通過不等間距格柵構建大氣邊界層試驗研究

吳義民， 王宇晨， 李春旺， 馬曉鈞

(北京聯合大學 生物化學工程學院, 北京 100023)

通過不等間距格柵構建大氣邊界層試驗研究

吳義民， 王宇晨， 李春旺， 馬曉鈞

(北京聯合大學 生物化學工程學院, 北京 100023)

設計了一種可用于建筑風環境測試的風洞試驗方法，利用不等間距的格柵制造大氣邊界層的風速剖面，采用此方法的風洞試驗平臺具有占地面積小、節約運行成本、能夠快速構建不同地貌類型大氣邊界層的梯度風等優點。

建筑風環境； 模型試驗； 大氣邊界層； 風速剖面

隨著經濟和科技的高速發展，城市化水平不斷提高，土地資源緊缺，城市中的高層建筑和密集建筑群越來越多。這些高層建筑或建筑群的出現，會改變其周圍區域的建筑風環境，帶來一系列的風環境問題：(1)可能會造成局部區域強風，危及行人的安全，降低行人的舒適感受[1]，有文獻報道行人被強風吹倒摔傷致死和建筑物上的窗玻璃等被強風吹掉，造成財產損失及危及行人等事例；(2)可能會造成局部地區漩渦和氣流死角，不利于污染物的擴散，危害人的健康[2]；(3)不合理建筑布局帶來的風環境問題還可能造成建筑能耗的增加，夏季由于空氣流通不暢，造成空調負荷增加，冬季由于圍護結構滲透風量的增加而使采暖能耗增加[3-4]。因此，很多國家(如美國，日本，澳大利亞等)對一定高度的新建建筑，都規定必須對其進行風環境預測評估，我國在綠色建筑評價標準中規定建筑周圍人行高度風環境的風速要控制在5 m/s以下[5-6]。因此，開展建筑風環境的研究和評估，合理布局高層建筑或建筑群，制造安全舒適健康的人行環境，對于建筑設計及區域規劃設計具有重要意義。

1 建筑風環境的評估

對建筑風環境的研究和評估主要方式有計算機數值模擬和風洞模型試驗，二者都可用于建筑設計階段的預測。計算機數值模擬簡便快捷，成本低廉，數據信息豐富，但其依賴于湍流模型和使用者的經驗，其計算結果往往會因人而異，存在不確定性[7]。風洞試驗驗證則更為可靠[8]，風洞模型試驗的優點是空氣氣流可控，邊界條件可控，測量方便，不受外界氣候環境變化的影響，數據真實可靠，一直是風工程學中最主要最強有力的研究手段。

然而，現有的風洞試驗，一般均采用尖劈加粗糙元的方法營造大氣邊界層的梯度風，當地形變化時，需要通過更換或調整尖劈和粗糙元進行試湊來實現需要的流場，盡管梯度效果好，但耗時耗力，且存在風洞尺寸大、占地面積大、運營維護成本較高等問題[9-13]。為了使風洞測試更加簡便，減小占地面積，有學者進行了不同的嘗試，采用不同的方法營造大氣梯度風。LLOYD提出了3種制造梯度風的方式[14]，Phillips采用變間距平板格柵模擬大氣邊界層風速剖面和湍流度[15]，Pietersma、吳麗萍和范貴生在可移動式風蝕風洞設計中采用了棒柵加粗糙元的方式構造梯度風[16-18]。本文采用不等間距格柵的方式營造大氣邊界層的梯度風，結合測試數據，與理論計算值進行對比，驗證了采用格柵營造梯度風的準確性以及進行建筑風環境實驗研究的可應用性。

2 大氣邊界層理論模型

大氣邊界層模擬是風環境中風洞試驗的基礎，必須保證所模擬的大氣邊界層與實際地貌的大氣邊界層相似，這是風洞試驗平臺的關鍵。

大氣邊界層中的風速是隨高度變化的函數，根據現行國家建筑工程風洞試驗方法標準規定[19]，采用指數律來表征邊界層風速隨高度的變化關系如下：

(1)

式中：Vz為z高度處平均風速，m/s；V10為10 m高度處平均風速，m/s；z為離地面垂直高度，m，z10=10 m；α為風速剖面指數，根據地面粗糙度類別取值不同；zg為梯度風高度，m；zb為剖面起始高度，m。 圖1為梯度風示意圖。

圖1 梯度風示意圖

根據地面粗糙度不同，中國建筑結構荷載規范將地貌簡單的歸納為開闊(A)、鄉鎮(B)、市區(C)和高層建筑區(D) 4種典型情況，對應不同地貌類型，規范中給出了相應的風速剖面指數分別為0.12、0.15、0.22、0.30和邊界層高度為300、350、450、550 m。

3 風洞試驗平臺的建立

試驗臺用有機玻璃制成，試驗用風道長5 m，截面尺寸為1.2 m×1.2 m；沿氣流流動方向分為進風段、均流段、疏流段、測試段、出風段；試驗送風由人工氣候室獨立空調機組處理后送入。試驗臺示意圖見圖2。

圖2 試驗臺示意圖

進風段：由左右兩側中間位置各開一個直徑300 mm對稱的孔洞，接空調機組處理后送入的新風。均流段：長度為2 m，有兩塊均勻分布開孔的均流板，大孔板均布30 mm的孔，小孔板均布10 mm的孔，兩板間距1 m，大板距風口中心0.5 m。疏流段加測試段：格柵距風口2.5 m，格柵后為疏流段，也是測試段。

