風(fēng)洞試驗(yàn)研究綜述

1、風(fēng)洞試驗(yàn)研究綜述姓名：許德 學(xué)號(hào)要：本文介紹了大氣邊界層風(fēng)洞的發(fā)展過(guò)程和模擬方法。大氣邊界層的模擬方法主要有主動(dòng)模擬方法和被動(dòng)模擬方法，前者包括多風(fēng)扇風(fēng)洞技術(shù)與振動(dòng)尖塔技術(shù)，后者采用尖劈、粗糙元、擋板、格柵等裝置進(jìn)行模擬。被動(dòng)模擬技術(shù)較為經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便，所以得到了廣泛采用。關(guān)鍵詞：風(fēng)洞；大氣邊界層；主動(dòng)模擬；被動(dòng)模擬.Performance of Simulation of Atmospheric Boundary Layer in Wind TunnelsxudeAbstract：In this paper , the simulation of atmospheric

2、 boundary layer are introducted from the history of the development and the methods of the technology. The methods of atmospheric boundary layer simulation contain active simulation and passive simulation. The active simulation mainly include multiple fans wind tunnel technology and vibratile spire

3、technology. The equipments of the passive simulation main include spire, roughness element, apron and gridiron. The passive simulation technology is simple and economical, so it has been widely used.Key words：wind tunnel; atmospheric boundary layer; active simulation; passive simulation. 一、引言1940年，美

4、國(guó)塔科馬懸索橋由于風(fēng)致振動(dòng)而破壞的風(fēng)毀事故,首次使科學(xué)家和工程師們認(rèn)識(shí)到了風(fēng)的動(dòng)力作用的巨大威力1。在此之前， 1879年發(fā)生了蘇格蘭泰橋的風(fēng)毀事故已經(jīng)使工程師們認(rèn)識(shí)到風(fēng)的靜力作用。塔科馬橋的風(fēng)毀開(kāi)始了土木工程界考慮橋梁風(fēng)致振動(dòng)的新時(shí)期，并以此為起點(diǎn), 發(fā)展成為了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)風(fēng)工程學(xué)。結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究方法可分為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、風(fēng)洞試驗(yàn)和理論計(jì)算三種。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法是一種有效的驗(yàn)證理論計(jì)算和風(fēng)洞試驗(yàn)方法和結(jié)構(gòu)的手段；然而，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試需要花費(fèi)巨大，試驗(yàn)環(huán)境條件很難人為控制和改變。與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法相比，風(fēng)洞試驗(yàn)兼具直觀性和節(jié)約的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以上人為地控制、調(diào)節(jié)和重復(fù)一些試驗(yàn)條件，是一種很好的研究結(jié)構(gòu)風(fēng)工程現(xiàn)象的變參數(shù)

5、影響和機(jī)理的手段。近些年來(lái)隨著流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)逐漸成為風(fēng)工程研究中越來(lái)越重要的工具。然而，由于風(fēng)工程問(wèn)題的復(fù)雜性，要深入了解由于空氣流動(dòng)所引起的許多復(fù)雜作用，風(fēng)洞試驗(yàn)仍然是起著非常重要的作用。在整個(gè)50 年代和60 年代初，建筑物和橋梁風(fēng)洞試驗(yàn)都是在為研究飛行器空氣動(dòng)力學(xué)性能而建的“航空風(fēng)洞”的均勻流場(chǎng)中進(jìn)行，而試驗(yàn)結(jié)果往往被發(fā)現(xiàn)與實(shí)地觀測(cè)結(jié)果不一致，原因顯然在于風(fēng)洞中的均勻氣流與實(shí)際自然風(fēng)的紊流之間所存在明顯差別。1950 年代末，丹麥的杰森對(duì)風(fēng)洞模擬相似率問(wèn)題作了重要的闡述，認(rèn)為必須模擬大氣邊界層氣流的特性。1965 年，加拿大西安大略大學(xué)建成了世界上第一個(gè)大氣邊

