解密河北首家風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室

1、解密河北首家風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室 "呼風(fēng)喚雨"考驗(yàn)重大工程（ 2009-07-14 08:46:31）稿件來(lái)源：河北日?qǐng)?bào)    核心提示     要風(fēng)得風(fēng)，最大風(fēng)速可達(dá)80米/秒，是12級(jí)風(fēng)速的兩倍多；     要雨得雨，可模擬從小雨到大暴雨的各級(jí)降雨     有這等“呼風(fēng)喚雨”本事的是石家莊鐵道學(xué)院于近日建成的我省首家風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室。     7月10日，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行福建某熱電廠煤棚

2、的風(fēng)洞試驗(yàn)，記者得以了解那“神奇”背后的力量。     “試驗(yàn)是為保證大風(fēng)不能把屋頂刮跑”     7月10日上午8時(shí)多，當(dāng)記者趕到石家莊鐵道學(xué)院風(fēng)工程研究中心時(shí)，中心主任劉慶寬教授正和其他工作人員一起忙著做試驗(yàn)前的準(zhǔn)備。     實(shí)驗(yàn)室一工作間內(nèi)，記者看到，邯鄲市文化藝術(shù)中心結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵颜健跋戮€”，被擱置在此 這是第一個(gè)進(jìn)入該風(fēng)洞進(jìn)行試驗(yàn)的項(xiàng)目。而在風(fēng)洞內(nèi)，按照1：125的比例縮小后的福建某熱電廠煤棚風(fēng)荷載試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼诒痪牡匕惭b在位于風(fēng)洞低速試驗(yàn)段的轉(zhuǎn)盤(pán)上。“簡(jiǎn)

3、單說(shuō)，風(fēng)洞試驗(yàn)就是人工制造大風(fēng)，看看建筑物抗風(fēng)能力有多大，最終目的是保證建筑設(shè)計(jì)合理，大風(fēng)不會(huì)把屋頂刮跑?！弊鳛轫?xiàng)目的合作者、北京大學(xué)湍流與復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室魏慶鼎教授指著實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的設(shè)備通俗地向記者解釋著?！按罂缍葮蛄?，高聳結(jié)構(gòu)如電視塔，大跨空間結(jié)構(gòu)如水立方、鳥(niǎo)巢等，還有一些特種結(jié)構(gòu)如發(fā)電廠的冷卻塔等，由于風(fēng)荷載十分重要，都需要進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)校驗(yàn)?！眲c寬教授補(bǔ)充說(shuō)：“前一陣子媒體熱炒的河北第一高樓開(kāi)元環(huán)球中心，239米高，有53層，也需要通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)，為強(qiáng)度的設(shè)計(jì)和舒適度的檢驗(yàn)提供依據(jù)。這個(gè)煤棚和邯鄲市文化藝術(shù)中心一樣，都屬大跨空間結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載復(fù)雜，有必要通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)確定具體荷載的大小。”

4、     走進(jìn)風(fēng)洞試驗(yàn)段，里面是一個(gè)長(zhǎng)方形的立體空間，視線所及，一邊是入風(fēng)口，一邊則是風(fēng)洞高速試驗(yàn)段。     據(jù)介紹，該風(fēng)洞高速試驗(yàn)段寬2.2米，高2米，長(zhǎng)5.0米，最大風(fēng)速大于80.0米/秒，是12級(jí)風(fēng)風(fēng)速的兩倍多。假如這么大風(fēng)速的風(fēng)是從下往上吹的，可以讓四個(gè)疊加起來(lái)的人在空中飄浮。低速試驗(yàn)段則寬4.0米，高3.0米，長(zhǎng)24.0米，最大風(fēng)速大于30.0米/秒，接近12級(jí)風(fēng)。     風(fēng)洞入風(fēng)口處，設(shè)有5個(gè)三角形的尖劈，尖劈與試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭g的地板上，則精心地布置著一排排像磚頭

