格栅紊流风特性参数模拟规律研究

白 桦， 何晗欣， 刘健新， 赵国辉， 高 亮

(1.长安大学 公路学院，西安 710064；2. 西安建筑科技大学 土木工程学院，西安 710055；3. 西安理工大学 土木建筑工程学院，西安 710048)



格栅紊流风特性参数模拟规律研究

白 桦1， 何晗欣2， 刘健新1， 赵国辉1， 高 亮3

(1.长安大学 公路学院，西安 710064；2. 西安建筑科技大学 土木工程学院，西安 710055；3. 西安理工大学 土木建筑工程学院，西安 710048)

为便于研究紊流风特性参数对不同结构风洞试验结果的影响，采用风洞试验方法，通过对不同形式的格栅形成的局部紊流风场参数进行测试，总结格栅条间距、格栅条宽度对风洞不同断面紊流强度、紊流积分尺度及脉动风功率谱的影响规律。研究结果表明：距离格栅3.5 m处的横截面即可形成均匀性较好的局部紊流风场。格栅产生的紊流强度随风速变化不大。格栅越窄，紊流强度越低，数据的稳定性越好。紊流积分尺度与格栅间距大致相当。给出了依据格栅间距与格栅宽度估算紊流强度与紊流积分尺度的公式，便于局部紊流风场调试。

桥梁工程；风洞试验；格栅；紊流；风特性参数

结构风工程是研究风与结构相互作用的学科，因为其研究内容与人类生活质量和国民经济发展密切相关，故具有十分重要的意义。风洞试验、数值模拟与现场实测是目前结构风工程研究的主要方法，而风洞试验技术相对成熟，已经成为大跨度桥梁、高层建筑以及大跨空间结构抗风设计的重要技术保障。

风洞试验必须在风洞内模拟大气边界层风场特性，风场参数主要包括紊流强度、紊流积分尺度、脉动风功率谱等紊流参数。多位学者研究指出，这些参数的正确模拟比风剖面模拟更重要，特别是对桥梁及建筑结构风振而言[1-4]。要研究这些紊流参数对不同结构风振响应的影响规律往往要借助格栅风场，即在风洞的某一断面形成紊流强度、紊流积分尺度比较均匀的局部紊流风场。王丽娟等[5]在同济大学2号风洞采用改变格栅宽度及纵、横向距离的方法调试了三种局部紊流风场，研究了紊流强度对颤振导数及颤振临界风速的影响规律。格栅局部紊流风场的研究结果表明：紊流强度越接近格栅，均匀性越差，紊流强度值越大。靳欣华等[6]在同济大学1号风洞中采用边长25 cm的正方形格栅孔形成紊流强度约为11%的均匀紊流，研究了气动导纳随风速与折减频率的变化规律。诸葛萍[7]在西南交大2号风洞中采用宽4 cm，间距25 cm的格栅在其下游3.5 m处形成紊流度约为7%，紊流积分尺度约为4.25 cm的均匀紊流场，研究了风速、风攻角对不同桥梁断面气动导纳的影响。李鹏飞[8]在同济大学1号风洞中采用铝合金型材组成格栅，在下游3.4 m横断面处通过改变格栅宽度形成了10%、16%、27%、30%四种紊流强度风场，研究了紊流强度对不同桥梁断面抖振的影响，可惜文中并没有总结格栅的形式与所产生紊流强度大小之间的规律。任娜[9]在长安大学风洞中通过改变格栅的宽度与间距产生了三种紊流强度风场，研究了紊流强度对桁架桥颤振的影响，但也没有总结格栅形成局部紊流风场的规律。施文杰[10]在中国气动中心低速所风洞中采用宽2 cm，间距15 cm的格栅形成局部紊流场，测试得到紊流强度与紊流积分尺度值都很小，分析原因是格栅中心方孔与格栅宽度均较小所造成。卢占斌等[11]采用50%、60%、70%三种孔隙率的均匀网格产生局部紊流，研究了紊流强度、紊流积分尺度随孔隙率，格栅距离和风速的变化规律，结果表明紊流强度随孔隙率的增大有增大趋势，紊流积分尺度随孔隙率的增大呈下降趋势。文中只进行了三种孔隙率的局部紊流风场调试，并没有建立空隙率与局部紊流风特性参数推导关系，不利于指导局部紊流风场调试。

