利用汽车行驶风测试建筑风压系数的跑车试验方法研究

李胜利，武 昊，郑舜云，欧进萍, 丁金全

(1.郑州大学 土木工程学院，郑州 450001；2.哈尔滨工业大学 土木工程学院，哈尔滨 150090；3.郑州宇通客车股份有限公司，郑州 450001)

目前国内建筑抗风研究已经得到了快速发展，风洞试验室数量达到几十家。建筑抗风的研究手段主要有三种，现场实测，数值模拟和风洞试验,现场实测是研究结构抗风最可靠的方法[1-2]，但存在试验周期长、风速风向不稳定等问题[3]。Yi等[3]研究了台风作用下超高层建筑风效应并与风洞试验结果进行验证。随着计算机技术的发展，很多学者采用数值模拟手段进行抗风研究[4-5]。然而数值模拟依然存在不能较好模拟流场且计算域划分不精确问题[6]。Braun等[7]利用CFD手段分析了CAARC标准模型平均风压系数分布规律。其中风洞试验是目前为止学者们研究抗风的主要手段[8-9]。然而风洞试验较难真实反映流场状况，诸如实际湍流度和地貌特征[10]。Melbourne[11]对6家风洞机构测得的CAARC标准模型风压数据进行了对比分析，6家研究机构试验结果差异较小，并分析了出现结果差异的原因，为以后新建风洞实验室风场校核提供参考。风洞试验需要建造大型风洞实验室，对于没有风洞实验室地区的结构抗风研究将受到限制，因此研究便携式建筑抗风试验方法具有很好的创新性。

Tanaka等[12]采用1∶1 000大缩尺比对CAARC标准模型进行了测压试验，与其他风洞机构测试数据对比后得出，采用大缩尺比模型对风压数据结果影响不大,风压系数受模型缩尺比影响较小。杨高丰等[13]对运牛车在行驶过程中车厢内风速风向进行了研究，得出了车顶周围不同位置的风速风向规律，说明汽车行驶可以在车顶产生风的作用，并且风速风向有一定的分布规律。Qiang等[14]研究了高速列车在不同湍流度状况下测点风压系数变化规律，均匀流情况下风压系数变化规律与湍流状况下一致，仅仅在风压数值上存在差异。Tecle等[15]利用风洞试验对低矮建筑进行了测压研究，压力测点布置较多，利用压力扫描模块较多，造成试验花费昂贵，而且受风洞实验室尺寸和断面的限制不能完全避免阻塞效应。相对而言利用汽车行驶产生风测试建筑物风压系数的方法具有明显的优点：能较真实反映测试建筑物的风场；能有效避免阻塞效应；试验装置简单，试验成本较低，试验便利。此方法可作为抗风研究中一种新的试验方法应用，成为风洞试验方法之外的一个有益补充。试验理论基础的建立，试验风速与皮托管测试风速的一致对应，如何处理试验影响因素也是需要研究的重要内容。风洞试验中定义与模型同高度处作为参考高度[16]，跑车试验中选取汽车顶部合适位置放置皮托管。目前对于不采用风洞试验的建筑结构测压技术还是一项空白，基于此本文采用跑车试验方法对刚性模型进行测压试验，验证此种方法是否可行，并对测压试验方法进行新的探索。以上研究表明车辆在行驶中，自身整体或局部以及所运输的物体均会受到风的作用，因此利用汽车行驶风测试布置在汽车顶部建筑模型的风压系数的跑车试验方法可成为一种新的抗风试验方法。

受到上述相关研究成果的启发，本文提出了一种理想道路条件下利用汽车行驶风测试建筑风压系数的跑车试验方法，采用理论推导和现场试验的方法，构建了跑车试验的基本理论，设计和组装了跑车试验的物理试验平台，搭建了软件测试系统，研究了测试数据的处理方法，运用该方法对相关文献CAARC标准模型测点的平均风压系数进行测试。

1 跑车试验理论模型构建

风洞试验和数值模拟中建筑风压系数的表达式为[17]：

(1)

式中：P为测点压力值；P0为来流静压值；U为来流平均风速；ρ为空气密度；Cp为无量纲风压系数。

跑车试验方法中，汽车行驶速度与车顶风速一致，汽车行驶速度应相当于风洞中来流风速。跑车试验中将皮托管放置在对模型无干扰的理想高度处，在该位置处皮托管测得静压值应与风洞中来流静压一致,因此由前所述本文提出的跑车试验方法中，布置在车顶建筑模型风压系数的表达式为：

