風洞實驗室探秘

薛美美

我第一次走進北京交通大學結構風工程與城市風環境實驗室，是在2018年9月3日，作為一名碩士一年級的新生，進入課題組開始未來三年的科研學習。實驗室位于學校機械工程樓B1層，從機械樓正門進入，按照標志指引，下了樓梯，就是另一番天地。

北京交通大學結構風與城市風環境實驗室

北京交通大學結構風工程與城市風環境實驗室是國內功能最完備的風工程研究基地之一，主要應用于建筑結構和城市風環境領域。實驗區域最主要的設備是5座不同類型的現代化風洞，分別是雙試驗段回流式風洞、直流式風洞、龍卷風模擬器、下擊暴流模擬器及科普演示風洞。

說到風洞這一專業詞匯，這里需要簡單介紹一下。風洞是指一個按照一定要求設計的、具有動力裝置的、用于各種氣動力試驗的可控氣流管道系統。它可以模擬研究對象周圍氣體的流動情況，并可量度氣流對研究對象的作用效果以及觀察物理現象。通過動力設備人為制造出符合需求的風，就是風洞的功能。風洞的應用領域非常廣泛，比如航空航天、汽車工業以及體育運動等。

有了能夠產生風環境的設備，實驗室還配備了先進的電子壓力測量系統、控制系統和結構測振系統，能夠進行測壓、測力等試驗，同學們可以使用這些設備儀器進行建筑物、橋梁測壓和風環境試驗，以及其他工業空氣動力學試驗。

風洞實驗室的五座風洞示意圖

3.實驗室里那面榮譽墻4.布置完成后的模型現場圖?5.實驗室歷史發展?6.正在連接掃描閥的試驗團隊成員

走進實驗室，學生工作室有一面充滿藝術氣息的外墻，上面寫著實驗室的建成由來和歷史發展：2010年雙試驗段回流式風洞成功啟用，2011年風洞實驗室落成投入運行，2013年被評為北京市重點實驗室，同年完成實驗室二期擴建，2015年直流風洞與PIV系統正式投入使用

我們的風洞實驗室團隊在李波教授等老師的帶領下，承擔了多個國家級項目。主持完成了包括2022年北京冬奧會延慶賽區國家雪車雪橇中心、國家高山滑雪中心、北京副中心綠心劇院、首博東館、廣州恒大足球場在內的數十項大型復雜的風工程咨詢，研發了國內第一個冰雪項目風洞輔助訓練系統，并且協助國家體育總局進行東京奧運會、北京冬奧會備戰，目前已經完成了十余個國家集訓隊的風洞測試和多個賽場的風環境評估。其中就包括剛剛在東京奧運會上大展拳腳的中國游泳隊張雨菲、楊浚？等著名運動員的測試。

2019年10月，我和團隊的師兄師姐們一起開始了揚子江國際會議中心風工程咨詢項目。前期的設計交接、模型測壓點布置、模型公司對接;中期拿到試驗模型后，制定相應試驗方案，組織團隊成員開展試驗;后期通過系統分析，給出咨詢報告。

利用風洞完成一項風工程咨詢項目并不是一件容易的事情。前期需要規劃設計好測壓點的布置，然后進行風場布置。需要團隊通力合作的插閥工作，是通過一個管道把模型測壓點和掃描閥連接起來。對一般模型來說，其表面至少有近400多個測壓孔洞，我們要一個一個把這些孔洞通過極細的管道連接起來。將模型和設備連接好后，還需要對模型進行固定，對風洞進行檢查后，試驗才能正式開始。

7.8.9.10.試驗模型

冰雪項目風洞輔助訓練測試模型

試驗結束后，我們還需要通過計算給出全風向風壓分布圖和風振響應分析報告，為結構的抗風設計提供參考。

東京奧運毫無疑問成為了近期的網絡熱點，為國爭光的奧運健兒在奧運會上書寫了歷史。眾所周知，隨著體育事業的不斷發展，運動員們提高成績越來越離不開科技的助力。現代競技體育實際上是一個非常復雜的“人—機—環”系統工程，跟運動員的訓練、裝備、賽時環境都密切相關。而這些，都離不開風洞技術的身影。