以上风特性参数对风洞试验结果的影响，研究人员往往直接通过测量试验风场的紊流参数值，对比不同紊流参数对试验结果的影响，并未总结在风洞中实现不同风特性参数指标的方法及规律，本文将采用格栅形成局部紊流风场，通过对16种不同尺寸的格栅进行风场测试，总结格栅对风洞不同横截面紊流风特性参数的影响规律[12]。使研究人员掌握紊流风参数随格栅形式的变化规律，便于在风洞中调试出不同的目标紊流参数值，以利于开展紊流风特性参数对不同结构风洞试验结果影响的专项研究。

1 紊流风参数实验室模拟

1.1 紊流风参数

通常用紊流强度、紊流积分尺度和脉动风功率谱这三个参数描述紊流风特性。

紊流强度是描述大气紊流最常用的参数。顺风向紊流强度定义为:

(1)

式中,σu为脉动分量平均变化幅度，U为平均风速。

紊流积分尺度反映了紊流中旋涡的平均尺度。顺风向紊流积分尺度可定义为:

(2)

式中,Ru1u2(x)为顺风向风速u1与u2的互相关函数，σu为u1与u2的均方根。

脉动风功率谱反映了紊流中各频率所做贡献。我国《公路桥梁抗风设计规范》规定的Kaimal谱定义为:

(3)

式中,n为风的脉动频率，Su(n)为顺风向功率谱密度函数，f=nz/uz为莫宁坐标。

1.2 试验概况

格栅与格栅之间为正方形的中心方孔，布置形式如图1所示。下文中用H表示格栅宽度，W表示格栅中心孔的尺寸。表1给出了不同工况下格栅宽度与格栅中心方空的尺寸。风洞的断面尺寸为宽3.0 m×高2.5 m。

图1 格栅示意图Fig.1 Sketches of the grilles表1 各工况参数Tab.1 The parameters of different schemes

工况W/mH/m工况W/mH/m10.200.1090.400.1020.200.15100.400.1530.200.20110.400.2040.200.25120.400.2550.300.10130.600.1060.300.15140.600.1570.300.20150.600.2080.300.25160.600.25

图2 测点位置示意图Fig.2 Sketches of the measuring-points

图2给出了在格栅形成的局部紊流风场中，采用丹麦DANTEC公司的Stream Line热线风速仪测量紊流风特性参数的测点位置示意。在风洞横截面的正中心位置布置测点a，水平方向距离a点0.5 m布置测点b、c；竖直方向距离a点0.2 m布置测点d、f。格栅布置如图3所示，16种工况的格栅布置均是在风洞横截面中心位置沿水平与竖直方向各布置一根格栅，其余格栅间距与尺寸均以中心这两根格栅为参照，向四周扩展布置。这样就保证了不同工况下测点与格栅的相对位置保持不变。

1.3 流场均匀性检验

为了测试气流经过格栅后在风洞不同横截面位置形成风场的均匀性，在格栅下游距离格栅2.5 m、3.5 m、4.5 m三个断面测试其均匀性。试验风速为4 m/s、5 m/s、8 m/s、10 m/s、12 m/s、15 m/s，为保证数据的有效性，16种工况每个风速下数据各采集3次。

表2给出了3个横截面的试验结果。可见：距离格栅越远，横截面的紊流强度值越小。每向下游移动1 m，紊流强度减小的幅值约为1.5%左右。距离格栅越近，各测点采集数据的标准差越大，数据波动越厉害。当距离大于3.5 m后，横截面各测点数据波动明显减小，断面均匀性变好。图4(a)给出了3.5 m横截面处5个测点在不同风速下的紊流强度结果，在此断面不同位置的紊流强度值虽有波动，但波动幅度不超过2.5%，横截面的均匀性较好。

