主动风洞风参数模拟技术发展小议

引言
大气边界层风特性[1~11]涉及到平均风速剖面、紊流度、积分尺度和功率谱密度等，目前的边界层模拟主要分为被动模拟技术和主动模拟技术。被动模拟技术主要是在流场中布入格栅、尖劈和粗糙元，主动模拟技术则主要包括振动格栅、翼板或变频多风扇等。两者主要区别[10,11]在于被动模拟主要依靠障碍物的尾流来模拟而主动模拟则依靠主动机构向风洞中注入随机脉动能量,两种模拟方式的关键在于对紊流场的模拟上。
一、被动方式紊流场模拟
（一）格栅模拟
通常栅格[12,13]由简单的平板组成，格栅模拟是早期出现的紊流场模拟的一种方式。流场中湍流特性通过平板的宽度以及间距来决定。平板不能产生高紊流，就限制了它的应用。我们一般用变间距平板格栅来模拟平均风剖面，平板格栅的间距可以用下列公式来确定：

这种方法只能用来模拟低湍流或者弱剪切流，只能和其他方法相结合来模拟边界层的风特性。
（二）尖劈和粗糙元模拟
尖劈和粗糙元模拟技术[14，15~18]始于二十世纪六十年代后期，是目前风洞中最为常见的一种模拟方法如图3。研究发现尖劈和粗糙元可以产生与大气边界层相符合的风剖面和大尺度湍流。Irwin[19]关于尖劈的研究给出简单的设计公式，结论是非三角形尖劈与三角形尖劈相比并没有什么明显的优势。
尖劈和粗糙元在风场中起着不同的作用[19~23]，尖劈的作用是形成线性风速剖面和涡发生器，三角尖劈下游会形成线性风速剖面。尖劈在水平方向上相当于一定宽度的矩形平板，其下游的分离涡尺度和强度与平板成正比，所以尖劈的涡发生器作用决定了它模拟的积分尺度也随高度增加而减小，这一现象正好与真实大气中的情况相反，同时，由于尖劈宽度的限制和风洞湍流沿流向的衰减，分离涡的尺度一般相当于实际大气中的1/300～1/500，反映在功率谱密度函数上通常是低频段幅值较小[19~21]。

图1：三角形尖劈和粗糙元在风洞中的布置图[17]
粗糙元的作用[19~23]是调整近地区域平均风速和湍流度剖面。尖劈形成的风剖面是现行的，粗糙元进一步使得接近地面的平均风速减小，使得整个风速剖面更加接近指数率或者对数率模型。粗糙元还使得风洞近地面的湍流度进一步增大，同时调整湍流度剖面，使之更加符合实际的非线性分布。
这种方法经济实用比较容易模拟各种类型地貌的风速剖面，离地一定高度内的湍流度和功率谱基本符合中性边界层的要求，紊流积分尺度也满足1:300～500比例边界层模拟的要求。但是三角尖劈模拟的湍流度随高度衰减太快，积分尺度太小很难满足1:100～150比例模拟要求，功率谱低频处的能量也太小。
二、主动方式紊流场模拟
（一）振动格栅紊流模拟
最早的主动控制模拟方式为振动栅格[25]，水平安装的主动栅格可以增大竖向低频段频谱能量，而对顺风向几乎没有影响。图2为美国colorado州立大学的大气边界层风洞[26,27]，图3为竖向功率谱对比图，可以明显看出水平方向功率谱低频处能量的增加。其中图a为静止格栅测得的结果，图b为振动格栅时测得的结果：

