頂部定常吸氣對高層建筑模型氣動力的影響

彭 思, 王漢封,2, 李石清

(1.中南大學 土木工程學院,長沙 410075; 2.高速鐵路建造技術國家工程實驗室(中南大學), 長沙410075)

頂部定常吸氣對高層建筑模型氣動力的影響

彭 思1, 王漢封1,2, 李石清1

(1.中南大學 土木工程學院,長沙 410075; 2.高速鐵路建造技術國家工程實驗室(中南大學), 長沙410075)

為減少高層建筑受到的風荷載，提高高層建筑抗風性能，提出一種頂部吸氣的主動控制方法。在一高寬比為H/d=5的正方形截面柱體的高層建筑模型上，通過在其頂部前邊緣開設狹縫進行吸氣來實現流動控制。通過風洞試驗研究了頂部吸氣對氣動力與頂部分離流的影響. 利用流動可視化與流場測試結果揭示了頂部狹縫吸氣的控制機理. 實驗對比了不同吸氣系數Q(=U/U∞,U為狹縫吸氣速度) 對氣動力控制效果的影響, 并對Q=0, 1和3的三種工況下風壓分布與頂部剪切流進行了詳細對比. 研究發現狹縫吸氣改變了頂部分離流特性, 并對模型所有高度上的氣動力均有顯著影響.Q=1時控制效果最佳, 脈動阻力與脈動升力分別減小17.8%和45.5%. 此時頂面分離流被削弱并伴隨有再附現象且湍流強度較大, 最有利于頂部剪切流與尾流間的動量交換, 從而削弱柱體展向渦脫落與脈動氣動力.

空氣動力學；有限長方柱體；定常吸氣；流動分離；流動控制

針對超高層建筑的氣動優化措施大體可以分為被動控制和主動控制[1]. 被動控制最常見的是結構物的外形優化, 如：采用倒角、圓角、凹角或角部擾流片, 柱體貫穿開洞, 沿高度改變建筑橫截面面積, 增加棱柱體頂面棱邊和側面螺旋線的數量[2-7]. 相比于被動控制, 主動控制方法以其可控性更能適用于復雜的風環境. 其中吹、吸氣方法是常見的主動控制措施之一. 文獻[8]在高寬比H/d為6的高層建筑模型不同高度上開設吸氣孔, 研究了不同風向角下模型側面和背面定常吸氣的控制效果. 實驗發現側面吸氣比背面吸氣效果更好, 且開孔距流動分離點越近, 控制效果越好. 文獻[9-11]通過數值模擬研究了高層建筑側面全高和分段的吸、吹氣控制, 發現氣流角度、開孔位置和開孔寬度對控制效果都有影響, 但主要受無量綱的吸氣量系數控制. 從能耗和折減效率的角度分析, 發現吸、吹氣有不同的適用范圍, 且分段控制效果不如全高控制. 文獻[12-13]進一步探討了被動控制和主動控制相結合的方法, 研究了方形、Y形截面形式、錐臺形式和帶切角或凹角形式的高層建筑模型在0°至45°風向角下通過兩側吸氣的控制效果. 實驗發現, 除錐臺模型外, 其他各吸氣模型對橫風向脈動力都有很好的抑制效果.

有研究發現, 有限長柱體頂部形成下掃流對其氣動力有很大影響[14-16], 但是能否通過控制下掃流實現對高層建筑氣動力的控制仍有待進一步驗證. 本文通過風洞試驗, 在正方形截面的高層建筑簡化模型頂部施加定常吸氣, 系統地研究了吸氣對氣動力的影響規律, 并通過流動可視化、流場測量等方法對頂部吸氣控制的機理進行了探討.

1 實驗介紹

所有試驗在一直流式風洞內進行, 其實驗段截面尺寸為450 mm×450 mm, 風速范圍0～40 m/s, 湍流度小于0.5%. 被測高層建筑簡化為一正方形截面棱柱, 寬d=40 mm, 高寬比H/d=5. 模型由韌性類ABS樹脂經3D打印制成, 剛度及表面光滑度都能滿足實驗要求. 安裝模型前, 對風洞壁面邊界層進行標定, 其厚度約為0.4d, 即模型0.4d以上高度都處于均勻來流中. 圖1(a)給出了模型示意圖與坐標系的定義. 坐標系原點為方柱底面中心. 模型頂面迎風側距邊緣1 mm處開設有一寬1 mm長36 mm的吸氣細縫. 模型底部的出氣管與放置在風洞外的抽氣泵相連, 并可通過流量計監測吸氣流量, 見圖1(b).在z*= 1, 2, 3, 4和4.5等(z*=h/d,h為測點高度,d為方柱寬度) 不同高度上, 布置五層測壓孔. 每層各個面的測壓點為5個, 沿柱體表面均勻布置.測壓試驗使用美國Scannivalve公司ZOC33/64PxX2高頻壓力掃描閥進行測量, 測壓試驗采樣頻率為625 Hz, 采樣時間32 s, 測壓系統見圖1(b). 實驗中自由來流風速U∞= 9.8 m/s, 基于d與U∞的Re=2.74×104. 通過流量計監測吸氣的體積流量, 并依據吸氣狹縫面積, 估算狹縫吸氣速度U, 定義吸氣系數Q=U/U∞.試驗研究了Q=0～4范圍內頂部狹縫吸氣對模型氣動力與頂部剪切流的影響規律.