為了模擬出大氣邊界層梯度風，利用不等間距的格柵來制造梯度風，模型如圖3所示。

圖3 不等間距格柵側視圖及主視圖

根據伯努利方程及流體流過孔板的局部阻力關系式，針對開闊(A)、鄉鎮(B)、市區(C)和高層建筑區(D) 4種典型地貌，計算4種格柵開口寬度。測試結果、分析及結論以高層建筑區(D)的典型地貌進行。

4 測試結果和分析

4.1 均流段后風速均勻性

分別選取距離進風段風口中心為2、2.5、3、4 m的斷面，將風洞斷面按照中間矩形法布置測點，斷面上共布置9個測點。圖4以5 500 m3/h(送風機轉速變頻為50 Hz)的送風量為例測得的斷面各點風速值。

圖4 距風口不同距離斷面上測點的風速值

圖4(a)中距風口2 m斷面的平均風速1.06 m/s，測點最大風速為1.13 m/s，最小風速為0.66 m/s，斷面的風速標準偏差為0.22 m/s，相對偏差為20.5%；圖4(b)中距風口2.5m斷面的平均風速為0.88 m/s，測點最大風速0.94 m/s，最小風速為0.73 m/s，斷面的風速標準偏差為0.09 m/s，相對偏差為10.9%；圖4(c)中距風口3 m斷面的平均風速為0.77 m/s，測點最大風速為0.91 m/s，最小風速為0.71 m/s，斷面的風速標準偏差為0.07 m/s，相對偏差為9.4%；圖4(d)中距風口4 m斷面的平均風速為0.71 m/s，測點最大風速為0.81 m/s，最小風速為0.64 m/s，斷面的風速標準偏差為0.05 m/s，相對偏差為7.1%。測試數據中，最優距離為距風口4 m，標準偏差和相對偏差都最小，斷面風速的均勻性最好。可知距離風口越遠，斷面的均勻性越好。

4.2 測試段風速垂直分布

在試驗工況下，取均流段斷面平均風速1.06 m/s，以此為大氣邊界的主流風速基準值，根據相似性準則，推算大氣邊界距地面10 m高度處的參考風速值[20]，見式2。

(2)

式中,Vref為氣象臺觀測高度10 m處的參考平均風速。

各測點平均風速按下式換算成風速比Rj：

(3)

式中,Vj為測點j點處的平均風速,m/s。

根據式3，將計算出的理論目標風速、格柵后200、500 mm距離的風速比的比較見圖5。由圖5可看出：距離格柵200 mm處的測試數據與目標曲線趨勢非常接近，說明通過格柵營造梯度風還是很成功的；垂直高度比為4的測點(最下面的測點)的數據偏離目標曲線較其他點遠，應與靠近壁面有關；隨著距離的加長，距格柵500 mm的各點數據偏離目標曲線增大，應為風速逐漸衰減造成的，梯度差異趨于減小，因此選取高風速送風，效果應該更好。

圖5 距離格柵后不同距離的梯度風

5 討論

5.1 不同送風量下風速均勻性

送風量為3 680 m3/h(送風機轉速變頻為35 Hz)，斷面風速的均勻性見圖6。統計得到距離風口2、2.5、3、4 m斷面上風速的相對偏差見圖7。

由圖6和圖7可看出，距離風口越遠，均勻性也越好。與圖4工況比較，當送風量降低時相對偏差增大，不均勻性有所增加，本試驗平臺選擇送風量大的工況，均勻性好。

圖6 風量為3 680 m3/h下距風口不同距離斷面風速值

圖7 風量為3 680 m3/h距風口不同距離斷面相對偏差

5.2 不同送風量下梯度風的形成狀況

圖8為送風機頻率為35 Hz(送風量為3 680 m3/h)下距格柵不同距離的梯度風。減小送風量時，距離格柵200 mm處，風機頻率35 Hz時的測試數據偏離目標曲線較50 Hz遠，因此結論是送風量大的工況下，梯度風的模擬效果較好。

圖8 送風量3 680 m3/h距離格柵后不同距離梯度風

6 結論

(1) 采用風洞試驗的方法進行建筑風環境的研究很重要，也很必要。通過對試驗平臺的風速測試，得出如下結論：采用不等間距格柵營造出了梯度風，可用于以舒適性為目標的建筑風環境的預測分析；與理論公式對比，趨勢是一致的，除接近下壁面的點外，梯度風距格柵200 mm處測量值與理論目標曲線的誤差小于8%。

(2) 本文采用格柵方式建立的風洞測試平臺，具有簡易、靈活、占地少等優點，可用于建筑風環境研究與評價的相關工作。

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Study on test of constructing atmospheric boundary layer through unequal spacing gratings

Wu Yimin, Wang Yuchen, Li Chunwang, Ma Xiaojun

(School of Biochemical Engineering, Beijing Union University, Beijing 100023, China)

A wind tunnel test method which can be used for the building wind environment detection is designed. The wind velocity profiles of the atmospheric boundary layers are created by using unequal spacing gratings. The wind tunnel test platform with this method has the advantages of small area occupation, the operational cost saving, the rapid construction of the gradient wind in atmospheric boundary layers with different landform types, etc.

building wind environment； model test； atmospheric boundary layer； velocity profile

TU119

A

1002-4956(2017)10-0050-05

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.014

2017-04-26

吳義民(1967—)，女，吉林扶余，工學碩士，講師，研究方向為建筑環境智能控制技術.

E-mail：jdtyimin@buu.edu.cn