6、界層風(fēng)洞，即具有較長(zhǎng)試驗(yàn)段、能夠模擬大氣邊界層內(nèi)自然風(fēng)的一些重要紊流特性的風(fēng)洞。緊接著，在美國(guó)的科羅拉多州立大學(xué)，舍馬克教授也負(fù)責(zé)建造了一個(gè)大氣邊界層風(fēng)洞，并首次用被動(dòng)模擬方法對(duì)大氣邊界層的風(fēng)特性進(jìn)行了模擬，使結(jié)構(gòu)抗風(fēng)試驗(yàn)進(jìn)入了精細(xì)化的新階段，世界各地也隨之陸續(xù)建成了許多不同尺寸的邊界層風(fēng)洞，從而大大促進(jìn)了結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的研究。在早期的風(fēng)洞中,大氣邊界層主要研究大氣剪切流場(chǎng)的模擬.而在近期,除注意剪切流場(chǎng)的模擬外,已認(rèn)識(shí)到流場(chǎng)湍流結(jié)構(gòu)特性模擬的重要性,特別對(duì)大跨橋梁、高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)的風(fēng)載和風(fēng)振試驗(yàn)有十分重要的意義.二、大氣邊界層風(fēng)洞簡(jiǎn)介2.1風(fēng)洞試驗(yàn)的概念風(fēng)洞是指一個(gè)按一定要求設(shè)計(jì)的、具有動(dòng)力

7、裝置的、用于各種氣動(dòng)力試驗(yàn)的可控氣流管道系統(tǒng)2。雖然實(shí)際風(fēng)洞有多種多樣的形式，以適應(yīng)不同的研究要求，但是從流動(dòng)方式來(lái)看，總體上可劃分為兩個(gè)基本類(lèi)型：即閉口回流式風(fēng)洞和開(kāi)口直流式風(fēng)洞。而從風(fēng)洞試驗(yàn)段的構(gòu)造來(lái)看又有封閉式和敞開(kāi)式之分。圖1.閉口回流式風(fēng)洞風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)壳笆墙Y(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究中最主要的方法。借鑒航空領(lǐng)域的技術(shù)和方法，風(fēng)洞試驗(yàn)在土木工程結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)研究中發(fā)揮了巨大的作用。但相比而言，土木工程結(jié)構(gòu)的模型試驗(yàn)和航天航空器的模型試驗(yàn)有很多不同之處。前者外形非常復(fù)雜，而后者則相對(duì)簡(jiǎn)單；前者處在高湍流的近地風(fēng)場(chǎng)中且風(fēng)場(chǎng)變化類(lèi)型多，而和后者相關(guān)的流動(dòng)則是低紊流流動(dòng)；此外，前者尺度大，因而模型縮尺比例小，導(dǎo)致雷

8、諾數(shù)模擬的難度比后者更加突出；前者處在低速流動(dòng)中，不需要考慮流體的壓縮性，而后者則需考慮流動(dòng)的壓縮效應(yīng)，等等。相對(duì)于航空風(fēng)洞來(lái)說(shuō)，用于土木工程結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞一般都是風(fēng)速較低的低速風(fēng)洞，并且通常采用封閉式試驗(yàn)段。為了能在風(fēng)洞中對(duì)建筑結(jié)構(gòu)所處的大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行合理的模擬，其試驗(yàn)段長(zhǎng)度一般較大，因此，也被稱為邊界層風(fēng)洞。早在1894年丹麥人J.O.V. Irminger在風(fēng)洞中測(cè)量建筑物模型的表面風(fēng)壓，然而直到1931年為了確定帝國(guó)大廈的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載，研究人員利用航空風(fēng)洞進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的模型風(fēng)試驗(yàn)，風(fēng)洞試驗(yàn)才成為研究結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的重要手段。1940年美國(guó)舊塔科馬海峽大橋發(fā)生風(fēng)振坍塌事故后，人們才開(kāi)始逐步研究并

9、認(rèn)識(shí)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用。1950年，為了探究塔科馬海峽橋的風(fēng)毀事故的確切原因，美國(guó)華盛頓州立大學(xué)的法庫(kù)哈森教授通過(guò)全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)，成功地重現(xiàn)了塔科瑪海峽大橋的顫振風(fēng)毀現(xiàn)象，并對(duì)對(duì)橋梁的風(fēng)振振動(dòng)進(jìn)行了研究，這也是第一次結(jié)構(gòu)氣彈模型試驗(yàn)。結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗(yàn)開(kāi)始成為結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)的重要手段而得到普遍發(fā)展，許多學(xué)者把研究機(jī)翼顫振的風(fēng)洞試驗(yàn)方法引用到了橋梁的顫振研究，取得了一定的成果。1950 年代末，丹麥的杰森提出了建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗(yàn)必須模擬大氣邊界層氣流的特性。1965 年，在達(dá)文波特負(fù)責(zé)下，加拿大西安大略大學(xué)建成了第一個(gè)大氣邊界層風(fēng)洞，即具有較長(zhǎng)試驗(yàn)段、能夠模擬大氣邊界層內(nèi)自然風(fēng)的一些重要紊流特

