下击暴流风场的大气边界层风洞模拟研究.pdf

建筑结构学报Journal of Building Structures 第 33 卷 第 3 期 2012 年 3 月 Vol. 33No. 3Mar． 2012 017 文章编号 1000-6869 2012 03-0126-06 下击暴流风场的大气边界层风洞模拟研究 段旻 1，谢壮宁2，石碧青1 1． 汕头大学 土木工程系，广东汕头 515063; 2． 华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州 510641 摘要 使用可调导流板、 挡板和粗糙元， 在大气边界层风洞内实现了对 1∶ 300 和 1∶ 600 两种流场比例下击暴流风场的模拟， 并与经典的理论剖面进行对比， 对模型区域范围内风场的水平和竖向风速分布进行了较为详细的考察， 在此基础上研究了 一大跨度圆柱形屋盖在所模拟的下击暴流风场的风压系数分布特征， 并与 GB 500092001 的 B 类地貌风场的结果进行比 较。结果显示， 所模拟的两种比例的下击暴流水平风剖面与理论值吻合较好， 模拟出的下击暴流的竖向风剖面在一定高度 范围内与水平风剖面有着相似的分布规律， 且在模型区域具有较好的稳定性。圆柱形屋盖模型的试验结果表明， 该屋盖在 下击暴流风场测得的平均风压系数分布和 B 类地貌风场的结果非常接近， 但极值风压系数小于 B 类地貌风场的试验结果。 关键词 下击暴流;风洞试验;风场模拟;大跨结构;风荷载 中图分类号 O357. 43TU393. 3文献标志码 A Experimental study on simulation of downburst in atmospheric boundary layer wind tunnel DUAN Min1，XIE Zhuangning2，SHI Biqing1 1． Department of Civil Engineering，Shantou University，Shantou 515063，China; 2． State Key Laboratory of Subtropical Building Science，South China University of Technology，Guangzhou 510641，China AbstractTwo downburst wind fields with scales of 1∶ 300 and 1∶ 600 were simulated using adjustable guide vane， baffler and roughness elements in an atmospheric boundary layer wind tunnel． The simulated wind velocity profiles were compared with the empirical models and the structure of the wind fields were measured and investigated in detail． The wind pressure coefficient distributions on a large span cylindrical roof structure were tested in the simulated downburst wind field and compared with the results tested in field of exposure category B defined in GB 500092001． The results show that the horizontal velocities profiles of simulated downburst agree well with the empirical curves． The simulated profiles of vertical and horizontal velocities have the similar tendency and have good stability within the building model region． The tested mean wind pressure coefficient on the cylindrical roof in downburst is very close to that in exposure category B． However，the extreme wind pressure coefficient in downburst is less than that in exposure category B． Keywordsdownburst;wind tunnel test;wind field simulation;long- span structure;wind load 基金项目 国家自然科学基金项目 50778108 ， 国家科技支撑计划项目 2006BAJ06B05- 3 。 