本發(fā)明涉及風(fēng)洞模擬，具體涉及一種模擬大氣邊界層偏轉(zhuǎn)風(fēng)效應(yīng)的風(fēng)洞試驗裝置和方法。

背景技術(shù)：

1、大氣邊界層中風(fēng)向受科里奧利力影響隨著高度發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角遵循ekman螺線。目前由于實測數(shù)據(jù)和有關(guān)研究相對欠缺，在國內(nèi)外設(shè)計規(guī)范例如《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中均假設(shè)風(fēng)向不隨高度變化。結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究和抗風(fēng)設(shè)計中也通常不考慮大氣邊界層風(fēng)向隨高度偏轉(zhuǎn)這一重要特征，而是簡化假定來流方向在整個梯度風(fēng)高度保持不變。事實上，對于高度接近梯度風(fēng)高度的超高層建筑，甚至超過大氣邊界層高度的千米級超高層建筑，在結(jié)構(gòu)分析中有必要評估風(fēng)向隨高度偏轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)抗風(fēng)安全性和舒適性等產(chǎn)生的影響。

2、風(fēng)洞試驗是在實驗室環(huán)境下基于一定的相似準(zhǔn)則模擬大氣邊界層風(fēng)場特征和對建筑結(jié)構(gòu)作用的傳統(tǒng)手段，是目前建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究中最主要的方法，可在人工控制條件下真實模擬和再現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)。因此，在風(fēng)洞試驗中準(zhǔn)確模擬偏轉(zhuǎn)風(fēng)場，是研究偏轉(zhuǎn)風(fēng)對超高層建筑結(jié)構(gòu)的作用、并指導(dǎo)超高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計的必要前提。

3、目前針對偏轉(zhuǎn)風(fēng)的風(fēng)洞試驗研究中，大多采用傳統(tǒng)方法，將導(dǎo)流板設(shè)計成矩形長條截面，通過調(diào)整導(dǎo)流板堆疊形狀、調(diào)整粗糙元和尖劈等位置，以期在風(fēng)洞中生成具有給定風(fēng)向偏轉(zhuǎn)特征的風(fēng)場。然而，采用這種方法生成的偏轉(zhuǎn)風(fēng)場，實際是一種“湊”的被動設(shè)計方法，其模擬的風(fēng)場信息在試驗之前是未知的，不能有效控制風(fēng)向的偏轉(zhuǎn)角度(風(fēng)場的風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角度往往小于導(dǎo)流板初始設(shè)計值)；并且實際上這種導(dǎo)流板難以準(zhǔn)確生成目標(biāo)風(fēng)向剖面，其主要原因在于矩形截面導(dǎo)流板的固有缺陷。這種導(dǎo)流板本身為鈍體結(jié)構(gòu)，使得來流風(fēng)產(chǎn)生非預(yù)期的流動分離，起不到導(dǎo)流的作用，導(dǎo)致所模擬的風(fēng)場無法發(fā)生所設(shè)定的偏轉(zhuǎn)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種模擬大氣邊界層偏轉(zhuǎn)風(fēng)效應(yīng)的風(fēng)洞試驗裝置和方法，該方法能夠在數(shù)值模擬的風(fēng)洞試驗中生成具有目標(biāo)風(fēng)場特征的偏轉(zhuǎn)風(fēng)場，確保風(fēng)場信息在風(fēng)洞試驗之前是可以預(yù)見的，為風(fēng)洞試驗中的導(dǎo)流板預(yù)先設(shè)計提供了重要依據(jù)。同時，由本發(fā)明方法得到的規(guī)律及結(jié)果也為后續(xù)風(fēng)洞試驗中目標(biāo)風(fēng)場的調(diào)試工作提供重要參考，大幅度減少風(fēng)洞試驗所花費的時間，有助于在風(fēng)洞試驗中開展偏轉(zhuǎn)風(fēng)對超高層建筑結(jié)構(gòu)的影響研究。