10、性的風(fēng)洞。隨后，在美國(guó)建成了第一個(gè)用被動(dòng)模擬方法對(duì)大氣邊界層風(fēng)特性進(jìn)行了模擬的結(jié)構(gòu)風(fēng)洞，使結(jié)構(gòu)抗風(fēng)試驗(yàn)進(jìn)入了精細(xì)化的新階段，世界各地也隨之陸續(xù)建成了許多不同尺寸的邊界層風(fēng)洞，從而大大促進(jìn)了結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的研究。2.2大氣邊界層的概念按照大氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)可以將對(duì)流層中的大氣沿垂直方向粗略地分為上部自由大氣層和下部的大氣行星邊界層。受粗糙地表的摩擦而引起的阻滯作用的影響，大氣邊界層中的氣流在近地表處的速度明顯減慢，并在地表處降為零。而由于相鄰氣層之間的紊流摻混使得這種地表阻滯或摩擦的影響可擴(kuò)展到整個(gè)大氣邊界層，并在沿高度方向各氣層之間產(chǎn)生剪切應(yīng)力。嚴(yán)格地講，大氣邊界層的高度可達(dá)11.5km，在此范

11、圍內(nèi)，風(fēng)速是隨高度的變化而變化。再往上就是自由大氣層，地表摩擦力對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)的影響可以忽略，氣層之間的剪切應(yīng)力基本等于零。在自由大氣層中，無(wú)加速的空氣相對(duì)于地表的水平運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力和離心力之間的平衡來(lái)確定，風(fēng)向與等壓線保持一致，風(fēng)速與高度無(wú)關(guān)。 圖3.對(duì)流層結(jié)構(gòu)示意圖圖4.大氣邊界層中的風(fēng)速螺旋線大氣流體動(dòng)力學(xué)中，把氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力和離心力到達(dá)平衡的、與高度無(wú)關(guān)的定常風(fēng)速稱為梯度風(fēng)速，常用UG 表示，邊界層高度也因此而常被稱為梯度風(fēng)高度。當(dāng)所關(guān)心的區(qū)域遠(yuǎn)離氣象系統(tǒng)中的低壓或高壓區(qū)時(shí)，等壓線的半徑很大，曲率很小，可近似為直線，此時(shí)可忽略作用在空氣微團(tuán)的離心力，與高度無(wú)關(guān)的

12、定常風(fēng)速由氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力的平衡條件確定，成為地轉(zhuǎn)風(fēng)速。在大氣邊界層中，由于粗糙地表產(chǎn)生的摩擦力的影響，風(fēng)向與等壓線成一定的夾角。隨著高度的增加，地面摩擦效應(yīng)的影響逐漸降低，這種夾角也越來(lái)越小，在梯度風(fēng)高度處，夾角降為零，風(fēng)向與等壓線一致。大氣邊界層內(nèi)風(fēng)速風(fēng)向隨高度的這種變化規(guī)律可用如圖5.3所示的螺線來(lái)描繪，從地面至邊界層高度頂，風(fēng)向角的變化約為20。由于土木工程結(jié)構(gòu)均建在大氣邊界層中，因此大氣邊界層內(nèi)的風(fēng)特性是土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者最為關(guān)心的。三、大氣邊界層的風(fēng)特性風(fēng)特性研究是風(fēng)工程的基礎(chǔ)工作。過(guò)去, 關(guān)于風(fēng)的資料主要來(lái)源于各氣象站約10米高風(fēng)標(biāo)上所安裝的旋轉(zhuǎn)杯式風(fēng)速儀。這種于1846

