風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室探秘

薛美美

我第一次走進(jìn)北京交通大學(xué)結(jié)構(gòu)風(fēng)工程與城市風(fēng)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，是在2018年9月3日，作為一名碩士一年級(jí)的新生，進(jìn)入課題組開(kāi)始未來(lái)三年的科研學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)室位于學(xué)校機(jī)械工程樓B1層，從機(jī)械樓正門(mén)進(jìn)入，按照標(biāo)志指引，下了樓梯，就是另一番天地。

北京交通大學(xué)結(jié)構(gòu)風(fēng)與城市風(fēng)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室

北京交通大學(xué)結(jié)構(gòu)風(fēng)工程與城市風(fēng)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室是國(guó)內(nèi)功能最完備的風(fēng)工程研究基地之一，主要應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)和城市風(fēng)環(huán)境領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)區(qū)域最主要的設(shè)備是5座不同類(lèi)型的現(xiàn)代化風(fēng)洞，分別是雙試驗(yàn)段回流式風(fēng)洞、直流式風(fēng)洞、龍卷風(fēng)模擬器、下?lián)舯┝髂M器及科普演示風(fēng)洞。

說(shuō)到風(fēng)洞這一專(zhuān)業(yè)詞匯，這里需要簡(jiǎn)單介紹一下。風(fēng)洞是指一個(gè)按照一定要求設(shè)計(jì)的、具有動(dòng)力裝置的、用于各種氣動(dòng)力試驗(yàn)的可控氣流管道系統(tǒng)。它可以模擬研究對(duì)象周?chē)鷼怏w的流動(dòng)情況，并可量度氣流對(duì)研究對(duì)象的作用效果以及觀察物理現(xiàn)象。通過(guò)動(dòng)力設(shè)備人為制造出符合需求的風(fēng)，就是風(fēng)洞的功能。風(fēng)洞的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，比如航空航天、汽車(chē)工業(yè)以及體育運(yùn)動(dòng)等。

有了能夠產(chǎn)生風(fēng)環(huán)境的設(shè)備，實(shí)驗(yàn)室還配備了先進(jìn)的電子壓力測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)測(cè)振系統(tǒng)，能夠進(jìn)行測(cè)壓、測(cè)力等試驗(yàn)，同學(xué)們可以使用這些設(shè)備儀器進(jìn)行建筑物、橋梁測(cè)壓和風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)，以及其他工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)。

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的五座風(fēng)洞示意圖

3.實(shí)驗(yàn)室里那面榮譽(yù)墻4.布置完成后的模型現(xiàn)場(chǎng)圖?5.實(shí)驗(yàn)室歷史發(fā)展?6.正在連接掃描閥的試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)成員

走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生工作室有一面充滿(mǎn)藝術(shù)氣息的外墻，上面寫(xiě)著實(shí)驗(yàn)室的建成由來(lái)和歷史發(fā)展：2010年雙試驗(yàn)段回流式風(fēng)洞成功啟用，2011年風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室落成投入運(yùn)行，2013年被評(píng)為北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，同年完成實(shí)驗(yàn)室二期擴(kuò)建，2015年直流風(fēng)洞與PIV系統(tǒng)正式投入使用

我們的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)在李波教授等老師的帶領(lǐng)下，承擔(dān)了多個(gè)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目。主持完成了包括2022年北京冬奧會(huì)延慶賽區(qū)國(guó)家雪車(chē)雪橇中心、國(guó)家高山滑雪中心、北京副中心綠心劇院、首博東館、廣州恒大足球場(chǎng)在內(nèi)的數(shù)十項(xiàng)大型復(fù)雜的風(fēng)工程咨詢(xún)，研發(fā)了國(guó)內(nèi)第一個(gè)冰雪項(xiàng)目風(fēng)洞輔助訓(xùn)練系統(tǒng)，并且協(xié)助國(guó)家體育總局進(jìn)行東京奧運(yùn)會(huì)、北京冬奧會(huì)備戰(zhàn)，目前已經(jīng)完成了十余個(gè)國(guó)家集訓(xùn)隊(duì)的風(fēng)洞測(cè)試和多個(gè)賽場(chǎng)的風(fēng)環(huán)境評(píng)估。其中就包括剛剛在東京奧運(yùn)會(huì)上大展拳腳的中國(guó)游泳隊(duì)張雨菲、楊浚？等著名運(yùn)動(dòng)員的測(cè)試。

2019年10月，我和團(tuán)隊(duì)的師兄師姐們一起開(kāi)始了揚(yáng)子江國(guó)際會(huì)議中心風(fēng)工程咨詢(xún)項(xiàng)目。前期的設(shè)計(jì)交接、模型測(cè)壓點(diǎn)布置、模型公司對(duì)接;中期拿到試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?，制定相?yīng)試驗(yàn)方案，組織團(tuán)隊(duì)成員開(kāi)展試驗(yàn);后期通過(guò)系統(tǒng)分析，給出咨詢(xún)報(bào)告。

