等离子体激励对低矮建筑屋面风压的影响

李正农, 邹正韬

(湖南大学建筑安全与节能教育部重点实验室, 长沙 410082)

台风对我国东南沿海的低矮建筑的破坏程度大,其原因多为流动分离引起的屋面承受风压较高[1]．为降低低矮建筑风压常采用设计合理屋面形状、改进屋面细部构造、使用新型材料等方法．但这些方法存在控制效果不明显和经济成本高等缺点[2]．与之不同, 流动控制技术能够控制物体表面的流动与分离,从源头上有效改善物体流场环境,对提高建筑结构抗风能力具有重要作用．基于等离子体的流动控制技术是极具发展潜力的前沿技术之一．该控制技术的等离子体激励器的上、下电极间存在较高电势差,局部范围内的气体被电离产生等离子体．在电场力的作用下,等离子体通过与边界层内的中性气体微粒发生碰撞以对流场施加可控扰动,从而实现流动控制[3]．该技术在航空航天领域的研究和应用较为广泛[4],可以通过控制飞行器表面的气体流动与分离来达到增升减阻的目的．如Aono等[5]研究了两种不同形状的等离子体激励器对机翼产生的影响, 发现曲线型激励器在控制流动分离方面比直线型效果好; Yao等[6]通过研究发现将等离子体激励器布置于飞机内翼和中翼前缘可使机身最大升力系数和失速角分别增加37.8%和8°．由于等离子体流动控制技术具备响应时间短、易控制和效果明显等突出优势[4],近年来其应用范围进一步扩展．如Dong等[7]将等离子体激励装置应用于高速列车的气流控制,发现减阻效果明显; Kopiev等[8]指出随着尾流宽度和湍流水平的降低,等离子体激励器可以将圆柱体的涡流噪声降低10 dB．但是目前还未见等离子体流动控制技术在建筑抗风领域的研究报道．航空器属于流线体,且航空领域等离子体激励器工作时的来流湍流度低于0.5%;而实际低矮建筑物为非流线体且所在近地面湍流度高于10%．为证明等离子体流动控制技术在建筑抗风领域应用的可行性,本文以低矮建筑模型为研究对象,结合沿海区域房屋的真实受风环境,通过风洞试验研究不同等离子体激励施加方式在不同屋面来流风速下,对屋面风压的控制效果．结果可为等离子体流动控制技术在建筑抗风领域的应用提供理论和试验基础．

1 试验概况

1.1 风洞及数据采集设备

试验在湖南大学HD-3大气边界层风洞进行．风洞试验段正截面宽3.0 m、高2.5 m, 风速在0.5～25.0 m·s-1范围内连续可调．借助眼镜蛇探头进行风场调试,采样频率500 Hz．此外,利用PSI电子压力扫描阀系统进行风压数据的测量,采样频率为312.5 Hz．

1.2 低矮建筑模型

图1 低矮建筑模型几何尺寸

低矮建筑模型的屋面坡角为18.4°．经检验,模型的阻塞比远小于5%,几何缩尺比1∶40, 试验风速缩尺比1∶2, 对应的时间缩尺比1∶20, 模型的屋面高度为170.75 mm, 详细的低矮建筑模型几何尺寸如图1所示．

图2 非对称式SDBD等离子体激励器构造示意图

1.3 SDBD等离子体激励装置

图2为非对称式沿面介质阻挡放电(surface dielectric barrier discharge, SDBD)等离子体激励器的构造示意图．该激励器由三部分构成: 上电极、绝缘层和下电极．上(正)电极与电源高压输出端相连;下(负)电极同电源低压输出端相连．试验通过电源控制系统向SDBD等离子体激励器提供能量, 以保证电极间具有较高电势差并产生稳定的等离子体激励．电源控制系统的输出电压和输出频率分别在0～30 kV、5～20 kHz范围内连续可调, 由示波器读取上下电极间的峰峰电压值Vpp和频率f分别为12 kV和6 kHz．

