是在獲得參數(shù)后進(jìn)行的后期分析處理的方法與目的同科研試驗(yàn)有所區(qū)別。此外，由于科研試驗(yàn)是為了得到普遍性結(jié)果，而工業(yè)項(xiàng)目通常是為得到與項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的特有結(jié)果，因此有時(shí)工業(yè)項(xiàng)目的縮尺比模型還會(huì)包括建筑場(chǎng)地周邊的地形地貌，如圖3所示。

3 風(fēng)洞試驗(yàn)未來發(fā)展

3.1 試驗(yàn)裝置改進(jìn)

如前文所述，風(fēng)洞試驗(yàn)存在邊界效應(yīng)、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(jìn)試驗(yàn)裝置以減小或避免。比如邊界效應(yīng)，在飛行器領(lǐng)域已發(fā)展有自修正風(fēng)洞[6]技術(shù)，通過對(duì)洞壁進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)使其成為無約束流場(chǎng)中的一條流線以避免邊界效應(yīng)，而這在建筑領(lǐng)域也具有廣泛的發(fā)展前景。再比如支架干擾，或也可以通過磁懸模型技術(shù)進(jìn)行減小乃至避免。總而言之，通過對(duì)試驗(yàn)裝置的改進(jìn)，未來的風(fēng)洞試驗(yàn)將可以更加準(zhǔn)確可靠。

3.2 分析方法發(fā)展

風(fēng)洞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析方法發(fā)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(yīng)用。不斷發(fā)展擴(kuò)充的分析方法使得數(shù)據(jù)的處理分析更加多元化，也使得理論研究更加精細(xì)深入。

4 結(jié)語

在建筑領(lǐng)域飛速發(fā)展的今天，風(fēng)洞試驗(yàn)的地位正愈發(fā)重要。不論是規(guī)范條文指導(dǎo)作用的局限性，還是建筑設(shè)計(jì)日益增高的需求與要求，都需要更多的風(fēng)洞試驗(yàn)以及相關(guān)理論研究。本文總結(jié)了風(fēng)洞試驗(yàn)的基本特點(diǎn)以及應(yīng)用，可以看出，雖然風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)壳吧写嬖谝恍┚窒?，但其仍是?duì)建筑進(jìn)行風(fēng)荷載分析與設(shè)計(jì)的最有效手段之一。并且在未來，建筑研究與設(shè)計(jì)對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)的需求還將繼續(xù)增長，而要求也會(huì)不斷變高。