[发明专利]一种基于边界层风洞的下击暴流风场模拟试验装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于边界层风洞的下击暴流风场模拟试验装置及方法，包括有构成可拆卸的中空框架结构的底架、侧架和顶架，框架的后部设置有一组左右相对布置且由驱动系统控制的开合板，所述一组开合板与框架的中空部分构成风道，所述风道内横向设置有可调节高度和倾斜角度的斜板；通过改变开合板的开合、开合角度以及改变斜板的高度、倾斜角度的过程，在边界层风洞中模拟下击暴流风剖面和下击暴流瞬态风速。本发明解决了在边界层风洞中开展下击暴流作用下桥梁模型风致响应试验研究的难题。

技术领域

本发明涉及桥梁及结构风工程试验技术领域，特别是一种基于边界层风洞的下击暴流风场模拟试验装置及方法。

背景技术

下击暴流是一种雷暴云中局部性的强下沉气流在到达地面后产生的直线型大风，在接近地面附近时风速达到最大，具有突发性、局地性和强非平稳性。由于下击暴流产生下沉气流以非常大的速度从高空俯冲下来在近地面形成巨大的能量，对飞机航行、建筑结构和桥梁结构安全造成了巨大的威胁，因此研究下击暴流风特性及其对工程结构的影响研究具有重要意义。由于下击暴流具有突发性、局地性，现场观测下击暴流风样本的难度较大，下击暴流风特性研究仍需要进行深入研究。目前，试验研究是研究下击暴流风场特性主要手段之一。

下击暴流风场试验模拟的措施主要有：采用主动控制多风扇风洞(IndividuallyControlled Multiple Fan Facilities)模拟突变气流；采用喷射装置(Air Jets)模拟下击暴流风场；采用可调节平板装置(Flat Plate)模拟下击暴流风场；采用百叶窗装置(Louvers Facilities)模拟下击暴流风场。在采用主动控制多风扇风洞模拟突变气流方面，曹曙阳等采用日本宫崎大学大型多风扇主动控制风洞模拟下击暴流突变风速时程。该主动控制风洞采用开口直流式矩形截面，长15.5m，宽2.6m，高1.8m，风洞前部为99(11×9)台直径为0.27m的风扇，均可以通过计算机独立控制，通过电信号改变各个风扇的转速和相位产生所需的气流。在采用喷射装置模拟下击暴流风场方面，已有国外学者(Wood；Letchford；Xu；McConville；Zhang；Jesson；Hangan等)利用下击暴流喷射模拟装置模拟下击暴流风场，可模拟几何缩尺比为1/1300～1/13000的下击暴流风场。徐挺等开发了冲击射流装置来模拟下击暴流风场，该装置由风扇、扩散段、稳定段及收缩段组成，内径1120mm，通过改变出流风速、喷射口直径、射流高度、入射倾角等参数，研究下击暴流风场分布规律。汤卓等设计了可用于模拟雷暴冲击风的射流风洞，射流风洞筒体长5m，内设2道整流栅，研究了射流速度和喷射口与试验平板之间的距离等因素影响对试验风场的影响。Elawady建造了大型下击暴流喷射模拟试验室(WindEEE)，由六边形墙体组成，每面墙体上布置风扇，上面覆盖圆顶，内设直径3.2m管道，风扇产生的气流经该管道下沉形成冲击风，Elawady利用该装置成功模拟出下击暴流，风场缩尺比为1:50，并研究了输电线塔模型在下击暴流作用下的动力响应。在采用可调节平板装置(Flat Plate)模拟下击暴流风场方面，Jordan等为研究行人在突变风环境中舒适度和安全感，采用移动遮风板装置在边界层风洞中模拟了突变气流。谢壮宁等采用竖向倾斜板装置在大气边界层风洞中模拟下击暴流稳态风特性，并研究了建筑结构模型在下击暴流风场中风压分布，试验表明：所模拟下击暴流风剖面与下击暴流经验风剖面吻合较好。采用百叶窗装置模拟下击暴流风场方面，Matsumoto在直流闭口风洞出口处安装两层带叶片百叶窗，通过外层叶片开口大小调节定常风速，通过控制内层叶片完全封闭到完全打开产生非平稳风速。在此基础上，进行了圆柱和矩形截面构件在模拟突变风作用下的试验研究。研究结果表明，圆柱和矩形截面结构在突变风作用下的阻力系数最大值为稳定状态的1.14～1.25倍。Aboutabikh设计并制造了两层带叶片的百叶窗装置，在加拿大瑞尔森大学亚音速风洞试验室中模拟下击暴流风场，几何缩尺比为1:1000。Aboutabikh将试验模拟下击暴流风速与CFD模拟下击暴流风速进行对比，研究结果表明，两者吻合较好。