(2)

式中：P为测点压力值；PP为跑车试验车顶合理位置处静压值；Pt为跑车试验车顶合理位置处总压值；Cp为无量纲风压系数。

公式(2)即为本文跑车试验方法的基本理论公式，该公式与传统的建筑风压系数相比，不需要测试空气密度的大小。影响空气密度的温度、海拔高度等因素均不影响该方法的测试结果，因此本文提出的跑车试验方法的理论公式简单实用。

2 跑车试验方法

2.1 物理试验平台

本文提出的跑车试验方法的物理试验平台主要由矩形平台和转盘等组成，如图1所示。矩形平台由钢板切割和焊接而成，由于钢板刚度大，在汽车平稳行驶过程中平台相对振动很小，可保证矩形平台具有较好的稳定性。如图1(a)所示，矩形平台放置在车顶天窗上，平台长90 cm,宽60 cm,厚0.5 cm,平台中心位置切割直径3 cm圆孔，用于将试验模型测压管从孔中穿入车内。在试验平台上钻7个钻孔，1#钻孔直径 6 mm,本试验选取1#钻孔作为皮托管放置位置；2#、3#、4#、5#钻孔直径 10 mm,螺栓插入平台2#、3#钻孔，钢板片从螺栓下部穿入，通过螺母将钢板片与车顶平台固定牢固，4#与5#钻孔采取同样方式固定，最终将试验平台固定在汽车天窗上部。如图1(b)所示，为了能够实现调整模型不同风向角，制作一个转盘，将试验模型固定在转盘6#、7#、8#钻孔上，调整好模型风向角后将指针插入指针孔，拧紧锁定装置。笔记本电脑在试验时放置在车内，用于验数据的采集和处理；供电设备采用2块12 V电源串联，并通过逆变器转换成220 V电源为笔记本电脑等设备持续供电。

(a) 物理试验平台

(b) 转盘

2.2 测试软硬件系统

利用跑车试验方法测试建筑风压系数的硬件系统主要包括：高频压力传感器、皮托管、振动测试仪以及数据采集仪等设备,如图2所示。高频压力传感器由西安美测科技有限公司生产，采用三线制接线，输出信号为0～5 V电压，传感器接口采用2.5 mm气嘴，用于与测压软管连接；传感器量程±2 kPa，精度等级为0.25% Fs，频率最高可达4 kHz，传感器数量共22个，主要对模型表面测点进行压力测量和皮托管总压及静压测量。皮托管采用L型标准皮托管，皮托管直径6 mm,长度50 cm，静压孔与总压孔直径2.5 mm(方便与测压软管紧密连接)。数据采集仪选用由北京阿尔泰公司生产的高频数据采集卡，可实现32通道数据采集，最高采样频率可达500 kHz,并通过usb接口与计算机连接，方便试验数据的存储和处理。振动测试仪选用北京东方振动和噪声技术研究所生产的采集分析仪和配套的加速度传感器，选用一个水平加速度传感器，加速度传感器最大量程为0.3 m/s，灵敏度2.4 m/s，采集分析仪4个通道，AD精度24位，内置有存储器和充电电池。

图2 测试软硬件系统

2.3 测试步骤

跑车试验选择平整度良好且车流量较少路面进行，目的是降低因路面不平整对车身振动的影响和周边汽车行驶对来流的干扰，保证整个试验过程中试验条件的稳定性。如图3所示，将试验平台、CAARC标准模型和仪器设备安装完成后，启动汽车，当汽车行驶到一定车速且速度稳定时准备进行测压实验同时开启汽车定速巡航模式，当无周边车干扰时开始采集风压数据。当一个工况采集完成后，继续进行下一个工况采集，直到采集完所有试验工况时停止行驶汽车，并将试验平台和车内仪器设备拆卸完毕。

图3 跑车试验流程

2.4 理想道路条件

本文理想条件指：假设没有车辆振动或振动很小，道路平坦、笔直，自然风很小可以忽略不计，试验过程中周围没有车流通过，试验在天气晴朗状况下进行等条件。依据理想条件可选择一条刚修成的高速公路，在其笔直平坦段进行试验，并且选择自然风很小的时间进行，利用汽车的定速巡航功能保证车速稳定，如表1所示。

