格柵紊流風特性參數模擬規律研究

白 樺， 何晗欣， 劉健新， 趙國輝， 高 亮

(1.長安大學 公路學院，西安 710064；2. 西安建筑科技大學 土木工程學院，西安 710055；3. 西安理工大學 土木建筑工程學院，西安 710048)

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格柵紊流風特性參數模擬規律研究

白 樺1， 何晗欣2， 劉健新1， 趙國輝1， 高 亮3

(1.長安大學 公路學院，西安 710064；2. 西安建筑科技大學 土木工程學院，西安 710055；3. 西安理工大學 土木建筑工程學院，西安 710048)

為便于研究紊流風特性參數對不同結構風洞試驗結果的影響，采用風洞試驗方法，通過對不同形式的格柵形成的局部紊流風場參數進行測試，總結格柵條間距、格柵條寬度對風洞不同斷面紊流強度、紊流積分尺度及脈動風功率譜的影響規律。研究結果表明：距離格柵3.5 m處的橫截面即可形成均勻性較好的局部紊流風場。格柵產生的紊流強度隨風速變化不大。格柵越窄，紊流強度越低，數據的穩定性越好。紊流積分尺度與格柵間距大致相當。給出了依據格柵間距與格柵寬度估算紊流強度與紊流積分尺度的公式，便于局部紊流風場調試。

橋梁工程；風洞試驗；格柵；紊流；風特性參數

結構風工程是研究風與結構相互作用的學科，因為其研究內容與人類生活質量和國民經濟發展密切相關，故具有十分重要的意義。風洞試驗、數值模擬與現場實測是目前結構風工程研究的主要方法，而風洞試驗技術相對成熟，已經成為大跨度橋梁、高層建筑以及大跨空間結構抗風設計的重要技術保障。

風洞試驗必須在風洞內模擬大氣邊界層風場特性，風場參數主要包括紊流強度、紊流積分尺度、脈動風功率譜等紊流參數。多位學者研究指出，這些參數的正確模擬比風剖面模擬更重要，特別是對橋梁及建筑結構風振而言[1-4]。要研究這些紊流參數對不同結構風振響應的影響規律往往要借助格柵風場，即在風洞的某一斷面形成紊流強度、紊流積分尺度比較均勻的局部紊流風場。王麗娟等[5]在同濟大學2號風洞采用改變格柵寬度及縱、橫向距離的方法調試了三種局部紊流風場，研究了紊流強度對顫振導數及顫振臨界風速的影響規律。格柵局部紊流風場的研究結果表明：紊流強度越接近格柵，均勻性越差，紊流強度值越大。靳欣華等[6]在同濟大學1號風洞中采用邊長25 cm的正方形格柵孔形成紊流強度約為11%的均勻紊流，研究了氣動導納隨風速與折減頻率的變化規律。諸葛萍[7]在西南交大2號風洞中采用寬4 cm，間距25 cm的格柵在其下游3.5 m處形成紊流度約為7%，紊流積分尺度約為4.25 cm的均勻紊流場，研究了風速、風攻角對不同橋梁斷面氣動導納的影響。李鵬飛[8]在同濟大學1號風洞中采用鋁合金型材組成格柵，在下游3.4 m橫斷面處通過改變格柵寬度形成了10%、16%、27%、30%四種紊流強度風場，研究了紊流強度對不同橋梁斷面抖振的影響，可惜文中并沒有總結格柵的形式與所產生紊流強度大小之間的規律。任娜[9]在長安大學風洞中通過改變格柵的寬度與間距產生了三種紊流強度風場，研究了紊流強度對桁架橋顫振的影響，但也沒有總結格柵形成局部紊流風場的規律。施文杰[10]在中國氣動中心低速所風洞中采用寬2 cm，間距15 cm的格柵形成局部紊流場，測試得到紊流強度與紊流積分尺度值都很小，分析原因是格柵中心方孔與格柵寬度均較小所造成。盧占斌等[11]采用50%、60%、70%三種孔隙率的均勻網格產生局部紊流，研究了紊流強度、紊流積分尺度隨孔隙率，格柵距離和風速的變化規律，結果表明紊流強度隨孔隙率的增大有增大趨勢，紊流積分尺度隨孔隙率的增大呈下降趨勢。文中只進行了三種孔隙率的局部紊流風場調試，并沒有建立空隙率與局部紊流風特性參數推導關系，不利于指導局部紊流風場調試。