图3 不同等离子体激励器布置方式的屋面中轴线剖面图

1.4 试验设计

低矮建筑的整个屋面通过两块绝缘平板拼接而成, 其制作材料和等离子体激励器绝缘层相同．因此, 试验时在屋面的激励处设置上下电极条并通电即可使电极间产生的空气等离子体发生定向运动, 形成平行于屋面的等离子体射流．图3为两种等离子体激励器布置方式的屋面中轴线剖面图．试验采用的电极由铜片制作,长、宽、厚分别为184 mm、4 mm、0.1 mm．位于屋盖上、下表面的正、负铜电极构成一组电极对, 它们之间的中心距离为4 mm．调整上下电极条沿顺风向的前后位置, 可在屋面生成顺流向(方式a)或逆流向(方式b)的等离子体．须说明的是, 尽管等离子体激励器的两电极间具有足够高的电压, 但由于其产生的电场影响范围非常有限, 故不会对周边环境的安全构成威胁．屋面等离子体激励器布置及测点位置如图4所示．基于对称原则在屋面共布置72个测点, 来流风与迎风墙面垂直, 即来流风向角θ为0°．

图4 屋面等离子体激励器布置及测点位置图

1.5 风场设置及试验工况

图5 风场测试位置示意图(a)和现场照片(b)

图6 湍流强度曲线

1.6 风洞数据处理

2 风洞试验

2.1 屋面测点平均局部体型系数

明确测点平均局部体型系数在不同屋面风速下的分布规律, 是合理选择激励器安装位置, 取得良好屋面风压控制效果的前提．图7为不施加激励时, A、B类风场在不同屋面风速下, 各测点对应的平均局部体型系数．由图7可知, 屋面测点的平均局部体型系数在-0.77～-0.23范围内．在不同屋面来流风速下, 相同测点的平均局部体型系数均较接近且为负值, 说明平均局部体型系数与风速和湍流度无关且屋面受到的平均风压始终为负压．同时，屋面前缘测点平均局部体型系数在整个屋面测点中最小, 说明屋面前缘受到的负压远大于屋面其他部位．然而, 背风坡测点平均局部体型系数的最大与最小值差距不大, 背风坡测点负压波动很小．鉴于任意来流风速下, 屋盖中总是屋面前缘受到的负压最高, 故在此处添加等离子体激励进行风压控制．

图7 无激励下各工况中测点的平均局部体型系数

2.2 等离子激励下屋面测点平均局部体型系数

经分析,A、B类风场中,不同屋面来流风速下, 同种激励方式对测点平均局部体型系数的影响规律相似, 故图8以屋面来流风速为4 m·s-1为代表分析两类风场在激励前后测点的平均局部体型系数变化情况．图8显示, 施加激励前后的测点平均局部体型系数具有明显差异．激励方式a中, 激励前后的平均局部体型系数变化量Δμ基本小于0; 而激励方式b中, Δμ基本大于0．说明两种等离子体激励施加方法均能够改变屋面风压, 且激励方式a使屋面负压降低, 激励方式b使屋面负压增大．其根本原因在于施加在屋面前缘的等离子体激励能够通过干扰局部流场而影响其他位置的流场分布, 导致屋面风压的改变．图8还显示, 在施加激励的情况下,随着测点离屋面前缘距离的增大, 其平均局部体型系数变化量的绝对值总体呈减小趋势, 两种激励施加方式对迎风坡风压的影响均大于背风坡且在屋面前缘附近最为显著．

