《设计之声》专栏本期推荐原创作品
◆
◆
◆
作者 |
Aaron Yu
本文来源于其微信公众号“
结构
与风
”
◆
◆
◆
前言
在上半部分对结构风工程的概况和理论进行了简要介绍之后，本次作为下半部分将对风洞试验和CFD数值模拟进行阐述。
风洞试验
在对结构风工程的理论有了一定地认识之后，这一节我们了解一下风洞试验。
首先介绍一下风洞实验室。可能大家都对风洞试验是耳熟能详，但是不一定知道风洞试验室的具体构成和运作方式。风洞试验是的基本组成如下图：
可以看到风洞实验室其实是一个环形的装置，由许多区段组成。其中试验段就是我们进行试验模型放置和地貌模拟的区段，学生和老师做实验的时候进入的就是这个区段。其他区段除了维修一般是没有人进去的。另外动力段里放置着一个巨大的类似于涡轮机的装置，其作用就是产生和提供风，让气流在整个环形实验室内流动。当气流由动力段出发，流经扩散段、稳定段和收缩段，最终来到试验段。为了得到我们需要的风场，我们会对试验段进行特定地布置，以得到我们想要的风场。
整个风洞试验可以简单地概况为以下几个主要步骤组成，如图：
以下对各个步骤作简要介绍：
（1） 确定项目信息
这个步骤就是要确定所要进行风洞实验的建筑的有关信息，包括建筑缩尺模型，建筑所处地区的风场地貌类型等。地貌类型主要是根据结构荷载规范上对风场地貌的四种分类选取。
（2） 模拟风场地貌
在确定风场类型之后，就可以开始模拟风场地貌。风洞试验一般使用挡板、尖劈和粗糙元对地貌进行模拟，如下图：
如图所示，在地面上的方块就是粗糙元，这些粗糙元的摆置方式是根据地貌类型确定的。而在远处三角形和矩形形状的挡板也是用于模拟风场地貌的。总之，通过这些布置可以对风场进行模拟。
（3）通过测量检验并调节风场
在布置完风场之后，我们需要对风场的风速剖面进行测量，测量的仪器有皮托管和cobra探头等。通过获取风场中某些位置的风速时程，我们就可以对这个风场的平均分剖面、湍流度和积分尺度等风场参数进行计算和评估，以确保所得到的风场满足目标风场的要求。如果不满足目标风场的要求，还要回到上一个步骤对风场进行调节。
（4）制作并检查模型
模型制作可以与风场调节同步进行，在确定了建筑的相关信息后，一般由设计方提供建筑的三维模型以及相关二维图纸，然后我们会根据所给三维电子模型进行建筑缩尺模型的制作，当然模型真正地制作也是在我们确定好之后委托模型公司制作的，模型的采用一般为塑料或木材。
在制作模型之前我们要确定模型的缩尺比，也就是模型尺度与实际建筑尺度的比例。缩尺比的确定主要由风洞试验截面的模型堵塞率决定，所谓堵塞率就是建筑模型在风洞截面上的投影面积与风洞截面面积之比，一般不能超过3%。
实际上常用的风洞试验有两类，分别是天平实验和测压实验。天平实验只测量建筑模型的基底弯矩，故不需要在模型上布置测压点，实验过程比较简单和方便，只需把模型接到测力天平上。对于测压实验，在制作模型之前我们需要在建筑模型表面上布置测压点，测压点布置完后便可开始制作模型，而测压实验的模型表面上的每一个测压点都会连接一根测压管。
在现在运用测量方法的情况下，对于测压实验还有一个很重要的步骤，就是在模型制作完成之后，要对每一根测压管进行检查，看是否有堵塞现象。在检查玩测压管后，还要把每根测压管连接到的测量装置上。如下图所示：
另外，除了主体建筑模型之外，建筑周边一定范围内的模型也要制作出来，但这些模型只是用于模拟周围风场，一般只做出大概轮廓即可。
（5） 安放模型
模型制作完毕之后，便可把模型安放都风洞中。如图所示，把建筑模型放在风洞里的转盘里，转盘是可以转动的，这样就可以通过不同地角度获取不同风向角下的风荷载数据。在转盘下面还有管线连接。
（6） 采集、处理数据并整理实验报告