图3 格栅风洞试验Fig.3 Wind tunnel test of grilles表2 不同断面紊流强度与紊流积分尺度结果Tab.2 The results of turbulence intensity and turbulence integral scale at different sections

断面/m紊流强度平均值/%最大值/%最小值/%标准差紊流积分尺度平均值/m最大值/m最小值/m标准差2.519.9223.4118.031.410.190.400.110.063.518.7119.9117.550.750.230.310.160.034.517.2918.7016.310.730.240.320.190.03

图4 3.5 m断面各测点紊流强度及紊流积分尺度Fig.4 Turbulence intensity and turbulence integral scale of different measuring-points at 3.5 m section

图4(b)给出了在格栅下游3.5 m横截面处5个测点的紊流积分尺度结果，与紊流强度一样，同一位置采集得到的紊流积分尺度也会发生波动，越靠近格栅，波动越大。紊流积分尺度在2.5 m横截面处不同位置最大相差约0.3 m，其余断面的均匀性较好，变化幅度不超过0.15 m。与紊流强度规律不同，测点位置向下游移动，紊流积分尺度没有出现明显的衰减。可见，气流经过格栅后，距离格栅3.5 m横截面处即可形成均匀性较好的局部紊流风场，试验可以在此断面进行。

1.4 试验结果及分析

1.4.1 紊流强度

图5给出了格栅宽度对紊流强度的影响。可见：风速的改变不会对紊流强度产生明显影响。格栅越宽，紊流强度越大；格栅越窄，紊流强度越小，但数据的稳定性变好。如格栅中心孔尺寸为0.6 m时，格栅宽度由0.1 m增大到0.25 m，断面紊流强度均值也由22%增大到35%。

图5 格栅宽度对紊流强度的影响Fig.5 Width of grilles influence on the turbulence intensity

图6给出了W分别为0.6 m、0.4 m、0.3 m、0.2m时，断面平均紊流强度与H的关系曲线。可用二次多项式估算紊流强度。表3给出了紊流强度的估算公式，当确定好格栅风场的W与H值后，可由此式估算出格栅下游3.5 m横截面处的紊流强度。

图6 格栅宽度对紊流强度的影响曲线Fig.6 The curves of width of grilles influence on the turbulence intensity表3 格栅紊流场紊流强度估算公式Tab.3 The estimate formula of turbulence intensity in turbulent wind of grilles

W/cm紊流强度估算公式系数60y=0.00002H2+0.008H+0.14a=7.9×10-9W3-8.2×10-7W2+2.3×10-6W+0.0011;40y=0.0004H2-0.002H+0.17y=aH2+bH+cb=-1.2×10-6W3+0.00014W2-0.004W+0.02;30y=0.00065H2-0.013H+0.24c=1.1×10-5W3-0.0012W2+0.037W-0.078;20y=0.00089H2-0.0175H+0.27

表4给出了各工况紊流强度结果。可见：H不变时，改变格栅间距对紊流强度的影响规律不明显。分析原因是格栅较宽，会产生较大的紊流强度，这种较大的紊流强度已经接近达到格栅风场所能形成的紊流强度极值，故通过改变格栅间距无法使紊流强度继续增大。当格栅较窄时，所产生的最大紊流强度仅近似等于格栅宽度较宽时所产生的最小紊流强度，紊流强度也无法通过增大格栅间距而增大，故紊流强度受格栅宽度的影响较明显，受格栅间距离的影响较小。

图7绘出了紊流强度随W与H的变化情况。可见：紊流强度基本随W与H增大而增大，且受H的影响更明显。因此增加格栅宽度是一种有效提高流场紊流强度的方法。

表4 各工况紊流强度Tab.4 The turbulence intensity of different schemes

图7 紊流强度随格栅中心孔尺寸与格栅宽度变化Fig.7 The variation of turbulence intensity with the width and space of grilles