5、的粗糙元。“在風(fēng)洞試驗(yàn)中，正是通過(guò)調(diào)整尖劈的角度和粗糙元的擺放，來(lái)模擬出與結(jié)構(gòu)當(dāng)?shù)叵嗨频娘L(fēng)環(huán)境?！眲c寬教授解釋說(shuō)，按地表粗糙程度，設(shè)計(jì)規(guī)范將地貌分為A、B、C、D四類(lèi)，每一類(lèi)地貌對(duì)風(fēng)的摩擦及阻礙作用不同，造成風(fēng)速和湍流度沿高度變化的規(guī)律也不同。“有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)、起伏較大的丘陵地，屬于D類(lèi)地貌；像邯鄲市文化藝術(shù)中心項(xiàng)目，位于B類(lèi)地貌區(qū)域；海面、海岸、開(kāi)闊地面、沙漠，則屬于A類(lèi)地貌，此次進(jìn)行試驗(yàn)的煤棚項(xiàng)目位于福建省沿海地區(qū)，在此列中。     劉慶寬告訴記者，7月9日下午，根據(jù)地貌類(lèi)別的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，他們一直通過(guò)調(diào)整尖劈的角度和粗糙元的擺

6、放規(guī)律，來(lái)著力模擬目標(biāo)風(fēng)環(huán)境。傍晚時(shí)分，終于得到了十分理想的結(jié)果。     “兩個(gè)成人站在這兒，可以被吹得飄在空中”     上午近10時(shí)，一切準(zhǔn)備就緒，就要開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)了。劉慶寬、魏慶鼎教授再次進(jìn)入風(fēng)洞中，仔細(xì)查驗(yàn)每個(gè)細(xì)節(jié)。     記者留意到，熱電廠煤棚風(fēng)荷載試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖駜蓚€(gè)半球，其中左邊的半球模型內(nèi)外表面上布置了近二百個(gè)微小的孔洞，在每個(gè)孔洞下方都連接著傳感器，正是通過(guò)這些孔洞和傳感器測(cè)試模型在各個(gè)風(fēng)向角下的風(fēng)壓力，通過(guò)線路傳遞到計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，為進(jìn)一步的設(shè)計(jì)提供

7、風(fēng)荷載。     10時(shí)許，試驗(yàn)正式開(kāi)始了。從監(jiān)測(cè)屏幕上記者看到，風(fēng)洞低速試驗(yàn)段的控制風(fēng)速為20.00米/秒，相當(dāng)于8級(jí)大風(fēng)；高速試驗(yàn)段的風(fēng)速則為54.55米/秒，超過(guò)12級(jí)風(fēng)。     站在風(fēng)洞外，只聽(tīng)到機(jī)器轟隆隆的聲音，里面的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、粗糙元、尖劈卻未見(jiàn)動(dòng)靜，讓人感覺(jué)不到風(fēng)的力量。     其實(shí)，外面看來(lái)風(fēng)平浪靜，里面卻是狂風(fēng)怒吼。     在高速試驗(yàn)段下游，有一道寬約10厘米、平衡洞體內(nèi)外壓力差的“平衡縫”，記者忍不住伸進(jìn)手指，頓

8、時(shí)一股強(qiáng)大的風(fēng)“浪”撲手而來(lái)，再伸進(jìn)去一點(diǎn)，整個(gè)手掌不聽(tīng)使喚，順風(fēng)向而彎，記者趕緊抽回手來(lái)。     據(jù)介紹，如人站在此伸手位置，可以讓兩個(gè)成人疊加起來(lái)在空中飄浮。     試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，工作人員一直聚精會(huì)神地監(jiān)測(cè)著每個(gè)測(cè)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理和分析，并做出初步判斷。認(rèn)為合格后，再轉(zhuǎn)入下一個(gè)工況進(jìn)行試驗(yàn)。一個(gè)小時(shí)后，試驗(yàn)結(jié)束了。     據(jù)了解，接下來(lái)的時(shí)間里，他們將對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行深入詳細(xì)地分析、繪制畫(huà)表、撰寫(xiě)研究報(bào)告，為設(shè)計(jì)院提供設(shè)計(jì)依據(jù)。   