13、年發(fā)明的風(fēng)速儀至今還在使用, 但由于儀器的慣性大, 它所測(cè)量的是有一定時(shí)距的平均風(fēng)。近50 年來(lái), 測(cè)風(fēng)儀器有了巨大的進(jìn)步, 從較靈敏的螺旋槳式風(fēng)速儀發(fā)展到激光、超聲以及微波風(fēng)速儀, 可用來(lái)測(cè)量空氣的微小瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，近地風(fēng)可處理為平均風(fēng)速和脈動(dòng)風(fēng)速的疊加；平均風(fēng)速沿高度可用對(duì)數(shù)律或冪函數(shù)來(lái)描述，而脈動(dòng)風(fēng)的主要特征是紊流度、脈動(dòng)風(fēng)速自功率譜和互功率譜、紊流尺度等。其他風(fēng)特性參數(shù)，例如陣風(fēng)因子、摩阻速度以及空間相關(guān)函數(shù)等可以認(rèn)為是這些關(guān)鍵特性的延拓和補(bǔ)充。在初步掌握這些重要特性的基礎(chǔ)上，給出了這些特征量的推薦值和推薦公式。盡管人們?cè)趶?qiáng)風(fēng)分布及結(jié)構(gòu)響應(yīng)的實(shí)測(cè)方面做了很多努力，但是，

14、由于強(qiáng)風(fēng)分布特性現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的費(fèi)用大、周期長(zhǎng)、難度大，人們對(duì)近地風(fēng)特性的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)不清楚。目前國(guó)際上常用的幾種脈動(dòng)風(fēng)速功率譜值（Davenport 譜, Kaimal 譜和Karman 譜等）在某些重要頻段內(nèi)相差很大，甚至以倍計(jì)。脈動(dòng)風(fēng)速相干函數(shù)指數(shù)的推薦范圍上下限的不同取值可能造成結(jié)構(gòu)響應(yīng)計(jì)算值的成倍差別。臺(tái)風(fēng)的平均風(fēng)剖面和紊流結(jié)構(gòu)及登陸后的衰減特性如何？此外，人們對(duì)特殊地形（包括我國(guó)西部地區(qū)復(fù)雜地形）的強(qiáng)風(fēng)分布特性的理解也還甚淺。風(fēng)參數(shù)的不確定性是影響結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)精度最重要的因素。 a).瞬時(shí)風(fēng)速b).平均風(fēng)速c).脈動(dòng)風(fēng)速圖5.實(shí)測(cè)瞬時(shí)風(fēng)速的分解四、大氣邊界層模擬方法研究現(xiàn)狀在風(fēng)洞中正確重現(xiàn)大

15、氣邊界層的流動(dòng)特性, 是風(fēng)洞模擬試驗(yàn)結(jié)果具備可信性的必要條件, 也是風(fēng)工程研究重要的基礎(chǔ)工作3。20世紀(jì)80年代以來(lái)大氣邊界層風(fēng)特性的模擬技術(shù)，特別是大尺度湍流的模擬技術(shù)有了較大的發(fā)展；一些專(zhuān)用的測(cè)試設(shè)備和實(shí)驗(yàn)儀器研制成功，使得各種氣象、地面和地形條件能夠更好地在風(fēng)洞中模擬，研究風(fēng)載、風(fēng)振的能力提高。大氣邊界層湍流的風(fēng)洞模擬技術(shù)按照有無(wú)控制部件可分為主動(dòng)模擬和被動(dòng)模擬兩類(lèi)。被動(dòng)模擬主要靠障礙的尾流形成分離漩渦模擬大氣湍流，目前主要利用尖劈、格柵、擋板和粗糙元來(lái)實(shí)現(xiàn)。主動(dòng)模擬有兩種方式，一種是依靠震動(dòng)機(jī)構(gòu)本身運(yùn)動(dòng)作為風(fēng)洞中氣流注入隨機(jī)的脈動(dòng)能量來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要有震動(dòng)翼柵、震動(dòng)尖塔；另一種為變頻調(diào)速風(fēng)

16、扇陣列。 依靠運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)向風(fēng)洞中的氣流注入隨機(jī)脈動(dòng)能量, 激勵(lì)湍流渦旋的形成。4.1大氣邊界層被動(dòng)模擬技術(shù)20世紀(jì)60年代后期，研究人員發(fā)現(xiàn)格柵尾流可以制造出適當(dāng)?shù)奈擦鲌?chǎng)，不同寬度和間距的平板格柵在風(fēng)洞下游足夠遠(yuǎn)處形成各向同性湍流，湍流的強(qiáng)度與尺度一般與平板的寬度有關(guān)4,5。采用變間距布置的平板格柵可以近似的模擬出大氣邊界層風(fēng)速剖面6，但這項(xiàng)技術(shù)并沒(méi)有廣泛的應(yīng)用。得到廣泛應(yīng)用的是通過(guò)劈尖與粗糙元的組合實(shí)現(xiàn)了風(fēng)速剖面與湍流剖面的模擬7。此后伴隨著風(fēng)工程實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，利于劈尖和粗糙元的被動(dòng)模擬技術(shù)一直沿用至今。Irwin8最早給出了基于劈尖和粗糙元阻力和動(dòng)量分析的三角形劈尖設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式，但實(shí)際應(yīng)用