1.4.2 紊流积分尺度

图8给出了紊流积分尺度随格栅宽度的变化情况。对比图6，由拟合曲线可见紊流积分尺度随格栅宽度的变化规律不明显，当W=0.6 m时，紊流积分尺度随格栅宽度的增大而增大，呈单调递增趋势，当w=0.4 m、0.3 m、0.2 m时，这种趋势变为先增大后减小的趋势。故不易给出推导公式估算紊流积分尺度。

W=0.4 m，积分尺度最大值约为0.41 m；W=0.3 m，积分尺度最大值约为0.29 m；W=0.2 m，忽略阻风面积过大的工况3、4得到的不稳定数据，紊流积分尺度最大值为0.28 m。故格栅形成的局部紊流风场，其最大紊流积分尺度和格栅间距大致相等。

表5给出了各工况紊流积分尺度值，单位为m。括号内的数值为H与W的比值。可见：紊流积分尺度的波动较紊流强度大很多。格栅宽度不变压缩格栅中心孔尺寸，紊流积分尺度会出现增大的现象。通常当H/W=0.5 cm时会出现较大的紊流积分尺度。如H=0.1 m时，W由0.6 m减小到0.3 m，紊流积分尺度维持在0.1 m左右，继续减小W到0.2 m，紊流积分尺度会突然增大到0.24 m。其它宽度的格栅也存在这种现象。图9给出了紊流积分尺度随H与W变化的三维图，也反映出了这种现象。

表5 各工况紊流积分尺度Tab.6 The turbulence integral scale of different schemes

图8 格栅宽度对紊流积分尺度影响曲线Fig.8 The curves of width of grilles influence on the turbulence integral scale

图9 紊流积分尺度随格栅宽度与中心孔尺寸变化Fig.9 The variation of turbulence integral scale with the width and space of grilles

1.4.3 脉动风功率谱

图10 格栅宽度对脉动风功率谱的影响Fig.11 Width of grilles influence on the fluctuating wind power spectra

图10给出了W=0.6 m、W=0.4 m时，H对脉动风功率谱的影响，可见：不同格栅形成的局部紊流风场脉动风功率谱均与我国《公路桥梁抗风设计规范》规定的Kaimal谱较吻合，低频部分格栅紊流风场的功率谱较Kaimal谱小，主要是因为在风洞中采用被动模拟这种方式产生紊流风场，很难提高低频部分的功率谱。从功率谱的整体变化情况可见：不同格栅紊流工况下，风场的能量结构没有显著区别。

图11 不同中心孔尺寸对脉动风功率谱的影响Fig.11 Different space of grilles influence on the fluctuating wind power spectra

图11给出了H=0.15 m时，W对脉动风功率谱的影响。可见：W由0.3 m增大到0.4 m，脉动风功率谱变化不明显。W由0.6 m减小为0.2 m，由图12(b)可见：脉动风功率谱发生了小幅变化，W=0.6 m时紊流场低频部分的能量偏低，但风场中总的能量结构基本与我国《公路桥梁抗风设计规范》采用的Kaimal谱吻合。分析原因，脉动风功率谱表示紊流能量在各种结构尺度上的分布，试验采用了相同几何结构的格栅，所以造成紊流场中流动结构的相似性。

2 结 论

(1)格栅形成局部紊流风场，在格栅下游3.5 m处的横截面即可形成均匀性较好的局部紊流风场。距离格栅越近，风洞横截面不同位置的紊流强度波动越大。距离格栅越远，紊流强度逐渐衰减，横截面每向下游移动1 m，紊流强度减小1.5%左右。紊流积分尺度没有出现衰减的现象。

(2)固定格栅中心方孔尺寸，格栅宽度越窄，紊流强度越低。

(3)局部紊流风场所形成的最大紊流积分尺度与格栅中心方孔的尺寸大致相当。

(4)给出了距离格栅3.5 m横截面处依据格栅宽度的二次多项式估算紊流强度的公式，二次多项式中各项系数均可用格栅孔边长的三次多项式表示。

(5)不同格栅形成的局部紊流风场脉动风功率谱在高频部分(nZ/U>0.1)均与我国《公路桥梁抗风设计规范》规定的Kaimal谱较吻合，风场的能量结构没有显著区别。低频部分存在一定偏差，风洞试验结果偏小。

[1] BUCHER C G, LIN Y K. Effects of wind turbulence on motion stability of long-span bridge[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1990,36(36): 1355-1364.