图8 来流风速4 m·s-1时激励前后测点的平均局部体型系数

2.3 屋面前缘附近测点平均局部体型系数变化情况

由于屋面前缘负压为全屋面最高, 故对其进行重点风压控制, 进一步分析两种激励方式对屋面前缘风压的控制效果随风速改变的变化规律．表1给出了各工况对应的9个屋面前缘测点中, 平均局部体型系数变化率最大值ηs,max．由表1可见,在A、B类风场中, 两种激励方式对测点负压的控制效果会随屋面来流风速的提高而下降; 屋面来流风速相同的情况下, 采用激励方式a对屋面前缘风压进行控制时, A类风场的控制效果小于B类风场, 而采用方式b时A类风场的控制效果大于B类风场．图9为两类风场下, 屋面前缘拐角处1、2、10号测点平均局部体型系数变化率的均值及屋面中轴线上5、14号测点平均局部体型系数变化率均值随屋面风速增加的变化情况．图9表明, 在同一风场下, 当屋面来流风速和激励施加方式相同时, 前缘拐角测点的平均局部体型系数变化率的均值高于中轴线上测点的均值．说明在屋面前缘附近, 激励对拐角处风压的控制效果优于中部,即在屋面前缘流动分离和旋涡脱落较剧烈的拐角位置布设激励装置,对该处风压的控制效果较好．

图9 不同激励方式屋面测点平均局部体型系数变化率

表1 1至9号测点平均局部体型系数变化率最大值

等离子体激励对屋面前缘负压产生上述影响,是因为等离子体激励装置引发的碰撞效应[9]能够控制旋涡流场,影响屋面前缘旋涡的产生并改变旋涡脱落的位置[10]．在本试验中具体表现为:当来流运动至屋面前缘时会发生流动分离, 随后出现旋涡脱落并使该部位受到较高负压[11]．由于方式a施加的顺流向等离子体激励与该位置近壁面边界层内的流体运动方向相同,所以流体分子在等离子体的撞击作用下增加了动能, 使边界层流体获得更多能量供应[12], 导致流动分离消失或分离点位置顺流向后移[13]．边界层内因缺少与来流方向相反的回流,所以旋涡的形成被抑制或者旋涡脱落的位置从屋面前缘顺流后移, 结果旋涡脱落对前缘的影响程度减弱,出现负压降低．而方式b施加的逆流向激励则对该位置边界层流体分子的运动起减速作用,甚至使边界层内出现回流．所以边界层在屋面前缘分离点的位置会逆流向前移,导致分离区进一步扩大,不仅增加了回流旋涡的强度,且使旋涡覆盖整个屋面前缘,最后导致负压增大．

根据文献[10], 当激励器上下电极间的电压值及其频率不变时,由激励装置产生的激励强度为定值．因此,等离子体撞击输送给流场的能量不变时,随着来流风速的增加,其在来流总能量中的占比下降[14],导致撞击效应改变旋涡脱落位置的幅度及改变旋涡脱落强弱程度减小．所以在风速增加时,两种激励方式对风压的控制效果均会减弱[12]．但可通过增大施加激励强度的办法,增强控制效果[12,14],避免屋面因风速较大而遭到破坏．

3 结论

本文在A、B两类风场中对低矮建筑模型进行风洞试验．在屋面来流的湍流度相同、风速不同的各工况下,开展基于等离子体激励的屋面风压控制研究,分别在屋面前缘施加顺风向和逆风向等离子体激励,对比施加激励前后屋面测点的平均局部体型系数,得到以下结论:

1) 无激励条件下,尽管屋面来流风速有所变化,但是相同测点的平均局部体型系数比较接近且均为负值．屋面前缘负压在整个屋面中最高．

2) 在不同的屋面来流风速情况下,两种施加等离子体激励的方式均能够改变屋面风压．顺风向等离子体激励可降低屋面前缘测点负压;逆风向激励可增大屋面前缘测点负压．

3) 随屋面来流风速的增大, 两种激励施加方式对屋面前缘负压的影响程度均会降低．

4) 在近地风场中, 当屋面高度处的湍流度约为13.16%或15.77%时, 等离子体激励装置表现出的工作性能良好, 可用于进行低矮房屋的屋面局部风压控制．