3 标准模型风压系数跑车试验

3.1 标准模型试验概况

为了验证跑车试验测试建筑风压系数的可行性，试验模型采用国际上通用的CAARC高层建筑标准模型。CAARC高层建筑标准模型是一全尺度尺寸为30.48 m×45.72 m×182.88 m(100 ft×150 ft×600 ft)的矩形柱体,表面平整，无任何附属物[11]。通常规定在模型2/3H高度水平面处布置20个测点作为标准的压力测点，如图4所示。跑车试验CAARC刚性模型采用1∶300的几何缩尺比，模型采用5 mm厚有机玻璃制作，通过三氯甲烷试剂粘接在一起，保证模型具有足够的强度和刚度。按图所示测点位置钻直径2 mm测压孔，并用胶水将内径1.5 mm黄铜管埋入其中，粘接过程中用针头插入黄铜管内防止堵塞。CAARC模型上各个测压孔用PVC软管与压力传感器气嘴连接。PVC软管长度为90 cm,以防止过长软管导致信号发生畸变，影响试验数据准确性[18]。本试验所有工况均定义车向前行驶来流方向为 0°风向角，并先选择 0°风向角对试验结果进行验证，试验中皮托管高度与模型标准测点高度一致。

表1 理想道路条件

(a)立体图(b)平面图

图4 CAARC标准模型测点图

Fig.4 Standard model test point

根据前述试验流程和基本假定本试验选择在郑州—云台山高速平整度良好路段进行试验，道路条件满足基本假设条件，如图5所示。由于CAARC高层建筑标准模型具有较好的对称性，不同面测点的风压系数具有较好的规律性，为了研究不同车速对标准模型风压系数的影响，测压试验测点分别选择迎风面3#测点、侧风面10#测点、背风面13#测点，这三个测点具有典型的代表性，能很好地反映CAARC模型平均风压系数变化规律。为了分析汽车振动对风压数据的影响，在进行测压试验时同步进行汽车振动测试采集。试验分别测试了0°风向角下三种不同车速状况下三个典型测点平均风压系数的变化规律，并分析了0°、15°、30°风向角下标准模型20个典型测点风压系数变化规律且与7家风洞试验机构测得的数据进行对比验证。为了提高试验结果的精确性，每一车速下连续重复三次测试，并将多次测试结果的平均值作为试验最终结果。

(a) 郑云高速行驶路线

(b) 实际道路状况

3.2 试验结果

3.2.1 跑车试验汽车振动和行驶风速

如图6所示，给出了汽车行驶72 km/h时30°风向角下汽车振动速度和风速的时程曲线。如图6(a)所示，由风速时程曲线可以看出皮托管测得风速值与车速值相比整体趋势依旧偏大，误差在±4 m/s以内，而风速均值为24.06 m/s，与0°风向角时风速均值相差仅为0.02 m/s，可见不同风向角下风速均值比较稳定，并没有受到汽车振动的影响。图6(b)为汽车振动时程曲线，由拾振器测得汽车振动速度基本在0 m/s附近变动，振动速度均值为0.000 017 m/s，比0°风向角时振动速度均值小一个量级，而振动速度均值与风速均值相较0°风向角差别更大，振动速度最大值在0.023 m/s左右，最小值在-0.022 5 m/s左右，整体看振动时程曲线仍旧较为平稳，没有明显的峰值和突变，说明在30°风向角下测试标准模型测点风压试验过程中汽车行驶较为平稳，行驶中没有出现明显颠簸和上下坡等路段。30°风向角下汽车振动状况相较0°风向角时差别较大，而30°风向角下风速均值与0°风向角吻合良好，说明汽车振动对试验风速的影响不大，在30°风向角下测试标准模型测点风压试验过程中也可以考虑忽略汽车振动对风速的影响。

(a) 风速时程

(b) 振动时程

Fig.6 Vehicle speed and vibration time history curve under 30° wind direction angle

如图7所示，给出了汽车行驶72 km/h时30°风向角下振动和风速的幅频曲线。从图7(a)中可以看出风速幅频曲线在0 Hz附近存在峰值，其他位置没有明显峰值。图7(b)为汽车振动幅频曲线，振动幅频曲线峰值依然在10 Hz附近存在唯一明显峰值，大约为0.002 2 m/s。振动速度和风速的卓越频率没有出现重合，且两者幅频曲线的幅值差两个数量级，从幅频曲线角度来看汽车振动对测试风速基本没有影响。可认为在30°风向角下测试标准模型测点风压试验过程中汽车振动对风速数据基本没有影响。

(a) 风速幅频

(b) 振动幅频

3.2.2 跑车试验标准模型测点风压

本文仅给出了18 m/s车速情况下利用跑车试验测试建筑模型风压测点中的三个典型测点原始数据和相应数据傅里叶变化结果，同一车速重复测试三次并在图中分别用T1、T2、T3表示。