[2] HOLD A E, HOUGHTON E L, BHINDER F S. Some effects due to variations in turbulence integral length scale on the pressure distribution on wind-tunnel models of low-rise buildings[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 1982, 10(1): 103-115.

[3] STATHOPOULOS T. Scale effects in wind tunnel testing of low buildings[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 1983, 13(1/2/3): 314-326.

[4] WANG Tao, HAN Wanshui, YANG Fei, et al. Wind-vehicle-bridge coupled vibration analysis based on random traffic flow simulation[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering: English Edition, 2014, 22(4): 293-308.

[5] 王利娟，林志兴. 紊流对桥梁颤振特性影响的试验研究[J]. 同济大学学报，2001,29(4): 390-395. WANG Lijuan, LIN Zhixing. Experimental study of turbulence effects on bridge flutter[J]. Journal of Tongji University, 2001,29(4): 390-395.

[6] 靳欣华, 项海帆, 陈艾荣. 平板气动导纳识别理论及测量[J]. 同济大学学报，2003, 31(10):1168-1172. JIN Xinhua, XIANG Haifan, CHEN Airong. Identification of flat-plat aerodynamic admittance, theory and test[J]. Journal of Tongji University, 2003, 31(10):1168-1172.

[7] 诸葛萍. 桥梁气动导纳试验研究及斜拉桥抖振响应分析[D]. 四川：西南交通大学，2008.

[8] 李鹏飞. 脉动风特性及其对桥梁主梁断面的抖振作用研究[D]. 上海：同济大学，2007.

[9] 任娜. 桁架桥梁颤振导数的影响因素研究[D]. 西安：长安大学，2010.

[10] 施文杰. 大跨度斜拉桥主梁断面气动导纳试验研究[D]. 重庆：重庆大学，2009.

[11] 卢占斌, 魏庆鼎. 网格紊流CAARC模型风洞实验[J]. 空气动力学学报, 2001,19(3):16-23. LU Zhanbin, WEI Qingding. An experiment on a CAARC model in grille turbulent flow[J]. ACTA Aerodynamica Sinica, 2001,19(3):16-23.

[12] 白桦. 影响桥梁及建筑结构风洞试验结果若干因素研究[D]. 西安：长安大学，2012.

Wind characteristic parameters in grille turbulent flow

BAI Hua1, HE Hanxin2, LIU Jianxin1, ZHAO Guohui1, GAO Liang3

(1. School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China;2. School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China;3. School of Civil Engineering and Architecture, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

For studying the effects of turbulence characteristic parameters on the wind tunnel test results of different structures, the parameters of local turbulent wind field produced by different grille shapes were measured and the influences of the distance between two grilles and the widths of grilles on the turbulence intensity, turbulence integral scale and fluctuating wind power spectra at different cross section were analysed by means of wind tunnel tests. The results show that the local turbulent wind field with good uniformity can be developed at the cross section 3.5 meters away from grilles. The turbulence intensity generated by grilles changes little with the change of wind velocity. Smaller widths of grilles and lower turbulence intensity can make better the stability of data. The size of turbulence integral scale is nearly the same as the distance between the two grilles. To facilitate the local turbulent wind adjustment, the estimation formula for turbulence intensity and turbulence integral scale according to the width and space of grilles was provided.

bridge engineering; wind tunnel test; grille; turbulence; wind characteristic parameters

中国博士后科学基金项目(2014M560737);中国博士后科学基金特别资助项目(2016T90876)；西安理工大学科学研究计划项目(2015CX017)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(0009-2014G1211005;0009-2014G1211006)

2015-06-29 修改稿收到日期：2015-11-12

白桦 男，博士后，1979年生 E-mail:baihua9810@163.com

U448.27；TU317.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.22.031