以上風特性參數對風洞試驗結果的影響，研究人員往往直接通過測量試驗風場的紊流參數值，對比不同紊流參數對試驗結果的影響，并未總結在風洞中實現不同風特性參數指標的方法及規律，本文將采用格柵形成局部紊流風場，通過對16種不同尺寸的格柵進行風場測試，總結格柵對風洞不同橫截面紊流風特性參數的影響規律[12]。使研究人員掌握紊流風參數隨格柵形式的變化規律，便于在風洞中調試出不同的目標紊流參數值，以利于開展紊流風特性參數對不同結構風洞試驗結果影響的專項研究。

1 紊流風參數實驗室模擬

1.1 紊流風參數

通常用紊流強度、紊流積分尺度和脈動風功率譜這三個參數描述紊流風特性。

紊流強度是描述大氣紊流最常用的參數。順風向紊流強度定義為:

(1)

式中,σu為脈動分量平均變化幅度，U為平均風速。

紊流積分尺度反映了紊流中旋渦的平均尺度。順風向紊流積分尺度可定義為:

(2)

式中,Ru1u2(x)為順風向風速u1與u2的互相關函數，σu為u1與u2的均方根。

脈動風功率譜反映了紊流中各頻率所做貢獻。我國《公路橋梁抗風設計規范》規定的Kaimal譜定義為:

(3)

式中,n為風的脈動頻率，Su(n)為順風向功率譜密度函數，f=nz/uz為莫寧坐標。

1.2 試驗概況

格柵與格柵之間為正方形的中心方孔，布置形式如圖1所示。下文中用H表示格柵寬度，W表示格柵中心孔的尺寸。表1給出了不同工況下格柵寬度與格柵中心方空的尺寸。風洞的斷面尺寸為寬3.0 m×高2.5 m。

圖1 格柵示意圖Fig.1 Sketches of the grilles表1 各工況參數Tab.1 The parameters of different schemes

工況W/mH/m工況W/mH/m10.200.1090.400.1020.200.15100.400.1530.200.20110.400.2040.200.25120.400.2550.300.10130.600.1060.300.15140.600.1570.300.20150.600.2080.300.25160.600.25

圖2 測點位置示意圖Fig.2 Sketches of the measuring-points

圖2給出了在格柵形成的局部紊流風場中，采用丹麥DANTEC公司的Stream Line熱線風速儀測量紊流風特性參數的測點位置示意。在風洞橫截面的正中心位置布置測點a，水平方向距離a點0.5 m布置測點b、c；豎直方向距離a點0.2 m布置測點d、f。格柵布置如圖3所示，16種工況的格柵布置均是在風洞橫截面中心位置沿水平與豎直方向各布置一根格柵，其余格柵間距與尺寸均以中心這兩根格柵為參照，向四周擴展布置。這樣就保證了不同工況下測點與格柵的相對位置保持不變。

1.3 流場均勻性檢驗

為了測試氣流經過格柵后在風洞不同橫截面位置形成風場的均勻性，在格柵下游距離格柵2.5 m、3.5 m、4.5 m三個斷面測試其均勻性。試驗風速為4 m/s、5 m/s、8 m/s、10 m/s、12 m/s、15 m/s，為保證數據的有效性，16種工況每個風速下數據各采集3次。

表2給出了3個橫截面的試驗結果?？梢姡壕嚯x格柵越遠，橫截面的紊流強度值越小。每向下游移動1 m，紊流強度減小的幅值約為1.5%左右。距離格柵越近，各測點采集數據的標準差越大，數據波動越厲害。當距離大于3.5 m后，橫截面各測點數據波動明顯減小，斷面均勻性變好。圖4(a)給出了3.5 m橫截面處5個測點在不同風速下的紊流強度結果，在此斷面不同位置的紊流強度值雖有波動，但波動幅度不超過2.5%，橫截面的均勻性較好。

圖3 格柵風洞試驗Fig.3 Wind tunnel test of grilles表2 不同斷面紊流強度與紊流積分尺度結果Tab.2 The results of turbulence intensity and turbulence integral scale at different sections

斷面/m紊流強度平均值/%最大值/%最小值/%標準差紊流積分尺度平均值/m最大值/m最小值/m標準差2.519.9223.4118.031.410.190.400.110.063.518.7119.9117.550.750.230.310.160.034.517.2918.7016.310.730.240.320.190.03

圖4 3.5 m斷面各測點紊流強度及紊流積分尺度Fig.4 Turbulence intensity and turbulence integral scale of different measuring-points at 3.5 m section