17、中會(huì)遇到對(duì)不同風(fēng)洞斷面的普適性難題。Sill911等人的研究則集中在立方體粗糙元的尺寸和排列方式與粗糙參數(shù)的關(guān)系上。理論上講，近地的自然風(fēng)剖面是由于大氣大尺度渦旋作用和地面摩擦共同形成的1，兩者在風(fēng)速的模擬上扮演者不同的角色。劈尖的作用是在風(fēng)洞中形成大尺度渦旋迎風(fēng)板的寬度決定了渦旋的大小和湍流的脈動(dòng)強(qiáng)度；而粗糙元?jiǎng)t相當(dāng)于實(shí)際的地面粗糙物，以調(diào)整平均風(fēng)速和湍流度的剖面分布。然而，尖塔下寬上窄的形狀導(dǎo)致積分尺度隨高度增加而減小，這與實(shí)際情況恰好相反。因此，僅強(qiáng)調(diào)尖劈或粗糙元的作用都是片面的，而且，風(fēng)洞斷面尺寸的不同也會(huì)影響一些經(jīng)驗(yàn)公式的使用，這導(dǎo)致各個(gè)風(fēng)洞都必須建立適用于自己的模擬裝置12,13。

18、H.J. Ham和龐加斌分別采用了不同的非三角形尖劈，較好地模擬出大縮尺比下的流場(chǎng)特性，滿足了低矮建筑物和橋梁的抗風(fēng)試驗(yàn)研究。石碧青等人采用曲邊梯形尖塔，其一定寬度的上底邊長(zhǎng)保證了在邊界層較高的高度能夠保持較大的湍流度，尖塔寬度隨著高度降低而緩慢增加，不至于使得風(fēng)洞底層的堵塞度過(guò)大而導(dǎo)致難于協(xié)調(diào)小地貌指數(shù)和高湍流度之間的矛盾，最終模擬得到的邊界層上部具有較高湍流度，整個(gè)湍流度分布較為合理。4.2大氣邊界層主動(dòng)模擬技術(shù)被動(dòng)模擬技術(shù)可以很好地模擬各種地貌和模型比例的平均風(fēng)速和湍流度剖面，但是對(duì)湍流功率譜和積分長(zhǎng)度的要求難以滿足。主動(dòng)模擬技術(shù)可以彌補(bǔ)其這方面的不足。該技術(shù)通過(guò)向流場(chǎng)內(nèi)注入適當(dāng)頻率的機(jī)

19、械能，增強(qiáng)低頻成分湍流動(dòng)能，從而改善功率譜和積分長(zhǎng)度的模擬。這其中最成功的兩類(lèi)技術(shù)為震動(dòng)翼柵4和多風(fēng)扇風(fēng)洞14。圖6.多風(fēng)扇風(fēng)洞系統(tǒng)示意圖美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)邊界層風(fēng)洞進(jìn)口處裝有兩列可控的震動(dòng)翼柵，可在416s的周期范圍內(nèi)隨機(jī)振動(dòng)，使得下層的邊界層剖面和湍流結(jié)構(gòu)能滿足1:100縮比風(fēng)洞試驗(yàn)；日本宮崎大學(xué)的多風(fēng)扇風(fēng)洞則可以再現(xiàn)與自然風(fēng)湍流一致的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程15，模擬風(fēng)的時(shí)程即使風(fēng)速突變也可與目標(biāo)曲線吻合的相當(dāng)好。震動(dòng)翼柵裝置雖然成本較低，但是智能模擬二維平均流場(chǎng)，對(duì)于模擬復(fù)雜流暢同樣捉襟見(jiàn)肘，并且模擬的準(zhǔn)確度和模擬流場(chǎng)的穩(wěn)定性還存在著一定的問(wèn)題。多風(fēng)扇風(fēng)洞可以準(zhǔn)確模擬各種流場(chǎng)，但是設(shè)備造價(jià)昂貴維

