中小型露天建筑施工粉塵污染風洞試驗研究

關鍵詞：露天建筑；施工；粉塵污染；風洞試驗；氣流

中圖分類號：X831 文獻標志碼：B

前言

隨著科學技術的發展和人民生活水平的提高，建筑施工中造成的粉塵污染問題也越來越引起人們的注意，建筑物的風場結構受背景風場的特征、相鄰的建筑以及自身幾何特征的影響，導致粉塵難以控制，對人們造成了不好的影響。同時，由于單純繞流的阻礙，導致施工建筑附近的流程出現下沖、渦流、角隅流、尾流和穿堂風等現象，又增加了施工建筑的復雜性，這些因素都會使建筑施工時附近的局部風速過大，造成嚴重污染。目前，許多發達國家已經制定了有關法規，要求對高層建筑或建筑物的風場進行環境影響評價，這就是在建設前的概念、規劃和設計階段，要對建筑的風荷載和周圍的風場特性進行評估，從而對建設后的風向和環境進行科學評價，以減少施工粉塵的影響。當前雖然有較多學者研究了施工粉塵污染分析方法的研究，但是還有一定不足之處，為此本次通過中小型露天建筑施工粉塵污染風洞試驗分析的形式，進一步分析建筑施工粉塵污染的情況，期望減少建筑施工粉塵污染的情況。

1風洞試驗準備

此次實驗中采用的風洞模型是由4 mm厚度的有機玻璃材料制成的，其強度和剛性足以在13 m/s的測試風速下不會產生變形，因此可確保風壓測量的準確性。根據實際建筑尺寸，選取幾何比例，使得模型在風洞內的堵塞程度達到89%。該模型的形狀與實際物體的幾何形狀非常接近，實驗時將模型置于28 m直徑的圓盤中心，利用轉動圓盤來模擬不同的風向。

詳細的風洞實驗室構造以及設備見表1。

除此之外，采用擋板、柵格以及粗糙元等模塊對風洞內的空氣邊界層進行了仿真，并可根據實驗條件進行調整，以適應高速區、低速區的風場和湍流場。由于建筑外立面的不規則性，在外立面、屋頂和開放墻上布置了測量點，從而得到了有關模型完整的風壓資料。在粉塵濃度的分析上采用M200型的氣相色譜儀，沿著建筑物的尾流區分別設置采樣點，垂直安裝到取樣靶上，SCANIVALVE的輸出端與氣體色譜的取樣端口之間用PVC管道相連。另外，在SCANIVALVE出口和氣體色譜取樣口之間裝有空氣泵，以加速取樣。在取樣的時候。通過氣相色譜儀對一種氣體樣品進行分析。電腦程式會控制SCANIVALVE，使各取樣點的示蹤性氣體樣品均能由一臺氣相色譜儀持續取樣，并將相應的層析及濃度值儲存于主控臺式機內。

風洞試驗概況圖見圖1。

測試基準點的風速是13 m/s的基準點高度H=10 m，取樣頻率是300 H，取樣時間是20 s，風壓系數取樣值是6000個。

在風洞試驗中使用了兩套測量系統，具體內容如下所示：

（1）風速測量系統：通過澳大利亞TFI公司的眼鏡蛇風速測試儀、AD板、PC和專用軟件等構成的測試系統，對大氣邊界層的仿真風場進行測試。本系統可用于風洞內的風速分布、湍流度、脈動風速、功率譜等參數的測定。在風場試車時，0.6米處的平均風速大約是9米／秒。

（2）風壓測量、記錄及數據處理系統：風壓測量、記錄、數據采集、數據處理、微機及自編數據處理系統。測試中，測量信號的取樣頻率是312.5赫茲，取樣時間是32秒，取樣長度是10000 m。

（3）天平：本實驗采用最小分辨感度0.01 mg，最小感度0.5 g兩種規格的天平。

（4）加濕裝置：利用超聲波加濕器來加濕顆粒，采用粒度為微米級的噴霧槍進行潤濕。

（5）堆起料機：為模擬建筑物料的搬運，開發了堆料器的模型。模型設計參照堆場堆料器尺寸為1：100，確保皮帶寬度為14 mm，皮帶速度為0.025 m/s，對應角度速度為4.08弧度s。斗輪采用齒輪式斗式，共有9臺。

（6）熱線風速儀：風速采用丹麥制造的DISA熱線（隔膜）風速計，在使用之前，通過DISA內的噴流風洞對其進行標定。采用熱膜式流速計進行風速分布，采用V形熱膜式風速計進行雷諾應力的測定。

（7）錄像放大設備：為了防止近距離的微粒對局部流場的影響，采用了遠程觀測的方式來測量啟動風速。

2風壓分布特性

對流層空間結構模擬，在大氣邊界層中，預先考慮風的特性，大氣粉塵一般都是呈稀態固氣流，根據粒子運動無量綱方程得出公式（1）：

基于上述計算，描述了建筑物表面的風壓情況，描述了風壓分布的特性。

3結果與討論

通過上述過程為試驗做準備，在此基礎上，分析試驗結果，預先分析不同角度風向下粉塵污染情況，結果見圖3。

基于上述圖3可知，風向為0°～45°情況下，粉塵向下流動的趨勢明顯高于向上流動的趨勢。1層和2層附近的無量綱濃度達到最高，粉塵有一個強烈向下流動和擴散趨勢，并在此區域大量地聚集，給下層樓帶來更高風險的污染空氣污染物感染。向上擴散主要屬于分子擴散，并且被流動擴散抵消，沿建筑高度的增加，無量綱濃度明顯降低。大約在13層左右，濃度降低至2個數量級以下。

當風向為90°～135°時，濃度則保持在一個穩定水平。粉塵濃度下慢慢地向上方擴散，相對更高的濃度出現在較高樓層。這意味著當風向是90°時，建筑天井內存在較大的渦流區，氣流不易從天井內散出。

當1800時背風面出現倒吸現象，氣流沿建筑立面向上流動趨勢降低，大約在建筑的中部位置，無量綱濃度就降低到2個數量級以上。

在此基礎上，分析建筑物東面測點不同位置的最大正風壓系數，測點的位置見圖4。不同測點上的最大正風壓系數試驗結果見表2。

基于表2能夠看出，氣流方向以及建筑物的高度均會對風荷載造成影響，為此在實際工程中，需要注意這個問題。

4結語

在建筑設計和城市規劃中，風的影響是一個非常重要的因素，在建造大型的高層建筑時，不僅要保證建筑的施工技術和材料，還要保證其抗風能力，因此，設計人員必須充分考慮到風力對結構的荷載效應。研究為探究風力對結構的荷載效應，減少污染以及渦流等情況的發生，開展中小型露天建筑施工粉塵污染風洞試驗研究。文章先制作風洞試驗模型，然后采用粒子運動無量綱方程、相似準則計算風強度，計算風壓差以及風洞中模擬氣體擴散情況獲得建筑施工粉塵污染值，以此完成中小型露天建筑施工粉塵污染風洞試驗的研究，并得到以下結論：第一，在高層建筑周圍，空氣流動特性比只有浮升力時的自然對流復雜；第二，采用數值模型對風壓系數與污染情況進行了模擬計算，并得到了相應的結果。