在完成了以上步骤之后便可以可是采集数据。对于测压实验，采集的数据主要是建筑模型各个测压点在各个风向角下所测得的风压时程；而对于天平实验，采集的数据主要是建筑模型三个方向（x,y,扭转）的基底弯矩时程。通过得到的数据便可对建筑结构进行风压分布和风振响应分析，这一部分工作由计算机程序完成。计算分析完成之后，便可以整理出风洞试验报告，以供设计方参考。
我们可以回顾一下第二节，风洞实验作为结构抗风设计的一个重要环节，为结构抗风性能评估提供了数据支持。实际上，有时候会碰到做完风洞试验后修改方案的情况，对于这种情况就需要进行风洞试验，以对新的建筑方案进行抗风方面的评估。
CFD数值模拟
由于风洞实验成本较高，研究人员就想出来运用数值模拟的方法来替代风洞试验，但目前数值模拟的发展程度还没有达到可以取代风洞试验的地步，其原因主要是数值模拟的计算效率和所得结果的精度还没有达到想要的要求。
目前数值模拟可以分为定常模拟和非定常模拟两大类。定常的数值模拟就是对所求物理量作时间上的平均，只能得出来建筑的平均风压结果，主要代表有雷诺平均（RANS）方法。非定常的数值模拟就是把要求的物理量求在每个时间步上出来，最终可以得到该物理量关于时间变化的一段时程，如风压时程，基底弯矩时程或风速时程等。简单来说，非定常的数值模拟其实就是对风洞试验的模拟。通过非定常的数值模拟同样可以得到风压时程或基底弯矩时程并用于结构风振响应的分析。目前非定常数值模拟的主要方法有大涡模拟（LES）和直接模拟（DNS）,而由于后者由于计算耗费巨大，基本很难实现。近年来，大涡模拟（LES）已经越来越广泛地应用到各种工程分析实例中。
CFD数值模拟是建立在计算流体动力学的理论基础上的，故整个模拟过程的主要步骤如下图所示，想知道具体更详细的讲解可以看看有关书籍（如王福军的《计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用》）。
下图给出了典型的网格划分情况：
左边的边界是该计算网格的入口边界，这里是为整个流场提供初始速度的地方。
对于大涡模拟（LES），有一项关键的技术至关重要，它就是湍流入口的生成方法。这一部分工作相当于风洞试验里面的模拟风场的过程，在计算网格入口边界生成一个能够准确模拟大气边界层的湍流场是准确模拟建筑周围湍流场的前提。这个湍流入口也是随时间变化的，其作用是提供一个满足大气边界层湍流的风场。在这方面，国内外已开展了许多研究，有兴趣可以关注一下。下图给出了一个典型的湍流入口速度场：
另外值得一提的是，大涡模拟也需要耗费较大的计算资源，对于工程项目的模拟，目前主要在有一定规模的工作站上使用。
下图显示的是运用大涡模拟对建筑模型附近流场进行模拟的情况，图中给出的是某时刻的速度场：
从图中我们可以看到在建筑后方有漩涡脱落的想象，这些流场现象可以通过数值模拟捕捉到，这也是数值模拟优于风洞试验的地方，可以用于湍流运动机理的研究。
虽然目前CFD数值模拟还不能对建筑结构抗风进行完全定量的分析，但已经有学者把它运用到一些定性的分析中，如不同建筑外形方案的比选，建筑外形优化等，这也是CFD数值模拟一个重要的研究方向。
简单来说，其实CFD数值模拟的终极目标就是研究出一个高效率、高精度的“数值风洞”，并可以用它来取代物理风洞。想象一下，如果未来仅需要一台普通的电脑，就可以在短时间内完成对建筑结构抗风的分析工作，那是怎么样的一种景象，将会节省多少人力物力，可以说将是一种技术的革命！
欢迎关注【结构与风】
本公众号旨在对结构工程和风工程进行一些介绍、探索和思考，
并介绍相关技术和推荐优秀书籍等，
让我们一起来看看风和结构会擦出什么样的火花！
原创 征集
优秀的原创作品，易筑结构官方微信公众号同步推荐 |