圖4(b)給出了在格柵下游3.5 m橫截面處5個測點的紊流積分尺度結果，與紊流強度一樣，同一位置采集得到的紊流積分尺度也會發生波動，越靠近格柵，波動越大。紊流積分尺度在2.5 m橫截面處不同位置最大相差約0.3 m，其余斷面的均勻性較好，變化幅度不超過0.15 m。與紊流強度規律不同，測點位置向下游移動，紊流積分尺度沒有出現明顯的衰減?？梢?，氣流經過格柵后，距離格柵3.5 m橫截面處即可形成均勻性較好的局部紊流風場，試驗可以在此斷面進行。

1.4 試驗結果及分析

1.4.1 紊流強度

圖5給出了格柵寬度對紊流強度的影響?？梢姡猴L速的改變不會對紊流強度產生明顯影響。格柵越寬，紊流強度越大；格柵越窄，紊流強度越小，但數據的穩定性變好。如格柵中心孔尺寸為0.6 m時，格柵寬度由0.1 m增大到0.25 m，斷面紊流強度均值也由22%增大到35%。

圖5 格柵寬度對紊流強度的影響Fig.5 Width of grilles influence on the turbulence intensity

圖6給出了W分別為0.6 m、0.4 m、0.3 m、0.2m時，斷面平均紊流強度與H的關系曲線?？捎枚味囗検焦浪阄闪鲝姸取１?給出了紊流強度的估算公式，當確定好格柵風場的W與H值后，可由此式估算出格柵下游3.5 m橫截面處的紊流強度。

圖6 格柵寬度對紊流強度的影響曲線Fig.6 The curves of width of grilles influence on the turbulence intensity表3 格柵紊流場紊流強度估算公式Tab.3 The estimate formula of turbulence intensity in turbulent wind of grilles

W/cm紊流強度估算公式系數60y=0.00002H2+0.008H+0.14a=7.9×10-9W3-8.2×10-7W2+2.3×10-6W+0.0011;40y=0.0004H2-0.002H+0.17y=aH2+bH+cb=-1.2×10-6W3+0.00014W2-0.004W+0.02;30y=0.00065H2-0.013H+0.24c=1.1×10-5W3-0.0012W2+0.037W-0.078;20y=0.00089H2-0.0175H+0.27

表4給出了各工況紊流強度結果?？梢姡篐不變時，改變格柵間距對紊流強度的影響規律不明顯。分析原因是格柵較寬，會產生較大的紊流強度，這種較大的紊流強度已經接近達到格柵風場所能形成的紊流強度極值，故通過改變格柵間距無法使紊流強度繼續增大。當格柵較窄時，所產生的最大紊流強度僅近似等于格柵寬度較寬時所產生的最小紊流強度，紊流強度也無法通過增大格柵間距而增大，故紊流強度受格柵寬度的影響較明顯，受格柵間距離的影響較小。

圖7繪出了紊流強度隨W與H的變化情況?？梢姡何闪鲝姸然倦SW與H增大而增大，且受H的影響更明顯。因此增加格柵寬度是一種有效提高流場紊流強度的方法。

表4 各工況紊流強度Tab.4 The turbulence intensity of different schemes

圖7 紊流強度隨格柵中心孔尺寸與格柵寬度變化Fig.7 The variation of turbulence intensity with the width and space of grilles

1.4.2 紊流積分尺度

圖8給出了紊流積分尺度隨格柵寬度的變化情況。對比圖6，由擬合曲線可見紊流積分尺度隨格柵寬度的變化規律不明顯，當W=0.6 m時，紊流積分尺度隨格柵寬度的增大而增大，呈單調遞增趨勢，當w=0.4 m、0.3 m、0.2 m時，這種趨勢變為先增大后減小的趨勢。故不易給出推導公式估算紊流積分尺度。

W=0.4 m，積分尺度最大值約為0.41 m；W=0.3 m，積分尺度最大值約為0.29 m；W=0.2 m，忽略阻風面積過大的工況3、4得到的不穩定數據，紊流積分尺度最大值為0.28 m。故格柵形成的局部紊流風場，其最大紊流積分尺度和格柵間距大致相等。

表5給出了各工況紊流積分尺度值，單位為m。括號內的數值為H與W的比值?？梢姡何闪鞣e分尺度的波動較紊流強度大很多。格柵寬度不變壓縮格柵中心孔尺寸，紊流積分尺度會出現增大的現象。通常當H/W=0.5 cm時會出現較大的紊流積分尺度。如H=0.1 m時，W由0.6 m減小到0.3 m，紊流積分尺度維持在0.1 m左右，繼續減小W到0.2 m，紊流積分尺度會突然增大到0.24 m。其它寬度的格柵也存在這種現象。圖9給出了紊流積分尺度隨H與W變化的三維圖，也反映出了這種現象。