2、一種模擬大氣邊界層偏轉(zhuǎn)風(fēng)效應(yīng)的風(fēng)洞試驗方法，包括：

3、構(gòu)建風(fēng)洞實驗的計算域；

4、構(gòu)建導(dǎo)流板模型；

5、將所述導(dǎo)流板模型導(dǎo)入所述計算域中，調(diào)整設(shè)計參數(shù)得到具有目標(biāo)風(fēng)場特征的偏轉(zhuǎn)風(fēng)場。

6、優(yōu)選地，所述構(gòu)建風(fēng)洞實驗的計算域包括：

7、采用二方程的sst?k-ω模型構(gòu)建湍流模型；

8、根據(jù)風(fēng)洞試驗段尺寸建立1:1計算域，數(shù)值模擬幾何縮尺比與擬開展的風(fēng)洞試驗保持一致；

9、根據(jù)入流邊界的風(fēng)速、湍動能及比耗散率模擬平衡態(tài)邊界層風(fēng)場的數(shù)學(xué)模型。

10、優(yōu)選地，所述根據(jù)入流邊界的風(fēng)速、湍動能及比耗散率模擬平衡態(tài)邊界層風(fēng)場的數(shù)學(xué)模型包括：

11、

12、其中，u為平均風(fēng)速，單位m/s；z為離地高度，單位m；ur為參考高度風(fēng)速，單位m/s；zr為參考高度，單位m；a為無量綱地面粗糙度指數(shù)；ls為無量綱幾何縮尺比；k為湍動能，單位m2/s2；d1和d2為常數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場實測或風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)擬合得到；ω為比耗散率，單位s-1；cμ為湍流模型常數(shù)，取值0.028。

13、優(yōu)選地，所述構(gòu)建導(dǎo)流板模型包括：

14、將所述導(dǎo)流板模型分為非旋轉(zhuǎn)區(qū)與旋轉(zhuǎn)區(qū)兩部分，采用流線型設(shè)計使風(fēng)場按照初始設(shè)計角度發(fā)生偏轉(zhuǎn)；

15、根據(jù)naca四位數(shù)翼型模型設(shè)計導(dǎo)流板截面；

16、根據(jù)ekman螺線模型構(gòu)建導(dǎo)流板旋轉(zhuǎn)區(qū)的角度變化。

17、優(yōu)選地，所述根據(jù)naca四位數(shù)翼型模型設(shè)計導(dǎo)流板截面包括：

18、

19、xupper＝x-ytsinα

20、xlower＝x-ytsinα

21、yupper＝y(tǒng)c+yt?cosα

22、ylower＝y(tǒng)c-yt?cosα

23、

24、其中：yc為彎度分布中心線的y坐標(biāo)；m為最大彎度；p為最大彎度位置；t為最大厚度；c為弦長，單位m；yt為厚度分布；xupper、xlower、yupper和ylower分別為翼型上下表面的x和y坐標(biāo)軸分布。

25、優(yōu)選地，所述根據(jù)ekman螺線模型構(gòu)建導(dǎo)流板旋轉(zhuǎn)區(qū)的角度變化包括：

26、將ekman中不同高度的風(fēng)偏角簡化為緯度與高度的冪函數(shù)乘積，表示為：

27、

28、其中，ω為維度；z為離地高度，單位m；zr為參考高度，單位m；ls為無量綱幾何縮尺比。

29、優(yōu)選地，所述將所述導(dǎo)流板模型導(dǎo)入所述計算域中，調(diào)整設(shè)計參數(shù)得到具有目標(biāo)風(fēng)場特征的偏轉(zhuǎn)風(fēng)場包括：

30、采用控制變量的多參數(shù)調(diào)整方案，調(diào)整導(dǎo)流板數(shù)量、位置、偏轉(zhuǎn)角度參數(shù)得到具有目標(biāo)風(fēng)場特征的偏轉(zhuǎn)風(fēng)場。