利用風(fēng)洞完成一項(xiàng)風(fēng)工程咨詢(xún)項(xiàng)目并不是一件容易的事情。前期需要規(guī)劃設(shè)計(jì)好測(cè)壓點(diǎn)的布置，然后進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)布置。需要團(tuán)隊(duì)通力合作的插閥工作，是通過(guò)一個(gè)管道把模型測(cè)壓點(diǎn)和掃描閥連接起來(lái)。對(duì)一般模型來(lái)說(shuō)，其表面至少有近400多個(gè)測(cè)壓孔洞，我們要一個(gè)一個(gè)把這些孔洞通過(guò)極細(xì)的管道連接起來(lái)。將模型和設(shè)備連接好后，還需要對(duì)模型進(jìn)行固定，對(duì)風(fēng)洞進(jìn)行檢查后，試驗(yàn)才能正式開(kāi)始。

7.8.9.10.試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

冰雪項(xiàng)目風(fēng)洞輔助訓(xùn)練測(cè)試模型

試驗(yàn)結(jié)束后，我們還需要通過(guò)計(jì)算給出全風(fēng)向風(fēng)壓分布圖和風(fēng)振響應(yīng)分析報(bào)告，為結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。

東京奧運(yùn)毫無(wú)疑問(wèn)成為了近期的網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)，為國(guó)爭(zhēng)光的奧運(yùn)健兒在奧運(yùn)會(huì)上書(shū)寫(xiě)了歷史。眾所周知，隨著體育事業(yè)的不斷發(fā)展，運(yùn)動(dòng)員們提高成績(jī)?cè)絹?lái)越離不開(kāi)科技的助力?，F(xiàn)代競(jìng)技體育實(shí)際上是一個(gè)非常復(fù)雜的“人—機(jī)—環(huán)”系統(tǒng)工程，跟運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練、裝備、賽時(shí)環(huán)境都密切相關(guān)。而這些，都離不開(kāi)風(fēng)洞技術(shù)的身影。

為此，北京交通大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室主動(dòng)承擔(dān)了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”課題，主要是對(duì)風(fēng)洞應(yīng)用于競(jìng)速類(lèi)冰雪運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目領(lǐng)域的探索研究。

根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理，風(fēng)洞能夠模擬運(yùn)動(dòng)員的高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為運(yùn)動(dòng)員開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)訓(xùn)練提供一個(gè)很好的模擬環(huán)境。并且，為了減小風(fēng)的不利影響，合理利用風(fēng)，還可利用風(fēng)洞對(duì)運(yùn)動(dòng)員的姿態(tài)、隊(duì)列進(jìn)行優(yōu)化、研發(fā)低風(fēng)阻高性能運(yùn)動(dòng)裝備、服裝、器材，評(píng)估比賽場(chǎng)地賽時(shí)的風(fēng)環(huán)境。

在李波教授的帶領(lǐng)下，實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)研制出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于冰雪項(xiàng)目風(fēng)洞測(cè)試的高精度6分量測(cè)力臺(tái)，在北京交通大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室BJ-1號(hào)風(fēng)洞建立了我國(guó)第一個(gè)冰雪項(xiàng)目風(fēng)洞輔助訓(xùn)練系統(tǒng)。這套系統(tǒng)能夠?qū)L(fēng)速、風(fēng)阻力、姿態(tài)、重心位置、測(cè)試指令通過(guò)投影儀實(shí)時(shí)反饋給測(cè)試運(yùn)動(dòng)員，通過(guò)定量化的數(shù)據(jù)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、隊(duì)列優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)還協(xié)助在二七國(guó)家冰雪運(yùn)動(dòng)科訓(xùn)基地建成了我國(guó)第一座體育綜合風(fēng)洞，目前該風(fēng)洞也已經(jīng)投入正常使用中，團(tuán)隊(duì)成員定期到科訓(xùn)基地進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)，協(xié)助測(cè)試的進(jìn)行。為協(xié)助高性能運(yùn)動(dòng)裝備研發(fā)，還專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了運(yùn)動(dòng)裝備風(fēng)阻性能評(píng)測(cè)模塊。目前，這套系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)展了國(guó)家自行車(chē)集訓(xùn)隊(duì)（包括剛剛?cè)〉脰|京奧運(yùn)會(huì)金牌的鐘天使、鮑珊菊）、國(guó)家鋼架雪車(chē)集訓(xùn)隊(duì)的風(fēng)洞測(cè)試。