作者简介 段旻 1981 ， 男， 江西宜春人， 博士研究生。E- mail g_minduan stu. edu. cn 通讯作者 谢壮宁 1963 ， 男， 广东汕头人， 工学博士， 教授。E- mail znxie scut. edu. cn 收稿日期 2011 年 4 月 621 0引言 下击暴流的定义是由 Fujita［1 ］提出的， 定义为 雷暴天气中形成的强下沉气流冲击地面后， 在地面 加速扩展开的一种气流过程， 多出现在夏季。由于 下击暴流风剖面与大气边界层风剖面差异巨大， 并 且在 10 m 高度处属于强风荷载 ［2 ］， 瞬间风力可超过 12 级， 风速可增至33 m/s 以上， 对发生所在地局部的 建筑结构尤其是 50 m 以下的建筑和环境破坏能力极 强 ［3-4 ］， 因此在风洞中准确模拟雷暴， 对研究低矮建 筑的抗风性能是非常重要的。 对于下击暴流的研究， 国内外学者进行了大量 的工作。Hjelmfelt［5 ］基于下击暴流实测结果， 给出了 一个典型的下击暴流风速剖面， 如图 1 所示， 其中 zv max 为最大水平风速 vmax所在的高度， rv max 为最大水平风 速点与下击暴流中心之间的水平距离， Depth 为下击 暴流的竖向尺度，w 为竖向风速。随后 Oseguera 等 ［6 ］、 Vicroy［7 ］、 Wood 等［8 ］分别提出了 3 种最大平均 风剖面模型， 3 种模型沿高度分布均有着相似的规 律。Holmes 等 ［9 ］在研究下击暴流传播计算模型中， 充分考虑了风暴移动速度的因素， 并总结了径向平 均风速的时变化规律。国内方面， 瞿伟廉等 ［10 ］也利 用 CFD 方法模拟了下击雷暴的风剖面， 并且与国外 的经典风剖面模型进行了对比。徐挺等 ［11 ］设计了竖 向风洞试验装置， 对下击暴流风剖面进行了模拟。 赵杨等 ［12 ］则研究了下击暴流风场产生的突变气流对 高层结构风荷载产生的影响。 图 1典型下击暴流风速剖面［5 ］ Fig． 1Velocity profile of typical microburst［5 ］ 本文设计了在大气边界层风洞内模拟下击暴流 风剖面的试验装置， 并通过装置参数的调整对多种 比例的流场进行了模拟， 与现有的两种经验风剖面 进行比较， 最后以一个大跨结构屋盖为例， 分析了下 击暴流风场与普通近地风场对该结构屋面风压分布 的差别。 1试验介绍 1. 1下击雷暴模拟装置 本文试验在汕头大学风洞实验室 STDX- 1 风洞 进行， 风剖面数据利用 TFI Cobra 三维脉动风速测量 系统进行采集， 该系统可同时对水平与竖向风速进 行测量， 采样时长为 65. 5 s， 采样频率为 625 Hz， 样本 长度为 40 960。 考虑到下击暴流风速首先随着高度增加而增 加， 之后迅速衰减的特点 见图 1 ， 提高风剖面中下 高度处的风速同时降低上部风速便成为了下击暴流 风场模拟的难点所在。为了改变普通大气层风洞风 速随高度变化的规律， 本文采用的试验机构主要由 角铁、 导流板、 挡板与粗糙元组成 见图 2 。其中导 流板的作用为加速风洞中下部风速， 其尺寸为 3 m 1. 22 m， 通过两侧角铁与风洞洞壁进行连接， 板下沿 固定高度可调范围为 0. 6 ～ 1. 1 m， 上沿固定高度可 调范围为 1. 0 ～ 1. 7 m， 通过固定高度的调整可以实 现对不同比例流场的模拟， 同侧竖向角铁间距为 0. 7 m， 粗糙元间距为 0. 5 m 0. 5 m。 1. 2试验模型 为检验雷暴剖面和常规风场 本文取 B 类地貌 风场 对结构风荷载的影响， 采用一圆柱形屋盖模型 为测试对象， 在模型上共布置了 405 个测点。该屋盖 模型是某展览中心屋盖缩尺比为 1∶ 300 的简化模型。 图 3 为该屋盖的原型尺寸与测压点布置， 其屋檐高 度为 21 m， 拱高为 9 m， 长度为 210 m， 宽度为 90 m。 测压系统采用美国 Scanivalve 公司的 DSM3200 同步 多点压力采集系统。试验的采样频率为312. 5 Hz， 样 本长度为 20 480。由于模型为单轴对称结构， 所以试 验中仅进行 0、 45、 90三个风向角的风压采样。试 验时的毕托管安装高度为 0. 2 m， 为了方便不同结果 的对比， 在计算风压系数时统一折算取原型屋盖平 均高度 25. 5 m 作为计算风压系数的参考高度。 1. 3B 类地貌流场 本文选取 B 类地貌流场与下击暴流流场下模型 的屋面风压系数进行对比， 模拟流场的平均风速与 荷载规范建议值的比较如图 4 所示。 721 a试验机构照片 b试验机构侧立面图 图 2下击暴流试验机构 Fig． 