串列双方柱气动力试验研究3

1串列双方柱气动力试验研究赵会涛1，*刘小兵1,2（1.石家庄铁道大学，石家庄，050043；2.河北省大型结构健康诊断与控制实验室石家庄050043)摘啊要：本文在大气边界层风洞中进行了串列双方柱气动力试验研究,对方柱进行了试验测试并分析，得到了串列双方柱在不同间距下,方柱表面的风压系数和气动力系数的变化规律。结果表明（1）干扰效应对后柱的影响明显大于前柱的影响。在小间距时，后柱阻力系数出现负值。（2）根据风压系数和阻力系数均值以及风压系数根方差和升力系数根方差随间距比d的变化，得到临界柱间距的范围为3.0≦d≦3.5。（3）在d=1.5到d=3.5之间，上游模型的CL，rms大于下游模型。但是当d3.5，下游模型CL，rms高于上游模型。关键词：串列方柱；干扰效应；风洞试验；风荷载；风致响应THEGASDYNAMICSTUDYOFTWOSQUARECYLINDERSINTANDEMARRANGEMENTZHAOHui-tao1,LIUXiao-bing1,2(1.ShijiazhuangRailwayUniversity,Shijiazhuang,050043;2.KeyLaboratoryofstructuralhealthdiagnosisandcontrolofHebeiProvince,Shijiazhuang,050043)Abstract:Thetandembothcolumngasdynamicexperimentalresearchinthispaperareintheatmosphericboundarylayerwindtunnel,eachcolumnweretestandanalysis,bothtandemcolumnunderdifferentspacing,columnsurfacewindpressurecoefficientsandaerodynamicforcecoefficientofvariationisobtained.Theresultsshowthat(1)theinfluenceofinterferenceeffectonthepostcolumnissignificantlylargerthanthatofthefrontcolumn.Atasmallspacing,theresistancecoefficientoftherearcolumnappearsnegative.(2)Accordingtothewindpressurecoefficientsandmeandragcoefficientandwindpressurecoefficientofvarianceandtheliftcoefficientvariancewithdistancethanchangesind,criticalcolumnspacingislessthan3.0dislessthanorequalto3.5.(3)Betweend=1.5andd=3.5,theupstreammodelofCL，rmsisgreaterthanthedownstreammodel.Butwhend3.5,downstreammodel,CL，rmsishigherthantheupstreammodel.Keywords:twosquarecylindersintandemarrangement;interferenceeffect;windtunneltest;windload;wind-inducedresponse随着科技发展和社会进步，一栋栋高层建筑拔地而起。尤其在许多大都市中，高层建筑分布较为集中，形成了建筑群体，新设计的建筑物往往都将建造在已有的或将要建造的高层建筑之中。周围建筑群体对拟建的建筑物，无论是风压分布还是气动力，都有重要的影响，与以往单体试验结果有较大的差别。因而必须考虑周围建筑群体对拟建的建筑物的影响。1经过研究者的不断研究发现：建筑物之间的风致干扰效应与地貌类型、相对位置、风向角以及施扰建基金项目：国家自然科学基金(51308359)；河北省自然科学项目(E2013210103)；河北省高等学校科学技术研究基金目(QN20131169)作者简介：赵会涛(1990-)，男，河北人，研究生，主要从事多柱体气动力研究(E-mail:[e-mail])*刘小兵(1982-)，男，湖南人，副教授，博士，主要从事桥梁的风致振动与控制研究(E-mail:[e-mail])2筑的个数等因素有关。相邻建筑结构的距离是众多学者研究风致干扰效应的重要参数，大部分研究气动力试验的文献都与建筑结构的空间距离有关[1]。本文研究以建筑群为工程背景，在风洞同步测压的试验的基础上，把高层建筑群抽象成较为规则的多方柱，把方柱近似的当成二维，在均匀流场内对多柱体的气动力和脉动压力进行了较为系列化的试验研究，研究了高层建筑群体风致效应的一般规律。限于篇幅，本文首先讨论了串列双方柱的气动力的研究，至于其他工况（不同风向角、三个方柱和四个方柱）将在以后陆续发表。1试验装置2串列双方柱的气动力试验研究在石家庄铁道大学风工程研究中心进行，风洞气动平面图如图1所示。模型放置在低速试验段，其截面尺寸宽4.38m，高3.0m，长24.0m，最大风速大于30m/s，背景湍流度I≦0.4%[2]。2的试验模型，符号定义及工况2.1试验模型采用长2米，宽0.08米的方柱。模型用有机玻璃制成，在模型表面沿其展向布置5圈测压孔，每圈60个测点。具体布置如图2所示。（a）方柱模型测点布置示意图（单位mm）（b）串列双方柱的排列图（单位mm）图2-1低速试验段方柱模型及测点布置示意图动力段扩散段第一收缩段阻尼网与蜂窝器低速试验段（24m长）高速试验段（5m长×2.2m宽×2m高）第二收缩段平衡缝可移动拐角转盘Ⅰ（试验截面4.38m宽×3m高）转盘Ⅱ轨道导流片图1风洞气动平面图(a)单个模型(b)两个模型32.2符号定义无量纲距离d的符号定义：其中L为两方柱的中心距离，D为模型的边长。