(1)

(2)

式中:pi表示各測點風壓,p為風洞靜壓,ρ為空氣密度,為測壓點脈動風壓的均方根值(RMS值). 根據測點代表的面積, 可計算得到模型總體所受阻力系數Cd,whole, 脈動阻力系數和脈動升力系數.

圖1 實驗裝置

2 結果分析與討論

2.1 氣動力

圖4給出了模型各高度上局部的升力系數自功率譜. 為方便對比, 所有工況下各層的功率譜均以無控制時z*=1的譜峰值強度作為參考值,按式(3)無量綱化為dB. 頻率則以來流速度U∞和方柱寬度d按式(4)無量綱.

(3)

(4)

式中:pQ=i,z*=j為Q=i,z*=j時功率譜峰值強度,pQ=0,z*=1為Q=0,z*=1時功率譜峰值強度,f為頻率.

圖3 Q=0、1和3時方柱氣動力沿展向的分布

Fig.3 Distribution of the aerodynamic forces at different spanwise positions withQ=0, 1 and 3

圖4 方柱在Q=0、1和3時的各層升力系數自功率譜

Fig.4 Power spectral density of the lift at different spanwise positions withQ=0,1 and 3

無論吸氣與否, 模型所有高度上的無量綱渦脫頻率都為0.116, 這表明頂部吸氣雖然對脈動升力等有明顯削弱作用, 但其不會改變模型渦脫落頻率.Q=0時, 模型所有高度上的升力系數譜都具有明顯峰值, 說明在不吸氣時, 所有高度上展向渦都

具有強烈的周期性. 此外, 由于模型頂部所形成的下掃流具有削弱展向渦的特性, 因此, 越接近模型頂部功率譜峰值越弱. 當Q=1時, 所有高度上功率譜峰值相對于Q=0時都明顯減弱了, 且越接近頂部削弱得越顯著. 而當Q=3時, 功率譜峰值又有所增強.

為進一步揭示頂部吸氣對模型氣動力的影響機理, 圖5給出了模型總體Cd,whole和Cl,whole的時程曲線以及Cl,whole對應的時頻分析結果. 由圖 5可得到：首先,Q=0時,Cl,whole大幅波動的情形在時間上具有明顯的間歇性, 時頻譜中峰值是不連續的. 這與文獻[18-20]所觀察到的現象一致, 即有限長方柱尾流中會隨機出現兩種典型狀態: 一種是方柱兩側展向渦有規律地交替脫落, 此時Cl,whole大幅振動；另一種是展向渦準對稱地脫落, 對應Cl,whole振幅很小且無明顯周期性. 顯然, 前者所對應的升力脈動值要顯著大于后者. 其次,Q=1時,Cd,whole和Cl,whole時程曲線表現得較為平穩, 這說明類似卡門渦街的交替渦脫模態在很大程度上被抑制了. 而當Q=3時,Cl,whole的周期性波動再次變強.

圖5 模型總體氣動力特性

2.2 頂部剪切流

為進一步探討頂部剪切流的特性, 進行了流動顯示實驗. 煙線布置見圖1(a), 發煙材料為石蠟. 實驗風速為1.12 m/s, 并以此調節吸氣速度, 研究Q=0、1和3工況下方柱頂部流動特性. 由于方柱沒有雷諾數效應, 故該風速下的實驗結果仍能為測壓實驗現象的解釋提供參考. 圖6給出了Q=0、1和3時, 模型頂部剪切流的可視化結果. 由圖 6可以看出,Q=0時, 剪切流在模型頂部邊緣發生分離, 分離流直接掠過模型頂部, 在其下游形成下掃流, 并與模型兩側形成的展向渦發生作用. 這一下掃流具有將展向渦向兩側分開的趨勢并能削弱展向渦的強度, 降低其脫落頻率(相對于二維柱體)[21-22]. 當頂部前邊緣吸氣系數Q=1時, 頂部分離流被明顯抑制并向模型頂部靠近. 在狹縫吸氣的作用下, 分離流在頂部的下游部分發生了再附著. 隨著向下游的發展, 流動再次在模型頂部后邊緣發生分離, 并伴隨有較為顯著的不穩定性. 從流動可視化圖中可以看出, 該剪切流與模型展向渦在模型后部發生了較為強烈的相互作用, 這可能是此時脈動升力達到最小的原因. 當Q增大到3時, 模型前邊緣剪切流出現了另一種完全不同的形態. 此時, 頂部前邊緣的流動分離被完全抑制, 流動緊貼頂部表面向下游運動, 在頂面尾部發生分離, 且剪切流沒出現如Q=1時的不穩定擺動.