31、優(yōu)選地，所述構(gòu)建導(dǎo)流板模型還包括：

32、在導(dǎo)流板的不同高度采用不同的naca翼型截面。

33、一種模擬大氣邊界層偏轉(zhuǎn)風(fēng)效應(yīng)的風(fēng)洞試驗裝置，包括：

34、計算域構(gòu)建模塊，用于構(gòu)建風(fēng)洞實驗的計算域；

35、導(dǎo)流板構(gòu)建模塊，用于構(gòu)建流線型導(dǎo)流板模型；

36、風(fēng)洞實驗?zāi)K，用于將所述導(dǎo)流板模型導(dǎo)入所述計算域中，調(diào)整設(shè)計參數(shù)得到具有目標(biāo)風(fēng)場特征的偏轉(zhuǎn)風(fēng)場。

37、一種電子設(shè)備，包括：芯片、處理器和存儲器，所述存儲器用于存儲計算機程序代碼，所述計算機程序代碼包括計算機指令，在所述芯片執(zhí)行所述計算機指令的情況下，所述電子設(shè)備執(zhí)行一種模擬大氣邊界層偏轉(zhuǎn)風(fēng)效應(yīng)的風(fēng)洞試驗方法。

38、本發(fā)明的有益效果在于：1.本發(fā)明采用基于新的邊界條件數(shù)學(xué)模型的cfd方法來近似模擬風(fēng)洞試驗狀況，能夠獲取較為準(zhǔn)確的完整流場信息，這是風(fēng)洞試驗所不具備的優(yōu)勢，便于實現(xiàn)導(dǎo)流板位置、數(shù)量和外形等參數(shù)的精細(xì)化設(shè)計。同時，能夠較為準(zhǔn)確的獲得目標(biāo)位置(附圖1的o點位置)周圍的偏轉(zhuǎn)風(fēng)場的風(fēng)向偏轉(zhuǎn)狀況，為后續(xù)研究偏轉(zhuǎn)風(fēng)對超高層建筑結(jié)構(gòu)的影響提供重要前提條件。2.本發(fā)明區(qū)別以往采用簡單的矩形長條截面，本發(fā)明采用naca流線型翼型，提出了一種新的流線型導(dǎo)流板外形設(shè)計理念，能夠有效緩解導(dǎo)流板在旋轉(zhuǎn)區(qū)域產(chǎn)生的流動分離，使風(fēng)場能夠較好的按照初始設(shè)計角度發(fā)生偏轉(zhuǎn)。3.本發(fā)明采用控制變量的多參數(shù)調(diào)整方案，通過大量cfd工況，能夠詳細(xì)分析導(dǎo)流板的不同設(shè)計參數(shù)對偏轉(zhuǎn)風(fēng)場產(chǎn)生的影響，總結(jié)不同參數(shù)對風(fēng)場變化的影響規(guī)律，以此實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)風(fēng)場的準(zhǔn)確模擬。4.本發(fā)明基于cfd指導(dǎo)的導(dǎo)流板設(shè)計方法，通過調(diào)整導(dǎo)流板設(shè)計參數(shù)，可以產(chǎn)生預(yù)期的風(fēng)向剖面，能夠在數(shù)值模擬的風(fēng)洞試驗中生成具有目標(biāo)風(fēng)場特征的偏轉(zhuǎn)風(fēng)場，確保風(fēng)場信息在風(fēng)洞試驗之前是可以預(yù)見的，滿足開展高層建筑偏轉(zhuǎn)風(fēng)效應(yīng)科學(xué)研究的需求，為風(fēng)洞試驗中的導(dǎo)流板預(yù)先設(shè)計提供了科學(xué)依據(jù)。同時，該設(shè)計方法總結(jié)的不同導(dǎo)流板參數(shù)對風(fēng)場變化的影響規(guī)律，也能為后續(xù)風(fēng)洞試驗中目標(biāo)風(fēng)場的調(diào)試工作提供重要參考，大幅度減少風(fēng)洞試驗所花費的時間。