如图8所示，18 m/s车速下3#测点风压时程中T3测试结果较T1和T2偏小100 Pa左右，主要原因在于T3测试时由皮托管测得风速值较T1、T2测试结果偏小；风压时程的傅里叶变换结果显示曲线波动不明显，并且在0～2 Hz内出现峰值，但峰值均不明显。18 m/s车速下10#测点和13#测点风压时程曲线中T1、T2、T3测试风压数据存在略微波动但整体趋势均较稳定，可重复操作性强；风压时程的傅里叶变换结果中没有出现明显的峰值且T1、T2、T3测试变化趋势接近。同一车速下，风压原始数据重复测试结果除个别测点外呈现稳定趋势，傅里叶变换结果显示数据没有明显峰值，说明汽车振动对风压数据影响很小，不需要采用滤波手段对数据进行处理。

(a) 3#测点风压时程和傅里叶变换结果

(b) 10#测点风压时程和傅里叶变换结果

(c) 13#测点风压时程和傅里叶变换结果

图8 汽车行驶18 m/s三次重复测试典型测点原始数据

Fig.8 Original data of typical measuring points repeated three times at 18 m/s vehicle speed

3.2.3 跑车试验标准模型测点风压系数

如图9所示，给出了不同车速下三次重复测试得到的典型测点平均风压系数。18 m/s车速下3#测点T3测试结果较前两次偏小，误差均在10%以内；10#测点三次测试结果吻合较好，13#测点T2测试结果较其余两次测试结果偏小，误差在10%以内。在20 m/s和25 m/s车速下，三次重复测试所得典型测点平均风压系数结果较稳定，说明利用跑车试验在一定速度下测试CAARC标准模型风压系数可重复性操作且结果稳定性良好 。

(a) 18 m/s车速

(b) 20 m/s车速

(c) 25 m/s车速

图9 三种不同车速重复三次得到平均风压系数结果

Fig.9 The mean wind pressure coefficients at three different speeds

表2给出了7家风洞机构研究CAARC标准模型测压时所模拟风场类型信息[19]，包括风速剖面指数和模型顶部位置湍流强度，而跑车试验测得模型顶部湍流度在0.04～0.06范围内，属于低湍流度状况。

表2 相关文献CAARC标模所处风场类型

为了减小试验结果的误差，本文采用三次重复测试结果求平均值作为典型测点风压系数最终值。如图10所示，给出了三种不同车速下所得典型测点平均风压系数对比结果。在不同车速下3#测点和10#测点平均风压系数结果吻合较好，这两个测点平均风压系数结果不受车速影响。在25 m/s车速下,13#测点所得结果与其余两个车速相比略微偏小，但误差很小且不超过10%，可以认为测点风压系数值基本不受车速影响。说明利用跑车试验测试典型测点平均风压系数结果受车速影响很小。

图10 三种不同车速平均风压系数对比结果

如图11所示，0°风向角下利用跑车试验方法测试标准模型测点的平均风压系数曲线与其他机构平均风压系数曲线大体上趋势一致，总体吻合较好，仅个别测点的平均风压系数存在一定的误差，但误差与风洞试验数据差别在15%以内(图11(a))。15°风向角下跑车试验方法测试标准模型测点平均风压系数曲线与其他风洞机构测得平均风压系数曲线相比整体浮动较大，总体趋势一致，个别测点存在较大误差，大多数测点误差较小(图11(b))。30°风向角下跑车试验方法测试标准模型测点平均风压系数曲线与风洞机构所得平均风压系数曲线吻合很好，趋势变化也较为一致(图11(c))。说明跑车试验方法测试建筑模型风压系数具有一定的可行性。跑车试验方法可以成为建筑抗风研究的一个新方法，同时该方法还有许多需要改进和完善的地方，诸如不同风场的模拟、自然风的影响、如何控制模型风向角等内容，这也是我们目前正在研究的方向。

(b) 15°风向角

(c) 30°风向角

4 结 论

利用跑车试验测试建筑模型风压系数在某一车速下可重复试验，且测得平均风压系数值基本不受车速影响；跑车试验测试建筑模型风压系数时可以忽略汽车振动的影响；跑车试验方法中皮托管测得的汽车行驶风风速时程较为稳定，结果较准确；利用跑车试验方法测得CAARC标准模型典型测点平均风压系数结果与已有风洞试验结果吻合较好，说明该方法具有一定可行性。