表1：[26]为有振动格栅和没振动格栅的紊流风特性数据对比

由于栅格振动频率很低所以纵向和水平方向的湍流度没有很大的变化。纵向的积分尺度几乎不变，水平方向的积分尺度有了很大的增加，但是与此同时竖向的积分尺度有了很大的减小。
（二）振动尖劈紊流模拟
陈凯等[28]采用弹性尖劈在风洞中增大湍流尺度的模拟，一定程度上改善了被动模拟的弊端。
Cogotti[29]在意大利Pininfarina汽车风洞中用随机振动的尖劈模拟路面湍流风场，将被动尖劈装置和主动模拟技术结合起来，湍流积分尺度最大达到1.3m。
同济大学庞加斌[30]将尖劈分为对称的两翼，使之可以围绕中心做往复运动。振动尖劈仍然有被动涡发生器的功能，所以流场中的湍流有两部分组成：平均风在尖劈下游的分离和往复机械运动对流场的扰动。实验结果得出[30]，振动尖劈对平均风剖面的影响很小。尖劈的振动使得湍流度有所减小。积分尺度在被测高度范围内的总体平均值从静止尖劈的29.9cm增大到40cm附近，增幅约50%。尖劈低频振动时积分长度有时超过65cm，但静止尖劈工况测得的积分长度不超过45cm。积分长度的增大来自于振动尖劈向流场注入的低频机械能，结果显示0.1~0.5Hz的纵向机械振动能够有效地增大积分长度。
振动尖劈模拟的积分尺度虽然有所增加，但是与实际大气中积分尺度相比较增加的幅度仍然不够大，另外积分尺度沿高度方向仍然是减小的，这与实际情况正好相反。
（三）开闭栅格紊流模拟
湖南大学风工程试验研究中心的开闭栅格模拟[31]是对振动栅格的一种改进，它在风洞入口处设置了很多小型的水平机翼，并在机翼之间加装了刚性水平分隔板如图4。机翼在小振幅±15°转角内运动，实现了基于开闭格栅原理的循环脉冲流动模拟效应。该装置可以产生顺风向和竖风向成倍数关系的单一频率的谐波脉动风场，一定程度上克服了难于提高紊流积分尺度的困扰。

图4：湖南大学大气边界层开闭格栅装置
（四）多风扇紊流模拟
至今报道最好的大气边界层模拟方法就是日本Miyazaki大学和Tokyo大学的多风扇风洞[32,35~38]如图5，这种方法的思想是来源于Teunissen提出的多射流风洞[34]，原理就是通过电脑控制风扇的转动频率，通过不同频率风的组合从而实现真实模拟大气边界层的效果。与其他模拟方法不同的是，他在重现风各种统计特性剖面的同时认为[32]湍流风速的时程同样很重要，此外他对突变风和间歇湍流也进行了很好的模拟。
由于多风扇是通过风扇之间产生相位偏差来形成湍流，文献33指出依靠相位偏差不能产生足够的横竖向湍流风特性，如果在风洞中添加竖向振动格栅则横竖向湍流特性将会增强。所以单纯多风扇模拟仅仅顺风向风特性模拟比较好。
图8为多风扇风洞模拟的Z0=1.5m,α=0.3时的平均风速谱、湍流度和积分尺度结果：

由于突变风在边界层中是存在的，他对结构产生一个短时间的气动力，这种气动力不能用准定常及统计学方法来计算。因此，在风洞中模拟突变风的变化是十分重要的。图7[32]进行了10s内生成风速和目标风速的比较，图中可以看出，目标和生成风速时程之间的相关性高达95.5%。显然风速的增减被很好的模拟，然而加速减速的时间模拟的不是很准确。

除了对常见的湍流、突变风的模拟，多风扇风洞还对间歇湍流进行了模拟，并认为除了要模拟间歇湍流的统计特征参数以外还要再现风的时程。图8为多风扇模拟的真实大气中的间歇湍流与目标值之间的比较，相关系数为0.856，可以认为多风扇很好的模拟了间歇湍流风特性。
综上，多风扇风洞不仅很好模拟了湍流统计风特性参数，而且再现了风时程，并且对突变风和间歇湍流的模拟效果也比较好。但是多风扇对大气边界层的模拟只限于顺风向风特性的模拟，其对竖向和横向的模拟效果不好。
（五）多风扇与振动栅格组合紊流模拟
多风扇风洞虽然可以很好的模拟顺风向的紊流风特性，但是忽略了对横风向的风特性模拟。早期宫崎大学的Nishi教授提出了多风扇和振动格栅相组合[35~38]的方法来加强横风向的紊流度。二维风扇包括11个风扇如图11，三维洞体则包含6排二维风洞，一共有一个66个风扇。振动片安装在风洞的中间截面。每个振动片由一个步进电机驱动。

