解密河北首家风洞实验室

解密河北首家风洞实验室呼风唤雨考验重大工程（2009-07-1408:46:31）稿件来源：河北日报■核心提示要风得风，最大风速可达80米/秒，是12级风速的两倍多；要雨得雨，可模拟从小雨到大暴雨的各级降雨……有这等“呼风唤雨”本事的是石家庄铁道学院于近日建成的我省首家风洞实验室。7月10日，风洞实验室正在进行福建某热电厂煤棚的风洞试验，记者得以了解那“神奇”背后的力量。“试验是为保证大风不能把屋顶刮跑”7月10日上午8时多，当记者赶到石家庄铁道学院风工程研究中心时，中心主任刘庆宽教授正和其他工作人员一起忙着做试验前的准备。实验室一工作间内，记者看到，邯郸市文化艺术中心结构风荷载试验模型已正式“下线”，被搁置在此———这是第一个进入该风洞进行试验的项目。而在风洞内，按照1：125的比例缩小后的福建某热电厂煤棚风荷载试验模型正在被精心地安装在位于风洞低速试验段的转盘上。“简单说，风洞试验就是人工制造大风，看看建筑物抗风能力有多大，最终目的是保证建筑设计合理，大风不会把屋顶刮跑。”作为项目的合作者、北京大学湍流与复杂系统国家重点实验室魏庆鼎教授指着实验室内的设备通俗地向记者解释着。“大跨度桥梁，高耸结构如电视塔，大跨空间结构如水立方、鸟巢等，还有一些特种结构如发电厂的冷却塔等，由于风荷载十分重要，都需要进行风洞试验校验。”刘庆宽教授补充说：“前一阵子媒体热炒的河北第一高楼开元环球中心，239米高，有53层，也需要通过风洞试验，为强度的设计和舒适度的检验提供依据。这个煤棚和邯郸市文化艺术中心一样，都属大跨空间结构，风荷载复杂，有必要通过风洞试验确定具体荷载的大小。”走进风洞试验段，里面是一个长方形的立体空间，视线所及，一边是入风口，一边则是风洞高速试验段。据介绍，该风洞高速试验段宽2.2米，高2米，长5.0米，最大风速大于80.0米/秒，是12级风风速的两倍多。假如这么大风速的风是从下往上吹的，可以让四个叠加起来的人在空中飘浮。低速试验段则宽4.0米，高3.0米，长24.0米，最大风速大于30.0米/秒，接近12级风。风洞入风口处，设有5个三角形的尖劈，尖劈与试验模型之间的地板上，则精心地布置着一排排像砖头的粗糙元。“在风洞试验中，正是通过调整尖劈的角度和粗糙元的摆放，来模拟出与结构当地相似的风环境。”刘庆宽教授解释说，按地表粗糙程度，设计规范将地貌分为A、B、C、D四类，每一类地貌对风的摩擦及阻碍作用不同，造成风速和湍流度沿高度变化的规律也不同。“有密集建筑群且房屋较高的城市市区、起伏较大的丘陵地，属于D类地貌；像邯郸市文化艺术中心项目，位于B类地貌区域；海面、海岸、开阔地面、沙漠，则属于A类地貌，此次进行试验的煤棚项目位于福建省沿海地区，在此列中。刘庆宽告诉记者，7月9日下午，根据地貌类别的相关参数指标，他们一直通过调整尖劈的角度和粗糙元的摆放规律，来着力模拟目标风环境。傍晚时分，终于得到了十分理想的结果。“两个成人站在这儿，可以被吹得飘在空中”上午近10时，一切准备就绪，就要开始进行试验了。刘庆宽、魏庆鼎教授再次进入风洞中，仔细查验每个细节。记者留意到，热电厂煤棚风荷载试验模型像两个半球，其中左边的半球模型内外表面上布置了近二百个微小的孔洞，在每个孔洞下方都连接着传感器，正是通过这些孔洞和传感器测试模型在各个风向角下的风压力，通过线路传递到计算机内进行存储和分析，为进一步的设计提供风荷载。10时许，试验正式开始了。从监测屏幕上记者看到，风洞低速试验段的控制风速为20.00米/秒，相当于8级大风；高速试验段的风速则为54.55米/秒，超过12级风。站在风洞外，只听到机器轰隆隆的声音，里面的试验模型、粗糙元、尖劈却未见动静，让人感觉不到风的力量。其实，外面看来风平浪静，里面却是狂风怒吼。在高速试验段下游，有一道宽约10厘米、平衡洞体内外压力差的“平衡缝”，记者忍不住伸进手指，顿时一股强大的风“浪”扑手而来，再伸进去一点，整个手掌不听使唤，顺风向而弯，记者赶紧抽回手来。据介绍，如人站在此伸手位置，可以让两个成人叠加起来在空中飘浮。试验进行时，工作人员一直聚精会神地监测着每个测点采集的数据，对其进行简单的处理和分析，并做出初步判断。认为合格后，再转入下一个工况进行试验。一个小时后，试验结束了。据了解，接下来的时间里，他们将对这些数据进行深入详细地分析、绘制画表、撰写研究报告，为设计院提供设计依据。在采访中，记者发现，在上次邯郸市文化艺术中心项目中采取的风速和此次一样，都是20米/秒。