2Experimental apparatus for downburst simulation 图 3模型与测压点布置图 Fig． 3Test model and distribution of taping locations 2流场模拟结果 显然， 对于下击暴流这种局部的强对流风场， 在 离暴流中心的不同距离位置上的风速分布应该是有 差别的， 风洞的模拟结果同样应具有上述的差别， 因 此本节首先给出与目标剖面最接近的位置上风速剖 面分布， 然后再介绍其附近的模型区域上的风速分布。 2. 1最佳剖面风速分布 本文以 Vicroy 与 Wood 等提出的理论模型 ［7- 8 ］作 为模拟目标， 这两种模型均假定下击暴流在不同高 度处水平风速同时达到最大值。Vicroy 模型与 Wood 图 4 B 类地貌平均风速分布 Fig． 4Mean velocity profile of exposure category B 模型的函数表达式分别为 v z vmax 1. 22 exp － 0. 15 z z max [ － exp － 3. 217 5 z zmax ] 1 v z vmax 1. 55 z/δ 1/6 1 － erf 0. 7z/ [] δ 2 式中 v z为 z 高度处的水平风速;zmax为最大水平 风速 vmax所在的高度， 取为 70 m; δ 为高度参数， 取为 400 m， erf x 2 槡π ∫ x 0 e －t2dt 为误差函数。 通过调整试验机构的导流板位置、 挡板宽度等 参数， 实现 1∶ 300 和 1∶ 600 缩尺比下击暴流风场的模 拟， 试验机构参数如表 1 所示。表中最佳风剖面指水 平风剖面与理论模型相似度最高的风剖面， 最佳风剖 面位置定义为测试位置到图2 所示挡板下沿的距离。 表 1试验机构参数 Table 1Parameters of experimental device 流场 比例 上沿高度/ m 下沿高度/ m 粗糙元 最佳风 剖面位置 挡板宽度/ m 1∶3001. 71. 15 排距离挡板 3. 0 m0. 1 1∶6001. 30. 7无距离挡板 3. 1 m0. 2 图 5 与图 6 分别为流场比例 1∶ 300 和 1∶ 600 的 最佳风剖面与理论模型以及 B 类地貌近地风剖面的 对比图， 其中水平风速 v 与竖向风速 u 分别进行了归 一化处理， 即令下击暴流理论最大风速为 1。 由图 5、 6 可见 两种比例流场下， 本文模拟的最 佳水平风剖面与 Vicroy 与 Wood 提出的两种理论模 型均有较好的吻合度， 水平风速随着高度的增大先 增大然后开始衰减， 这与下击雷暴流场结构的基本 特征是相符的; 在 250 m 高度以下的高度范围内， 两 种比例流场竖向风剖面与水平风剖面均有着类似的 分布特征， 当高度大于 250 m 时， 1∶ 600 比例流场竖 向风速则趋于放大， 这主要是由于导流板长度不够 使得上方流体没有遮挡所致。由于本文研究对象为 大跨度结构， 所以 250 m 高度以上的流场对测压试验 影响可以忽略。两种理论模型与 B 类地貌近地风场 821 a水平风剖面 b竖向风剖面 图 5 1∶ 300 比例流场最佳风剖面 Fig． 5Best velocity profile of 1∶ 300 scale field a水平风剖面 b竖向风剖面 图 6 1∶ 600 比例流场最佳风剖面 Fig． 6Best velocity profile of 1∶ 600 scale field 的风向均为水平方向， 而模拟风剖面的风向则为自 上而下方向， 1∶ 300 与 1∶ 600 最佳风剖面各高度处的 风速矢量与水平方向所成角度大致为 9与 6. 5， 对 应的风速的竖向分量与水平分量的比值为 0. 16 与 0. 12。 2. 2模型区风场结构测试结果 上节给出和目标风速剖面吻合最好所在位置的 风速分布， 风洞试验应该以该位置作为模型的中心 位置， 除了模型区中心位置的风剖面， 风场模拟中应 关注整个模型区域的风速分布。图 7 和图 8 给出以 上两种比例流场在最佳风剖面位置前后不同位置上 的风速分布情况。 对于 1∶ 300 比例流场， 由图 7 可知所模拟的流场 水平风剖面在距离挡板 2. 33 ～ 3. 67 m 的测量范围 最佳位置在 3 m 处 的风剖面差别不是非常明显， 风速沿高度变化较为相似。而相比之下由图 8 可以 看出， 1∶ 600 比例流场在距离挡板2. 67 ～3. 67 m 范围 内水平风剖面差距相对大些 其中在距离挡板 3. 00 ～ 3. 33 m 之间较为接近 ， 竖向风剖面与水平风剖面在 高度小于 100 m 时与 1∶ 300 比例流场有着类似的规 律。 从总体上看， 1∶ 300 比例流场要略优于 1∶ 600 比 例流场。事实上， 下击暴流是一种特殊的局部风气 a水平风剖面 b竖向风剖面 图 7 1∶ 300 比例流场不同测量位置的风剖面 Fig． 