9、  在采訪中，記者發(fā)現(xiàn)，在上次邯鄲市文化藝術(shù)中心項(xiàng)目中采取的風(fēng)速和此次一樣，都是20米/秒。不同地域的項(xiàng)目為何采取相同的“風(fēng)考驗(yàn)”呢？     據(jù)介紹，此類(lèi)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，一般是為了得到一個(gè)抗風(fēng)設(shè)計(jì)荷載比值。結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀蠼y(tǒng)計(jì)的風(fēng)速值，計(jì)算出該結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)風(fēng)速下的風(fēng)荷載，給設(shè)計(jì)方提供依據(jù)。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的理論計(jì)算，風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)速只有在合理范圍內(nèi)得出的比值才是準(zhǔn)確的，20米/秒的試驗(yàn)風(fēng)速對(duì)于這兩個(gè)試驗(yàn)都是很合適的。     據(jù)介紹，石家莊鐵道學(xué)院風(fēng)洞洞體第一、二拐角沿軌道可以移開(kāi)，直接變回流風(fēng)洞為U型直流風(fēng)洞，這就

10、意味著，風(fēng)雨試驗(yàn)、污染擴(kuò)散、質(zhì)量遷移等各種不能在回流風(fēng)洞中進(jìn)行的試驗(yàn)，在這里都可以進(jìn)行。     “不能讓斜拉橋的斜拉索出現(xiàn)風(fēng)雨振”     在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室一工作間內(nèi)，記者看到許多帶噴頭的長(zhǎng)管子。     “這就是模擬降雨系統(tǒng)。”劉慶寬告訴記者，風(fēng)洞實(shí)施降雨時(shí)，就會(huì)使其裝在風(fēng)洞頂部的設(shè)施噴下雨滴來(lái)。大風(fēng)吹著雨滴斜著往下落的感覺(jué)，跟自然界的刮風(fēng)下雨很相似?！坝陱?qiáng)大于25毫米/小時(shí)就是暴雨。”     據(jù)介紹，石家莊鐵道學(xué)院風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)了中

11、科院某研究所研制的精確模擬降雨系統(tǒng)，可以模擬從毛毛雨到大暴雨的各級(jí)雨強(qiáng)的降雨，最大雨強(qiáng)甚至能達(dá)到240毫米/小時(shí)。     由于降雨不是此煤棚項(xiàng)目的試驗(yàn)內(nèi)容，記者并未得見(jiàn)暴雨如何考驗(yàn)工程。     “什么工程必須要經(jīng)受暴雨考驗(yàn)？”     “通常斜拉橋的斜拉索都要經(jīng)受風(fēng)和雨的考驗(yàn)。另外，降雨對(duì)其他結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能有什么影響，還沒(méi)有明確的結(jié)果，需要從基礎(chǔ)研究工作開(kāi)始做起?！备械接浾哂行┻z憾，劉教授補(bǔ)充道。     據(jù)了解，斜拉橋的斜拉索在“

12、風(fēng)雨交加”的情況下容易發(fā)生大幅度的振動(dòng)。世界最大跨徑的斜拉橋是我國(guó)的蘇通長(zhǎng)江大橋，主跨徑為1088米，其最長(zhǎng)的斜拉索為574米，將近標(biāo)準(zhǔn)體育場(chǎng)跑道一圈半的長(zhǎng)度。     “如果采用傳統(tǒng)的光滑表面的斜拉索，很有可能發(fā)生大幅的風(fēng)雨振，危害大橋的安全。采用什么方法才能防止這種振動(dòng)？這些研究都需要通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)來(lái)完成?！眲c寬說(shuō)，通過(guò)模擬自然界的風(fēng)雨，他們測(cè)試“風(fēng)雨交加”下試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷氖芰η闆r和振動(dòng)情況，受到的脈動(dòng)力是什么性質(zhì)的，振動(dòng)的振幅有多大、是什么性質(zhì)的振動(dòng)，對(duì)其結(jié)構(gòu)的影響又會(huì)怎樣，應(yīng)該開(kāi)發(fā)哪一類(lèi)的減振措施     記者