不同地域的项目为何采取相同的“风考验”呢？据介绍，此类风洞实验，一般是为了得到一个抗风设计荷载比值。结合当地气象统计的风速值，计算出该结构在设计风速下的风荷载，给设计方提供依据。经过严格的理论计算，风洞试验风速只有在合理范围内得出的比值才是准确的，20米/秒的试验风速对于这两个试验都是很合适的。据介绍，石家庄铁道学院风洞洞体第一、二拐角沿轨道可以移开，直接变回流风洞为U型直流风洞，这就意味着，风雨试验、污染扩散、质量迁移等各种不能在回流风洞中进行的试验，在这里都可以进行。“不能让斜拉桥的斜拉索出现‘风雨振’”在风洞实验室一工作间内，记者看到许多带喷头的长管子。“这就是模拟降雨系统。”刘庆宽告诉记者，风洞实施降雨时，就会使其装在风洞顶部的设施喷下雨滴来。大风吹着雨滴斜着往下落的感觉，跟自然界的刮风下雨很相似。“雨强大于25毫米/小时就是暴雨。”据介绍，石家庄铁道学院风洞实验室引进了中科院某研究所研制的精确模拟降雨系统，可以模拟从毛毛雨到大暴雨的各级雨强的降雨，最大雨强甚至能达到240毫米/小时。由于降雨不是此煤棚项目的试验内容，记者并未得见暴雨如何考验工程。“什么工程必须要经受暴雨考验？”“通常斜拉桥的斜拉索都要经受风和雨的考验。另外，降雨对其他结构的抗风性能有什么影响，还没有明确的结果，需要从基础研究工作开始做起。”感到记者有些遗憾，刘教授补充道。据了解，斜拉桥的斜拉索在“风雨交加”的情况下容易发生大幅度的振动。世界最大跨径的斜拉桥是我国的苏通长江大桥，主跨径为1088米，其最长的斜拉索为574米，将近标准体育场跑道一圈半的长度。“如果采用传统的光滑表面的斜拉索，很有可能发生大幅的‘风雨振’，危害大桥的安全。采用什么方法才能防止这种振动？这些研究都需要通过风洞试验来完成。”刘庆宽说，通过模拟自然界的风雨，他们测试“风雨交加”下试验模型的受力情况和振动情况，受到的脉动力是什么性质的，振动的振幅有多大、是什么性质的振动，对其结构的影响又会怎样，应该开发哪一类的减振措施……记者了解到，目前他们正在进行风雨振的基础研究，这项研究已得到了国家自然科学基金的资助。“随着中国城市化进程的提速，越来越多大工程‘上马’，越来越多的建筑追求新、奇、特、高，就越需要在设计阶段进行风洞试验。”刘庆宽对风洞的前景非常看好。■链接就是人为地建造一个管道，通过动力装置驱动空气在里面流动，同时把一些试验模型安装在风洞中进行测压、测力、测振试验，进而对试验对象的抗风性能进行评价，为设计提供依据，达到优化设计、消除安全隐患的目的。据了解，在人类遭受的各种自然灾害中，风灾给人类造成的经济损失超过其它自然灾害的总和，而我国是世界上风灾最严重的国家之一。近些年，风洞已被广泛地应用于民用项目，特别是随着我国大型土木工程越来越多，风洞在其建设中发挥了巨大的作用。除了建筑工程，其它领域也需要研究风的影响。像汽车工业，什么样式的汽车造型风阻会最小，最节能？高速行驶时，运行是否安全？这也需要做风洞试验。目前世界上很多大的汽车公司有专门的汽车风洞。另外，列车横风引起的侧向倾覆问题也需要大量的风洞试验研究。风洞试验还可用于解释某些体育项目的科学原理，帮助运动员提高竞技水平。例如排球中的飘球、足球、香蕉球、乒乓球中的弧圈球，都蕴含着空气动力学原理。石家庄铁道学院风洞实验室的风洞有高低速试验段串联设计、回直流可调、模拟降雨系统等特点，不仅可用于土木、交通及其它工业的相关研究，也可胜任某些航空领域的相关项目研究。小资料:风洞档案■1871年世界上出现了第一个低速风洞———一个两端开口的风箱，风箱长3.05米，截面为边长47.5厘米的正方形。■真正现代意义上的风洞是1916年德国廷根大学普朗特风洞。■1934年，清华大学航空工程系自行设计了我国第一个中型低速风洞。■20世纪60年代，我国低速风洞的建设和使用初具规模。■国内真正开始建造专门用于建筑和桥梁结构试验的风洞始于上世纪90年代。■1997年12月21日，亚洲最大的跨声速风洞在中国空气动力研究与发展中心建成。它标志着我国拥有了世界级高速风洞，跨声速空气动力研究试验能力跨入了世界先进行列。■2005年9月，我国自行设计建造的国内第一座大型立式风洞在空气动力研究基地建成并通气试车成功，是目前亚洲最大的立式风洞，其各项指标均达到世界先进水平。■如今，风洞被广泛地应用于民用项目，2006年，中国首座太空娱乐风洞在绵阳对游客正式开放。