控制系统由局域网连接的三台电脑组成。第一台电脑控制风扇，第二台控制振动片，第三台则控制横动装置和速度的测量，并控制所有系统。通过测量系统的反馈后修正可以得到最终的目标风特性。下图为顺风向和横风向的风特性模拟结果：

可以看出多风扇加振动栅格对顺风向和竖向都有比较好的模拟。
此外，Nishi[37]教授认为除了以上统计参数以外，雷诺应力也是湍流流场中一个十分重要的参数。众所周知大气边界层的雷诺应力系数在竖直方向上几乎是恒定的。通过调整风扇和振动格栅的时间延迟雷诺应力的风剖面可以产生。图11为雷诺应力剖面的模拟：

图13：二维风洞对雷诺应力的模拟[37]
综上，多风扇加振动格栅风洞可以很好的模拟顺风向和竖向湍流风特性。多风扇得到纵向风特性，振动格栅得到竖向风特性。其中平均风剖面、湍流度、积分尺度和功率谱密度模拟都和目标参数拟合非常好，此外对大气边界层中的雷诺应力剖面也进行了有效模拟，得到了一个几乎恒定的数值。
三、结论
现有的大气边界层模拟方法主要分为被动方式模拟和主动方式模拟。被动模拟方法装置简单而且比较经济，但是其湍流积分尺度比较小，湍流度随高度的增加衰减过快，功率谱密度低频段幅值较小，所以很难满足日益增长的工程实际的需要。主动模拟方法使得积分尺度有所增加，增加了低频段得能量输入，一定程度上克服了被动模拟方法的缺陷。
目前的方法顺风向风特性的模拟比较成熟，但是在某些情况下例如桥梁节段试验中的竖向风场，高层建筑和高耸结构风振试验中的横向风场，他们均对实验结果有着较大的影响，所以横风向风特性的模拟也是至关重要的。现总结各种模拟方法的主要特点如下：
①栅格方法只是初步形成了平均风剖面，紊流特性的模拟不好，所以栅格方法单独的模拟效果不是很好只能和其他方法组合来使用。
②尖劈和粗糙元方法简单经济，离地一定高度范围内的顺风向湍流度和功率谱模拟基本符合中性边界层要求，积分尺度满足1/300～500比例边界层模拟要求；但是三角形尖劈模拟的湍流度随高度衰减过快，很难模拟大比例(1/150～1/100)的模型试验需要的湍流度剖面分布，离地高度增加，脉动风速功率谱不符合要求。
③振动格栅的方法和开闭栅格的方法都一定程度上增大了积分尺度的模拟，增加了低频注入能量。其对竖向紊流风场的模拟有利，单独模拟顺风向效果不是很好，适合和其他方法组合使用。
④多风扇方法是目前顺风向风特性模拟最好的一种方法，可以很好的模拟常规湍流、突变风和间歇湍流。但是他放弃了横风向的特性模拟，相对限制了它的应该用。
⑤多风扇与振动栅格组合装置对顺风向和竖向紊流特性模拟结果都比较好。除了对紊流统计参数的模拟其对雷诺应力剖面也进行了有效的模拟，为以后边界层模拟的发展提供了很好的思路。

资助：国家自然科学基金项目（90715039、50978203和51021140005）联合资助
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（作者单位：同济大学 土木工程防灾国家重点实验室 上海）