如图2-1所示。相对于风轴坐标系中，阻力系数（顺风向）CD、升力系数（横风向）CL分别定义为：其中FD、FL分别为模型受到的阻力和升力。2.2试验工况试验工况如表1表1试验工况风向角无量纲距离d0°1.522.533.544.55673结果和讨论图3和图5给出了不同间距下上游模型风压系数均值和根方差随测点的变化曲线。都与单个模型进行了对比。风压系数均值可以判断断面周围气流的分离和再附情况，风压系数根方差可以反映出模型表面脉动压力的强弱。与此同时，图4和图6给出了不同间距下上游模型和下游模型的阻力系数均值CD和升力系数根方差CL,rms。下面分别进行讨论。3.1风压系数均值和阻力系数均值从图3可以看出在不同间距下的风压系数均值跟单个模型相比均有相同的变化规律。在迎风面上所有间距基本跟单个模型重合在一起。风压系数均值在9-53号测点（背风面和两侧截面）随着间距的变化出现了明显的差别：在d=1.5到d=3之间，随着d的增加偏离单个模型的风压系数均值越来越远；但是在d=3到d=7之间，基本与单个模型没有明显的偏离。风压系数均值在d=3和d=3.5之间发生了明显的跃迁。从图4可以看出下游模型在d3时阻力系数均值为负值。这表明当方柱处于上游方柱的背后时，阻力不但大大减小，甚至在小间距下还会出现反向的推力，前后两柱相吸。这时因为在较小的间距下，从前柱分离的剪切层在附到后柱的侧面，间隙中的压力要低于后柱背风面的压力。从图4也可以看出，前柱的阻力系数比单个方柱小，这时由于在方柱后面比价近的距离内放上另一个方柱，相当于加长了物体的后部，改善了绕流的流态。但是注意到前柱所受到的群体干扰的影响远远小于后柱受到的群体干扰的影响。这和212DDFCUD212LLFCUD图3不同间距下上游模型风压系数均值0102030405060-1.5-1.0-0.50.00.51.0风压系数均值测点编号单个模型d=1.5d=2d=2.5d=3d=3.5d=4d=4.5d=5d=6d=71234567-1.0-0.50.00.51.01.52.02.53.0CDd单个模型上游模型下游模型图4阻力系数均值CD随d变化曲线图2-2低速试验段方柱模型安装实物图4串联双圆柱的结果是一致的[3]。从图3和图4均可以看出在d=3和d=3.5之间，无论是前柱还是后柱风压系数均值和阻力系数均值都有很大的增长。可以认为，在d=3和d=3.5之间存在着一个临界间距，越过临界间距，流态发生了本质性的变化。这和马健[4]得到的存在一个间距比等于3.0~4.0的临界间距一样。这时，前柱的分离剪切层已经不能依附在后柱上，后柱产生了自己的驻点。3.2风压系数根方差和升力系数根方差从图5可以看出在不同间距下的风压系数根方差跟单个模型相比均有相同的变化规律。风压系数根方差在迎风面上d≥3.5基本跟单个模型重合在一起，而在d3.5出现了差异。风压系数根方差在9-53号测点（背风面和两侧截面）随着间距的变化出现了明显的差别：在d=1.5到d=3之间，随着d的增加偏离单个模型的风压系数根方差越来越远；但是在d=3到d=7之间，随着d的增加偏离单个模型的风压系数根方差越来越近。风压系数根方差在d=3和d=3.5之间发生了明显的跃迁。从图6可以看出上下游方柱在临界间距出现跃升，并在d=3.5达到最高值，约为1.5。在d=1.5到d=3.5之间，上游模型的CL，rms大于下游模型。但是当d3.5，两个方柱的升力系数根方差突然升高，这是由于上游模型和下游模型后交替脱落涡的形成和涡形成区缩短的结果。本文试验得到下游模型CL，rms高于前柱，前后方柱动态升力这种变化规律与文献[5]基本一致。该文对这种现象解释为湍流流度对串列双方柱前柱动态升力影响与单方柱和类似，但是和后柱却不同，它不仅受到来流的影响，还受到前柱尾流场中各种复杂因素的影响如湍流度、湍流尺度、涡结构以及流动的相互干扰等等。从图5和图6也得到的了看出在d=3和d=3.5之间，无论是前柱还是后柱风压系数根方差和阻力系数根方差都有一个明显的增大。4结论从以上对串列双方柱测压结果的讨论可以得出以下结论：1.在一般情况下，串列双方柱的后柱受阻挡，阻力减小，在d3时，后柱的阻力甚至为负值，也就是还会受到向前的推力。干扰效应对后柱的影响明显大于前柱的影响。2.根据风压系数和阻力系数均值以及风压系数根方差和升力系数根方差随间距比d的变化，本文给出的临界柱间距的范围为3.0≦d≦3.5。作用双柱体的阻力和升力系数根方差在d=3.5时达到最高值。3.在d=1.5到d=3.5之间，上游模型的CL，rms大于下游模型。但是当d3.5，下游模型CL，rms高于前柱。4.由于实验条件和侧重点不同（如宽高比、地貌条件等），本文的结果补充和丰富了多柱体干扰试验的数据库。参考文献01020304050600.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0风压系数根方差测点编号单个模型d=1.5d=2d=2.5d=3d=3.5d=4d=4.5d=5d=6d=712345670.00.20.40.60.81.01.21.41.6d单个模型上游模型下游模型CL,rms图5不同间距下上游模型风压系数根图6阻力系数根方差CL,rms随d变化曲线5[1]王铁城.空气动力学实验技术[M].北京：航空工业出版社，1995.[2]刘庆宽.多功能大气边界层风洞的设计与建设[J].实验流体力学，2011,25(3)：72-76.[3]ZdrakovichMM.ReviewofflowinterferebetweentowcircularcylindersinvariousarrangementsJFluidsEngng,1997:618-633.[4]马健等.同轴双方柱气动力载荷的相互干扰[J].力学季刊；2000年03期.[5]呼和敖德，孟向阳.串列双方柱流