7Velocity profiles at different positions of 1∶ 300 scale wind field a水平风剖面 b竖向风剖面 图 8 1∶ 600 比例流场不同测量位置风剖面 Fig． 8Velocity profiles at different positions of 1∶ 600 scale wind field 候现象， 在离其中心的不同位置上的风剖面肯定是 不同的， 由此并不需要要求风洞试验模拟流场的一 致性， 但由于缺乏具体的衡量指标， 只能要求在模型 区域内这种差别尽可能小。由以上结果可见， 在一 定试验段测量范围内， 可以认为两种比例流场在一 定程度上满足风洞试验的需要。 此外， 由于不同比例流场主要是通过调整导流 板上下沿的固定高度来实现， 利用本文的试验机构 应该还能模拟出 1∶ 300 ～1∶ 600 比例的流场以供不同 的实际工程的风洞试验时应用。 3应用 针对前述的圆柱形屋面， 在本文所模拟的 1∶ 300 比例流场和 B 类地貌风场中进行风洞试验， 分析对 比该屋盖在不同风场中的平均风压和极值风压分布 特征。 3. 1平均风压系数分布 图 9 给出 0风向角下屋盖在不同流场中的的平 均风压系数分布， 图中“ ” 和“ ” 分别表示最小和最 大值的位置。由图可见 两种地貌下测得的平均风 压分布具有明显的相似特征， 数值上非常接近。 921 aB 类地貌 b下击暴流 图 9 0风向角屋盖平均风压系数分布 Fig． 9Distributions of mean wind pressure coefficient 为了进一步考察不同流场对屋面风压分布的影 响， 采用点对点全面对比的方式， 将两种风场中 3 个 风向角下所有测压点的平均风压系数进行对比， 结 果见图 10。图中斜线为过坐标原点且斜率为 1 的直 线， 由图可见 柱面屋盖各个部位的平均风压系数在 两种不同风场下的测试结果非常接近， 数据在总体 上相关性很好。故从平均风压系数上看， 下击雷暴 风场的测试结果和 B 类地貌风场的结果是一致的， 这意味着对于圆柱形屋盖的下击暴流的平均风荷载 取值可以直接参考荷载规范的体型系数。 图 10不同风场下屋盖的平均风压系数比较 Fig． 10Comparison of mean wind pressure coefficient on roof in different wind fields 3. 2极值风压系数分布 极值风压系数采用滑动平均 moving average方 式获取， 具体做法为 先对采集的风压时程进行 1 s 滑动平均， 对平均后的样本按 10 min 时距进行分段， 统计各段风压系数极大值和极小值的平均值作为目 标位置的极值风压系数。同样将所有测点在两种风 场中的极值风压系数进行直接比较， 结果见图 11。 a极小风压系数 b极大风压系数 图 11不同风场下屋盖的极值风压系数比较 Fig． 11Comparison of extreme wind pressure coefficient on roof in different wind fields 对于与屋面吸力相关的极小风压系数， 图 11a 显 示在试验的 3 个风向角 B 类地貌风场下的屋面吸力 系数要高于下击雷暴风场的吸力系数。极大压力系 数则是在考虑屋面受压的情况时考虑， 因此只要分 析对比图 11b 的正压部分。由图 11b 可见， 0风向角 下， 其极大风压系数也是负值， 这意味着在该风向角 的风压均是负值即均为吸力; 90风向角下， 两种风场 下的极大正压系数基本是一致的; 45风向角下， B 类 地貌风场下的极大正压系数要高于下击雷暴风场的 相应结果。 综上可见 B 类地貌风场的峰值正压和峰值负压 均要高于下击暴流风场， 从出于保守的角度出发， 可 利用 B 类地貌风场的试验结果计算圆柱形屋面在雷 暴作用下的风荷载。 4结论 1 本文采用了一种特殊的试验机构， 实现不同 缩尺比的下击暴流风场的模拟， 流场比例为 1∶ 300 和 031 1∶ 600 的模拟结果和已有下击暴流的理论风剖面具 有较好的吻合度， 且前者的模拟效果要优于后者。 2 所模拟风场的测试结果显示竖向风剖面在 一定高度范围内与水平风剖面有着相似的分布规 律; 模拟流场在一定的试验段范围内具有较好的一 致性。 3 针对一圆柱形屋盖在 1∶ 300 缩尺比的下击 暴流风场和 B 类地貌风场的试验结果显示， 屋盖在 两种风场下的平均风压系数分布较为相近， B 类地貌 风场的极值风压要高于下击暴流风场下的相应值。 应该指出的是， 本文模拟的下击暴流风场下针 对于圆柱形屋盖风洞试验所得到的结果和结论， 至 少在目前只能作为个案对待。同时由于本文所模拟 出的缩尺比范围是 1∶ 300 ～ 1∶ 600， 对于量大面广的 村镇低矮房屋一类结构通常风洞试验的缩尺比会取 在 1∶ 50 ～1∶ 100 之间， 对于这个尺度范围的下击暴流 风场的模拟是后续需要进一步研究的内容。 