圖6 Q=0、1和3時方柱頂部流動顯示

圖7 方柱頂部剪切流測量結果

圖 7(b)給出了上述測點位置上的流向脈動速度Iuu.Q=0時, 頂部邊緣形成的分離流的剪切層內Iuu最強, 但其距離頂面較遠. 前緣吸氣在Q=1時不僅顯著縮小了分離區, 而且仍保持了頂面附近較強的Iuu. 而當Q增大到3時, 分離流被完全抑制后, 來自柱體前部的自由流緊貼著頂面流過, 此時頂面附近Iuu與自由流相同, 其強度幾乎為零. 由頂面剪切流的流動可視化與測量結果可知,Q=0時, 頂面前緣分離流直接掠過模型頂部, 并會在頂面上形成分離泡. 而當Q=1時, 頂面上的分離流會發生再附著并明顯抑制分離泡, 且此時頂面流動具有較高的湍流度, 這有利于模型尾流與外部高速流體進行動量交換, 并削弱展向漩渦脫落. 而當Q增大到3時, 盡管頂部分離流被完全抑制, 但頂面流動湍流度幾乎為零, 這可能反而削弱了尾流與外部高速流體的動量交換, 所以控制效果反而較Q=1時有所減弱.

3 結 論

采用風洞試驗, 研究了H/d=5的正方形截面高層建筑簡化模型頂部狹縫吸氣對其氣動力與頂部剪切流的控制效果, 得到如下結論:

1)頂部狹縫吸氣能夠略微減小模型時均阻力, 并顯著抑制模型脈動阻力與脈動升力. 就本文吸氣設置情況而言, 當吸氣系數Q=1時, 氣動力控制效果最為顯著, 相對未控制工況, 時均阻力減小3.60%, 脈動阻力與脈動升力分別減小17.85%和45.57%.

2)頂部狹縫吸氣不僅對頂部附近氣動力有影響, 而且對模型所有高度上的氣動力均有顯著控制效果. 頂部吸氣可削弱模型展向旋渦脫落, 但并未改變其渦脫落頻率.

3)狹縫吸氣對模型頂部分離流有顯著的加速作用, 并顯著改變了分離流特性.Q=1時, 模型頂部流動分離被明顯削弱, 并在頂面后部發生再附著；而當Q=3時, 流動分離被完全抑制, 且頂面上的邊界層也基本消失.

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(編輯趙麗瑩)

Thefree-endsteadysuctioneffectsontheaerodynamicforcesofhigh-risebuildingmodel

PENG Si1, WANG Hanfeng1,2, LI Shiqing1

(1.School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2.National Engineering Laboratory for High-speed Railway Construction (Central South University), Changsha 410075, China)

To reduce wind loads on high-rise buildings, a new active aerodynamic control method named steady suction on the top of the building was introduced. The effects of free-end leading edge steady suction on the aerodynamic forces and free-end separation of a finite-length square cylinder were experimentally investigated in a wind tunnel. Flow visualization and flow field measurement were utilized to reveal the control mechanism. The dependence of aerodynamic forces on the suction ratioQ(=U/U∞) was studied. The pressure distribution and the shear flow above the free end were compared in detail forQ=0, 1 and 3. The results show that the slot suction changes the flow separation on the free end significantly and also the aerodynamic forces on the whole cylinder span. The best control result appears atQ=1, with the fluctuation drag and lift reduced by 17.8% and 45.5%, respectively. At this suction ratio, the flow separation at the leading edge is weakened with reattachment and strong turbulence fluctuation presence on the free end, which results in strong momentum transport between the free-end shear flow and the wake and suppresses the vortex shedding and aerodynamic forces efficiently.

aerodynamic forces; finite-length square cylinder; steady suction; flow separation; flow control

10.11918/j.issn.0367-6234.201703123

O355

A

0367-6234(2017)12-0159-06

2017-03-24

國家自然科學基金(11472312)

彭 思(1990—)，男，碩士研究生；

王漢封(1976—)，男，教授,博士生導師

王漢封，wanghf@csu.edu.cn