20、護(hù)成本高，目前只在小實(shí)驗(yàn)斷面中成功應(yīng)用對(duì)于大風(fēng)洞斷面還有更多的問(wèn)題有待解決。五、大氣邊界的模擬中需進(jìn)一步探討的問(wèn)題5.1大氣邊界層風(fēng)特性研究風(fēng)特性研究是風(fēng)洞試驗(yàn)的基礎(chǔ)，更是大氣邊界層模擬的重要理論依據(jù)，在這個(gè)問(wèn)題上應(yīng) 進(jìn)行長(zhǎng)期的系統(tǒng)性的風(fēng)特性現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)采用高精度、抗干擾能力強(qiáng)的風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量近地風(fēng)特性，特別關(guān)注臺(tái)風(fēng)的平均風(fēng)剖面分布、紊流度分布和紊流譜結(jié)構(gòu)，盡量能獲得紊流尺度和空間相關(guān)性的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；測(cè)量臺(tái)風(fēng)登陸后的衰減規(guī)律；研究臺(tái)風(fēng)的非平穩(wěn)性。同時(shí)著重現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究特殊地形的強(qiáng)風(fēng)分布特性，選擇有代表性的地貌條件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)，更深入地掌握典型特殊地貌條件下的風(fēng)速分布特征，給出定量描述。

21、5.2大氣邊界層模擬方法研究新的被動(dòng)或主動(dòng)模擬方法，提高模擬風(fēng)場(chǎng)的紊流度和紊流尺度，模擬紊流尺度隨高度增加而增加的方法；研究雷暴和龍卷風(fēng)的模擬方法；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，更深入地掌握特殊地貌條件下的平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)的分布規(guī)律。六、結(jié)論隨著風(fēng)工程試驗(yàn)要求的不斷提高大氣邊界層風(fēng)洞模擬技術(shù)需要不斷改進(jìn)，縱觀邊界層風(fēng)洞的研究現(xiàn)狀，被動(dòng)的劈尖和粗糙元仍然是常用的湍流邊界層模擬裝置。近10年來(lái)日本出現(xiàn)的多風(fēng)扇模擬技術(shù)引人關(guān)注，但與完善準(zhǔn)確的模擬自然風(fēng)仍然有一定的差距。常用的三角形劈尖與粗糙元能夠有效地模擬不同粗糙度地形的平均風(fēng)速剖面模擬湍流度隨披肩底部增大而增加，隨離地高度增加而減少。模擬脈

22、動(dòng)風(fēng)速功率譜和積分尺度在一定范圍內(nèi)符合實(shí)際，但隨著高度增加湍流積分尺度減少，脈動(dòng)風(fēng)速功率譜曲線向高頻偏移。三角形劈尖和粗糙元模擬適合幾何縮比在1/5001/300范圍內(nèi)模型風(fēng)洞試驗(yàn)。采用異性劈尖改善湍流度剖面模型使得平均風(fēng)速剖面與湍流度剖面同時(shí)滿足較大的幾何縮比（1/150）、平坦地形的邊界層模擬。增加劈尖寬度湍流積分尺度略有增大但是劈尖下寬上窄的特點(diǎn)決定，其不合理的積分尺度模擬成為其不可可克服的缺陷。主動(dòng)模擬技術(shù)通過(guò)向流場(chǎng)注入低頻能量能大大提高湍流積分尺度，尤其是多風(fēng)扇系統(tǒng)。采用變頻調(diào)速和反饋控制技術(shù)不僅可以重現(xiàn)目標(biāo)風(fēng)速譜，還能模擬目標(biāo)脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程完全符合實(shí)際大氣。但是多風(fēng)扇反饋測(cè)量技術(shù)僅限于縱向脈動(dòng)風(fēng)速和功率譜，如何將橫向和垂直方向的分量納入反饋系統(tǒng)還需要進(jìn)一步的探討和研究。主動(dòng)模擬與被動(dòng)模擬的發(fā)展各有優(yōu)缺點(diǎn)，如果二者能相互取長(zhǎng)補(bǔ)短即使得模擬的平均風(fēng)速剖面、湍流度剖面、功率譜與湍流積分更趨向?qū)嶋H情況同時(shí)不致使裝置太復(fù)雜成本太高，將能更好的將這項(xiàng)技術(shù)推向應(yīng)用。參考文獻(xiàn)：1 黃本才. 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)原理及應(yīng)用M. 上海: 同