参考文献 ［ 1］ Fujita T T．Downburstsmeteorological features and windfieldcharacteristics［ J］ ．JournalofWind Engineering and Industrial Aerodynamics， 1990， 36 1/ 2/3 75- 86． ［ 2］ Holmes J D． A re- analysis of record extreme wind speeds in region A［ J］ ． Australian Journal of Structural Engineering， 2002， 4 1 29-40． ［ 3］ 彭湘荣． 怪风劈倒黄陂千余大树专家 “下击暴 流” 所致［N/OL］ ． 武汉晨报，2007- 07- 26［ 2011- 03- 01］ ．http / /www． hb． xinhuanet． com/newscenter/ 2007- 07/26/content_10685465． htm ［ 4］ 顾明． 土木结构抗风研究进展及基础科学问题 ［ C］/ / 学科发展战略研究报告建筑、 环境与土木 工程Ⅱ 土木工程卷 ． 北京科学出版社，2006 1- 17． ［ 5］ Hjelmfelt M R． Structure and life circle of microburst outflows observed in Colorado［J］ ． Journal of Applied Meteorology， 1988， 27 8 900- 927． ［ 6］ Oseguera R M，Bowles R L．A simple analytic 3- dimensional downburst model based on boundary layer stagnation flow［R］ ．NASA Technical Memorandum 100632． WashingtonNASA， 1988． ［ 7］ Vicroy D D．Assessment of microburst models for downdraft estimation［ J］ ． Journal of Aircraft， 1992， 29 6 1043- 1148． ［ 8］ Wood G S，Kwok K C S．An empirically derived estimate for the mean velocity profile of a thunderstorm downburst ［C］/ /Proceedingsofthe7thAWES Workshop．MelbourneAustralian Wind Engineering Society， 1998． ［ 9］ Holmes J D，Oliver S E．An empirical model of a downburst［ J］ ． Engineering Structures，2000，22 9 1167- 1172． ［ 10］ 瞿伟廉，王锦文． 下击暴流风荷载的数值模拟［J］ ． 武汉 理 工 大 学 学 报，2008，30 2 70- 74． Qu Weilian， WangJinwen．Numericalsimulationof downburst wind loads［ J］ ． Journal of Wuhan University of Technology， 2008， 30 2 70- 74． in Chinese ［ 11］ 徐挺， 陈勇， 彭志伟， 等． 雷暴冲击风风洞设计及流 场测试［J］ ． 实验力学， 2009， 24 6 505- 512． Xu Ting，Chen Yong，Peng Zhiwei，et al． Wind tunnel designandsteadyflowfieldmeasurementfor thunderstorm downburst experiment［J］ ．Journal of Experimental Mechanics， 2009， 24 6 505- 512． in Chinese ［ 12］ 赵杨，曹曙阳，Tamura Y，等． 雷暴冲击风模拟及其 荷载的风洞试验研究［ J］ ． 振动与冲击， 2009， 28 4 1- 10． Zhao Yang，Cao Shuyang，Tamura Y，et al． Study on the simulation of downburst and its loads by wind tunnel test［J］ ． Journal of Vibration and Shock， 2009， 28 4 1- 10． in Chinese 131