13、了解到，目前他們正在進(jìn)行風(fēng)雨振的基礎(chǔ)研究，這項(xiàng)研究已得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。     “隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的提速，越來(lái)越多大工程上馬，越來(lái)越多的建筑追求新、奇、特、高，就越需要在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。”劉慶寬對(duì)風(fēng)洞的前景非?？春谩?#160;   鏈接    就是人為地建造一個(gè)管道，通過(guò)動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)空氣在里面流動(dòng)，同時(shí)把一些試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b在風(fēng)洞中進(jìn)行測(cè)壓、測(cè)力、測(cè)振試驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)試驗(yàn)對(duì)象的抗風(fēng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)、消除安全隱患的目的。   &

14、#160; 據(jù)了解，在人類(lèi)遭受的各種自然災(zāi)害中，風(fēng)災(zāi)給人類(lèi)造成的經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)其它自然災(zāi)害的總和，而我國(guó)是世界上風(fēng)災(zāi)最嚴(yán)重的國(guó)家之一。     近些年，風(fēng)洞已被廣泛地應(yīng)用于民用項(xiàng)目，特別是隨著我國(guó)大型土木工程越來(lái)越多，風(fēng)洞在其建設(shè)中發(fā)揮了巨大的作用。     除了建筑工程，其它領(lǐng)域也需要研究風(fēng)的影響。像汽車(chē)工業(yè)，什么樣式的汽車(chē)造型風(fēng)阻會(huì)最小，最節(jié)能？高速行駛時(shí)，運(yùn)行是否安全？這也需要做風(fēng)洞試驗(yàn)。目前世界上很多大的汽車(chē)公司有專門(mén)的汽車(chē)風(fēng)洞。另外，列車(chē)橫風(fēng)引起的側(cè)向傾覆問(wèn)題也需要大量的風(fēng)洞試驗(yàn)研究。  

15、;   風(fēng)洞試驗(yàn)還可用于解釋某些體育項(xiàng)目的科學(xué)原理，幫助運(yùn)動(dòng)員提高競(jìng)技水平。例如排球中的飄球、足球、香蕉球、乒乓球中的弧圈球，都蘊(yùn)含著空氣動(dòng)力學(xué)原理。     石家莊鐵道學(xué)院風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)洞有高低速試驗(yàn)段串聯(lián)設(shè)計(jì)、回直流可調(diào)、模擬降雨系統(tǒng)等特點(diǎn)，不僅可用于土木、交通及其它工業(yè)的相關(guān)研究，也可勝任某些航空領(lǐng)域的相關(guān)項(xiàng)目研究。     小資料:風(fēng)洞檔案    1871年世界上出現(xiàn)了第一個(gè)低速風(fēng)洞 一個(gè)兩端開(kāi)口的風(fēng)箱，風(fēng)箱長(zhǎng)3.05米，截面為邊長(zhǎng)47.5厘米的正方形。     真正現(xiàn)代意義上的風(fēng)洞是1916年德國(guó)廷根大學(xué)普朗特風(fēng)洞。     1934年，清華大學(xué)航空工程系自行設(shè)計(jì)了我國(guó)第一個(gè)中型低速風(fēng)洞。     20世紀(jì)60年代，我國(guó)低速風(fēng)洞的建設(shè)和使用初具規(guī)模。     國(guó)內(nèi)真正開(kāi)始建造專門(mén)用于建筑和橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的風(fēng)洞始于上世紀(jì)90年代。