為此，北京交通大學風洞實驗室主動承擔了國家重點研發計劃“科技冬奧”課題，主要是對風洞應用于競速類冰雪運動項目領域的探索研究。

根據相對運動的原理，風洞能夠模擬運動員的高速運動狀態，為運動員開展專項訓練提供一個很好的模擬環境。并且，為了減小風的不利影響，合理利用風，還可利用風洞對運動員的姿態、隊列進行優化、研發低風阻高性能運動裝備、服裝、器材，評估比賽場地賽時的風環境。

在李波教授的帶領下，實驗室團隊研制出了具有自主知識產權、專門應用于冰雪項目風洞測試的高精度6分量測力臺，在北京交通大學風洞實驗室BJ-1號風洞建立了我國第一個冰雪項目風洞輔助訓練系統。這套系統能夠將風速、風阻力、姿態、重心位置、測試指令通過投影儀實時反饋給測試運動員，通過定量化的數據，進行運動姿態、隊列優化。實驗室團隊還協助在二七國家冰雪運動科訓基地建成了我國第一座體育綜合風洞，目前該風洞也已經投入正常使用中，團隊成員定期到科訓基地進行技術指導，協助測試的進行。為協助高性能運動裝備研發，還專門開發了運動裝備風阻性能評測模塊。目前，這套系統已經開展了國家自行車集訓隊（包括剛剛取得東京奧運會金牌的鐘天使、鮑珊菊）、國家鋼架雪車集訓隊的風洞測試。

北京2022年冬奧會延慶賽區位于小海坨山，包括國家高山滑雪中心、國家雪車雪橇中心等。該賽區地形復雜、大風凜冽，抗風是該賽區基礎設施、賽時臨時設施建設的關鍵。李波教授帶領我們采用實測與地形試驗相結合的方法，對延慶賽區復雜山區風場特性進行了研究，確定了重要建筑結構抗風設計所需的風場參數，結合延慶賽區基礎設施的形體及結構特征，提出了選取節段模型進行風洞試驗等方法，助力延慶賽區基礎設施、賽時臨時設施建設。

不久前，在國家體育總局舉行的冰雪項目2020？2021賽季表彰大會暨中國冰雪科學顧問等證書頒發儀式上，李波教授被授予了“中國冰雪科學家”榮譽稱號。

12.雙試驗段回流風洞組成雙試驗段回流式閉口風洞2010年年底正式投入使用。雙試驗段指的是具有高速和低速兩個試驗段，回流式指的是風洞的整個管道首尾閉合，氣流在風洞中循環回流，既節省能量又不受外界的干擾。整個風洞由動力段、擴散段、低速試驗段、收縮段、高速試驗段組成。其中動力段是風洞中氣流的動力來源，擴散段的作用是把氣流的動能轉變為壓力能，以減小風洞的功率損失，收縮段管道截面尺寸變小，使氣流均勻加速，試驗段是布置風場放置模型進行試驗的部分。北京交通大學風洞實驗室的雙試驗段回流式閉口風洞的低速試驗段尺寸為5.2m×2.5m×14.0m（寬×高×長），高速試驗段尺寸為3.0m×2.0m×15.0m（寬×高×長），最高可以提供的風速為30m/s。

13.直流式開口風洞直流式開口風洞，也就是風洞的整個管道開敞，氣流從管道流出。該設備的試驗段尺寸較小，為1.5m×1.2m×10m（寬×高×長），配備有高速攝像機。使用該設備主要是進行PIV（Particle?Image?Velocimetry）試驗，該試驗能在同一瞬態記錄下大量空間點上的速度分布信息，可提供豐富的流場空間結構以及流動特性。

14.下擊暴流模擬器及龍卷風模擬器實驗室除了可以模擬常態風之外，還可以使用龍卷風模擬器和下擊暴流模擬器，分別模擬龍卷風和下擊暴流這兩種劣態風環境。眾所周知，龍卷風雖然并不常見，但是它破壞性強，強風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，而橫向風則可以吹倒大樹，吹翻車輛，吹塌建筑物等，因此龍卷風所到之處房屋摧毀，樹木折斷。試驗時，將模型放置在模擬器出風口下方，通過在模型表面布置測量裝置，可以觀測龍卷風對模型的影響。下擊暴流同樣是一種極端風，是一股在地面或地面附近引起輻射型災害性大風的強烈下沉氣流。如同它的名字一樣，它是一股快速下沖地面的氣流，也是一種災害性天氣。試驗時，將模型固定在模擬器下方出風口，安裝好測試設備后，開啟模擬器，就可以模擬研究下擊暴流對模型的影響了。

責任編輯：陳思