对通过各类房屋的风速与迎风面背风面压差风洞试验研究

摘要：本试验通过对长条形、短墙形、L形及方形等房屋模型进行风洞试验模拟，研究其各参数之间的关系。经研究发现，建筑物内部风速的大小与迎风面背风面的压强差正向相关，但其关系为一个平行四边形的范围内，这对建筑物中风荷载的设计计算有一定的参考价值。

关键词：风洞试验；迎风面背风面压差研究；空气动力学

建筑内部风速（即通风效果大小）与迎风面背风面压强差的关系虽在理论上是有一定函数关系。但是由于实际风场的方向大小时刻改变以及风场的不稳定性引起的扰动，导致建筑内部空气流速与迎风面背风面压强差之间的关系有了很多的不确定性。因此，本试验通过选取几种不同的房屋模型进行风洞试验模拟，研究其各参数之间的关系。在进行建筑结构设计考虑风荷载及通风情况，在满足规范要求的前提下，如何提高建筑通风效果有一定的研究价值。

1 试验准备

1.1 风洞参数与性质

此试验在法国埃菲尔空气动力实验室中进行。该风洞为半开口低速风洞，能拥有产生直径2米范围均匀试验的气流。其速度可以被控制在小范围内进行连续调节（人工调节每05m/s一个速度级）；根据气流遇到的障碍物，其最大速度在气流几乎没有阻挡时，模拟风速可达30m/s。在此风洞中，可以无障碍地对规模比较大的模型进行测试。

对于本试验，上游部分做了一定的障碍物设置以调整其底部速度使其更接近自然风的特点。正如图1、图2所示，在风洞中，根据所在地的实际测量数据模拟出类似于实际地面情况的风场。

1.2 试验其他工具设备准备

此试验还用到了以下的装置：（1）实验室温度计；（2）气压计 ；（3）皮托管；（4）用于测量风动压强的微压计；（5）配置了LABVIEW开发的采集数据软件的计算机；（6）热线风速仪。

1.3 试验模型的准备

此试验中的研究模型为以下四种建筑结构：

1.3.1 长条形建筑

该模型一共设置为7×5的盒子组合，高度为5层，共有35个盒子模拟为35间公寓。测试风向角度为0°到180°。

1.3.2 短墙式建筑

该模型一共设置为3×5的盒子组合，高度为5层，共有15个盒子模拟为15间公寓。测试风向角度为0°到180°。

1.3.3 L形建筑

该模型一共设置为10×5的盒子组合（L每边5×5），高度为5层，共有50个盒子模拟为50间公寓。测试风向角度为0°到360°。

1.3.4 围拢方形建筑

该模型一共设置为20×5的盒子组合（四周每边5×5），高度为5层，共有100个盒子模拟为100间公寓。测试风向角度为0°到360°。

模型单元（比例大小1/100）由一些气密的盒子组成，尺寸为长8cm，宽6cm，高3cm，如图6所示。

模型两端对角线位置有两个宽1.5cm，高2cm的开口。这个开口用以确保满足我国住宅设计规范中对通风开口面积的要求。

盒子是由2mm厚的聚酯板制造的，由瞬干胶密封粘合后组装在一起。前后连接的测压管是由PVC管做成，外径2mm，内径1mm。

1.4 试验方法

根據实验室的具体情况，试验可以同时测量这些盒子中的其中4个待测盒子的前后表明的压强差。通过变化待测盒子的位置，可以得到所有盒子的前后表明的压强差。每个待测盒子表面都在中心位置连接了一个测压管，测压管与压力传感器相连。

对于所有的模型，都设定为5层的建筑。该实验进行每一列测试第二层到第五层的盒子的压强。第一层的盒子误差情况比较大因此不列入考虑。

当进行压强与风速的测量时，通过一列一列盒子的轮番测试，每一列定义为一组（图中记为conf）。对所有的测试组的风向从0°到360°进行改变，每变化15°记录一次数据。

考虑到对称性，对长条形与短墙式建筑模型，只做0°到180°的测试。

2 试验参数说明

2.1 风速大小的调整

试验中风速的选取用对数律的平均风剖面。根据国家规范中10m高度风速的参考值进行相应比例调整到模型中“10m”高度，即实际距离模型底部10cm处的速度选取的。

将调整过得风洞距模型底10cm处风速记作Ve10， 用热线风速仪测得的模型单元风速记作Ve。

2.2 压强系数的测量

本试验的不得在于测量迎风面与背风面的压强相对于大气静压强p0的值。这些值是参照地区10m高度处的风压pref10m得出来的。每个盒子的测量结果都以比值形式呈现（无量纲值）：

测量的其中一个面的系数Kp1=（p1-p0）/pref10m

测量的另一个面系数Kp2=（p2-p0）/pref10m

两个面之间的压强差Kp1/2=Kp2-Kp1

对每个面的系数，取其算术平均值，Kp1（Kp1的平均值），Kp2（Kp2的平均值），Kp（Kp1/2的平均值）。

图7的是流体的方向与Kp的关系，Kp>0表示从外部迎风面流向内部，Kp<0表示的是流体反向流动。Kp接近0不表示没有流动而是流体在每个出入口有来回往复的流动。

该试验中测得的压强是每列模型迎风面与背风面的压强。数据获取时间频率200Hz，30s。根据测得的压强算出平均压强，再将平均压强Kp加入到后续的讨论中。

3 试验结果

盒子的内部平均速度由热线风速仪测得。结果中的Kp表示顺风逆风盒子两面的压强差。统计测试结果如下：

由图8可以看出，在此风洞试验中，所有的速度与压强差的关系都处于一个平行四边形范围中。即随着风速的增长，建筑物迎风面与背风面收到的压强的差值大小的变化范围也在相应的增加，但是其最大压差与最小压差的范围长度是固定的。

4 结论

根据上述试验结果我们可以得到以下的结论：

（1）不管是哪种形式的建筑，建筑内部风速的大小与迎风面背风面的压强差有直接的关系。

（2）由于风速的方向时刻变化，建筑内部风速与压强差之间不是简单的函数关系，而是在一个平行四边形的范围内。

（3）给定某地区风速的时候，通过试验可以得到迎风面背风面压强差的取值范围，对于建筑结构设计中对风荷载的设计有着一定的参考价值。Kp越大，房屋内部空气流速就越大，相对地通风效果就越好。

参考文献：

[1]戴益民，李正农，李秋胜，宋丽莉.低矮房屋的风载特性——近地风剖面变化规律的研究[J].土木工程学报，2009，（03）：4248.

[2]刘军，黄本才.我国规范合理风剖面的建议[J].结构工程师，2000，（02）：1722.

[3]谢壮宁，刘帅，石碧青.低矮房屋标准模型的风洞试验研究[J].华南理工大学学报（自然科学版），2011，（06）：106112.

[4]全涌，严志威，温川阳，方鸿强，顾明.开洞矩形截面超高层建筑局部风压风洞试验研究[J].建筑结构，2011，（04）：113116.

[5]胡晓依，杨飞，邓洪洲.开洞建筑风压分布特性风洞试验研究[J].结构工程师，2008，（03）：102106.

作者简介：赵佳蓓（1989），女，汉族，湖南波阳人，土木工程硕士，现任广州番禺职业技术学院助教。