北京2022年冬奧會(huì)延慶賽區(qū)位于小海坨山，包括國(guó)家高山滑雪中心、國(guó)家雪車(chē)雪橇中心等。該賽區(qū)地形復(fù)雜、大風(fēng)凜冽，抗風(fēng)是該賽區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施、賽時(shí)臨時(shí)設(shè)施建設(shè)的關(guān)鍵。李波教授帶領(lǐng)我們采用實(shí)測(cè)與地形試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)延慶賽區(qū)復(fù)雜山區(qū)風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行了研究，確定了重要建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)所需的風(fēng)場(chǎng)參數(shù)，結(jié)合延慶賽區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施的形體及結(jié)構(gòu)特征，提出了選取節(jié)段模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)等方法，助力延慶賽區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施、賽時(shí)臨時(shí)設(shè)施建設(shè)。

不久前，在國(guó)家體育總局舉行的冰雪項(xiàng)目2020？2021賽季表彰大會(huì)暨中國(guó)冰雪科學(xué)顧問(wèn)等證書(shū)頒發(fā)儀式上，李波教授被授予了“中國(guó)冰雪科學(xué)家”榮譽(yù)稱(chēng)號(hào)。

12.雙試驗(yàn)段回流風(fēng)洞組成雙試驗(yàn)段回流式閉口風(fēng)洞2010年年底正式投入使用。雙試驗(yàn)段指的是具有高速和低速兩個(gè)試驗(yàn)段，回流式指的是風(fēng)洞的整個(gè)管道首尾閉合，氣流在風(fēng)洞中循環(huán)回流，既節(jié)省能量又不受外界的干擾。整個(gè)風(fēng)洞由動(dòng)力段、擴(kuò)散段、低速試驗(yàn)段、收縮段、高速試驗(yàn)段組成。其中動(dòng)力段是風(fēng)洞中氣流的動(dòng)力來(lái)源，擴(kuò)散段的作用是把氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，以減小風(fēng)洞的功率損失，收縮段管道截面尺寸變小，使氣流均勻加速，試驗(yàn)段是布置風(fēng)場(chǎng)放置模型進(jìn)行試驗(yàn)的部分。北京交通大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的雙試驗(yàn)段回流式閉口風(fēng)洞的低速試驗(yàn)段尺寸為5.2m×2.5m×14.0m（寬×高×長(zhǎng)），高速試驗(yàn)段尺寸為3.0m×2.0m×15.0m（寬×高×長(zhǎng)），最高可以提供的風(fēng)速為30m/s。

13.直流式開(kāi)口風(fēng)洞直流式開(kāi)口風(fēng)洞，也就是風(fēng)洞的整個(gè)管道開(kāi)敞，氣流從管道流出。該設(shè)備的試驗(yàn)段尺寸較小，為1.5m×1.2m×10m（寬×高×長(zhǎng)），配備有高速攝像機(jī)。使用該設(shè)備主要是進(jìn)行PIV（Particle?Image?Velocimetry）試驗(yàn)，該試驗(yàn)?zāi)茉谕凰矐B(tài)記錄下大量空間點(diǎn)上的速度分布信息，可提供豐富的流場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)以及流動(dòng)特性。

14.下?lián)舯┝髂M器及龍卷風(fēng)模擬器實(shí)驗(yàn)室除了可以模擬常態(tài)風(fēng)之外，還可以使用龍卷風(fēng)模擬器和下?lián)舯┝髂M器，分別模擬龍卷風(fēng)和下?lián)舯┝鬟@兩種劣態(tài)風(fēng)環(huán)境。眾所周知，龍卷風(fēng)雖然并不常見(jiàn)，但是它破壞性強(qiáng)，強(qiáng)風(fēng)速下其局部的氣壓差大，形成由下而上的漩渦狀氣流，因此可以將地面的物體卷起拋向空中，而橫向風(fēng)則可以吹倒大樹(shù)，吹翻車(chē)輛，吹塌建筑物等，因此龍卷風(fēng)所到之處房屋摧毀，樹(shù)木折斷。試驗(yàn)時(shí)，將模型放置在模擬器出風(fēng)口下方，通過(guò)在模型表面布置測(cè)量裝置，可以觀測(cè)龍卷風(fēng)對(duì)模型的影響。下?lián)舯┝魍瑯邮且环N極端風(fēng)，是一股在地面或地面附近引起輻射型災(zāi)害性大風(fēng)的強(qiáng)烈下沉氣流。如同它的名字一樣，它是一股快速下沖地面的氣流，也是一種災(zāi)害性天氣。試驗(yàn)時(shí)，將模型固定在模擬器下方出風(fēng)口，安裝好測(cè)試設(shè)備后，開(kāi)啟模擬器，就可以模擬研究下?lián)舯┝鲗?duì)模型的影響了。

責(zé)任編輯：陳思