表5 各工況紊流積分尺度Tab.6 The turbulence integral scale of different schemes

圖8 格柵寬度對紊流積分尺度影響曲線Fig.8 The curves of width of grilles influence on the turbulence integral scale

圖9 紊流積分尺度隨格柵寬度與中心孔尺寸變化Fig.9 The variation of turbulence integral scale with the width and space of grilles

1.4.3 脈動風功率譜

圖10 格柵寬度對脈動風功率譜的影響Fig.11 Width of grilles influence on the fluctuating wind power spectra

圖10給出了W=0.6 m、W=0.4 m時，H對脈動風功率譜的影響，可見：不同格柵形成的局部紊流風場脈動風功率譜均與我國《公路橋梁抗風設計規范》規定的Kaimal譜較吻合，低頻部分格柵紊流風場的功率譜較Kaimal譜小，主要是因為在風洞中采用被動模擬這種方式產生紊流風場，很難提高低頻部分的功率譜。從功率譜的整體變化情況可見：不同格柵紊流工況下，風場的能量結構沒有顯著區別。

圖11 不同中心孔尺寸對脈動風功率譜的影響Fig.11 Different space of grilles influence on the fluctuating wind power spectra

圖11給出了H=0.15 m時，W對脈動風功率譜的影響?？梢姡篧由0.3 m增大到0.4 m，脈動風功率譜變化不明顯。W由0.6 m減小為0.2 m，由圖12(b)可見：脈動風功率譜發生了小幅變化，W=0.6 m時紊流場低頻部分的能量偏低，但風場中總的能量結構基本與我國《公路橋梁抗風設計規范》采用的Kaimal譜吻合。分析原因，脈動風功率譜表示紊流能量在各種結構尺度上的分布，試驗采用了相同幾何結構的格柵，所以造成紊流場中流動結構的相似性。

2 結 論

(1)格柵形成局部紊流風場，在格柵下游3.5 m處的橫截面即可形成均勻性較好的局部紊流風場。距離格柵越近，風洞橫截面不同位置的紊流強度波動越大。距離格柵越遠，紊流強度逐漸衰減，橫截面每向下游移動1 m，紊流強度減小1.5%左右。紊流積分尺度沒有出現衰減的現象。

(2)固定格柵中心方孔尺寸，格柵寬度越窄，紊流強度越低。

(3)局部紊流風場所形成的最大紊流積分尺度與格柵中心方孔的尺寸大致相當。

(4)給出了距離格柵3.5 m橫截面處依據格柵寬度的二次多項式估算紊流強度的公式，二次多項式中各項系數均可用格柵孔邊長的三次多項式表示。

(5)不同格柵形成的局部紊流風場脈動風功率譜在高頻部分(nZ/U>0.1)均與我國《公路橋梁抗風設計規范》規定的Kaimal譜較吻合，風場的能量結構沒有顯著區別。低頻部分存在一定偏差，風洞試驗結果偏小。

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Wind characteristic parameters in grille turbulent flow

BAI Hua1, HE Hanxin2, LIU Jianxin1, ZHAO Guohui1, GAO Liang3

(1. School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China;2. School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China;3. School of Civil Engineering and Architecture, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

For studying the effects of turbulence characteristic parameters on the wind tunnel test results of different structures, the parameters of local turbulent wind field produced by different grille shapes were measured and the influences of the distance between two grilles and the widths of grilles on the turbulence intensity, turbulence integral scale and fluctuating wind power spectra at different cross section were analysed by means of wind tunnel tests. The results show that the local turbulent wind field with good uniformity can be developed at the cross section 3.5 meters away from grilles. The turbulence intensity generated by grilles changes little with the change of wind velocity. Smaller widths of grilles and lower turbulence intensity can make better the stability of data. The size of turbulence integral scale is nearly the same as the distance between the two grilles. To facilitate the local turbulent wind adjustment, the estimation formula for turbulence intensity and turbulence integral scale according to the width and space of grilles was provided.

bridge engineering; wind tunnel test; grille; turbulence; wind characteristic parameters

中國博士后科學基金項目(2014M560737);中國博士后科學基金特別資助項目(2016T90876)；西安理工大學科學研究計劃項目(2015CX017)；中央高?；究蒲袠I務費專項資金項目(0009-2014G1211005;0009-2014G1211006)

2015-06-29 修改稿收到日期：2015-11-12

白樺 男，博士后，1979年生 E-mail:baihua9810@163.com

U448.27；TU317.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.22.031