等離子體激勵對低矮建筑屋面風壓的影響

李正農(nóng), 鄒正韜

(湖南大學(xué)建筑安全與節(jié)能教育部重點實驗室, 長沙 410082)

臺風對我國東南沿海的低矮建筑的破壞程度大,其原因多為流動分離引起的屋面承受風壓較高[1]．為降低低矮建筑風壓常采用設(shè)計合理屋面形狀、改進屋面細部構(gòu)造、使用新型材料等方法．但這些方法存在控制效果不明顯和經(jīng)濟成本高等缺點[2]．與之不同, 流動控制技術(shù)能夠控制物體表面的流動與分離,從源頭上有效改善物體流場環(huán)境,對提高建筑結(jié)構(gòu)抗風能力具有重要作用．基于等離子體的流動控制技術(shù)是極具發(fā)展?jié)摿Φ那把丶夹g(shù)之一．該控制技術(shù)的等離子體激勵器的上、下電極間存在較高電勢差,局部范圍內(nèi)的氣體被電離產(chǎn)生等離子體．在電場力的作用下,等離子體通過與邊界層內(nèi)的中性氣體微粒發(fā)生碰撞以對流場施加可控擾動,從而實現(xiàn)流動控制[3]．該技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的研究和應(yīng)用較為廣泛[4],可以通過控制飛行器表面的氣體流動與分離來達到增升減阻的目的．如Aono等[5]研究了兩種不同形狀的等離子體激勵器對機翼產(chǎn)生的影響, 發(fā)現(xiàn)曲線型激勵器在控制流動分離方面比直線型效果好; Yao等[6]通過研究發(fā)現(xiàn)將等離子體激勵器布置于飛機內(nèi)翼和中翼前緣可使機身最大升力系數(shù)和失速角分別增加37.8%和8°．由于等離子體流動控制技術(shù)具備響應(yīng)時間短、易控制和效果明顯等突出優(yōu)勢[4],近年來其應(yīng)用范圍進一步擴展．如Dong等[7]將等離子體激勵裝置應(yīng)用于高速列車的氣流控制,發(fā)現(xiàn)減阻效果明顯; Kopiev等[8]指出隨著尾流寬度和湍流水平的降低,等離子體激勵器可以將圓柱體的渦流噪聲降低10 dB．但是目前還未見等離子體流動控制技術(shù)在建筑抗風領(lǐng)域的研究報道．航空器屬于流線體,且航空領(lǐng)域等離子體激勵器工作時的來流湍流度低于0.5%;而實際低矮建筑物為非流線體且所在近地面湍流度高于10%．為證明等離子體流動控制技術(shù)在建筑抗風領(lǐng)域應(yīng)用的可行性,本文以低矮建筑模型為研究對象,結(jié)合沿海區(qū)域房屋的真實受風環(huán)境,通過風洞試驗研究不同等離子體激勵施加方式在不同屋面來流風速下,對屋面風壓的控制效果．結(jié)果可為等離子體流動控制技術(shù)在建筑抗風領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論和試驗基礎(chǔ)．

1 試驗概況

1.1 風洞及數(shù)據(jù)采集設(shè)備

試驗在湖南大學(xué)HD-3大氣邊界層風洞進行．風洞試驗段正截面寬3.0 m、高2.5 m, 風速在0.5～25.0 m·s-1范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)．借助眼鏡蛇探頭進行風場調(diào)試,采樣頻率500 Hz．此外,利用PSI電子壓力掃描閥系統(tǒng)進行風壓數(shù)據(jù)的測量,采樣頻率為312.5 Hz．

1.2 低矮建筑模型

圖1 低矮建筑模型幾何尺寸

低矮建筑模型的屋面坡角為18.4°．經(jīng)檢驗,模型的阻塞比遠小于5%,幾何縮尺比1∶40, 試驗風速縮尺比1∶2, 對應(yīng)的時間縮尺比1∶20, 模型的屋面高度為170.75 mm, 詳細的低矮建筑模型幾何尺寸如圖1所示．

圖2 非對稱式SDBD等離子體激勵器構(gòu)造示意圖

1.3 SDBD等離子體激勵裝置

圖2為非對稱式沿面介質(zhì)阻擋放電(surface dielectric barrier discharge, SDBD)等離子體激勵器的構(gòu)造示意圖．該激勵器由三部分構(gòu)成: 上電極、絕緣層和下電極．上(正)電極與電源高壓輸出端相連;下(負)電極同電源低壓輸出端相連．試驗通過電源控制系統(tǒng)向SDBD等離子體激勵器提供能量, 以保證電極間具有較高電勢差并產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體激勵．電源控制系統(tǒng)的輸出電壓和輸出頻率分別在0～30 kV、5～20 kHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào), 由示波器讀取上下電極間的峰峰電壓值Vpp和頻率f分別為12 kV和6 kHz．

圖3 不同等離子體激勵器布置方式的屋面中軸線剖面圖

1.4 試驗設(shè)計

低矮建筑的整個屋面通過兩塊絕緣平板拼接而成, 其制作材料和等離子體激勵器絕緣層相同．因此, 試驗時在屋面的激勵處設(shè)置上下電極條并通電即可使電極間產(chǎn)生的空氣等離子體發(fā)生定向運動, 形成平行于屋面的等離子體射流．圖3為兩種等離子體激勵器布置方式的屋面中軸線剖面圖．試驗采用的電極由銅片制作,長、寬、厚分別為184 mm、4 mm、0.1 mm．位于屋蓋上、下表面的正、負銅電極構(gòu)成一組電極對, 它們之間的中心距離為4 mm．調(diào)整上下電極條沿順風向的前后位置, 可在屋面生成順流向(方式a)或逆流向(方式b)的等離子體．須說明的是, 盡管等離子體激勵器的兩電極間具有足夠高的電壓, 但由于其產(chǎn)生的電場影響范圍非常有限, 故不會對周邊環(huán)境的安全構(gòu)成威脅．屋面等離子體激勵器布置及測點位置如圖4所示．基于對稱原則在屋面共布置72個測點, 來流風與迎風墻面垂直, 即來流風向角θ為0°．

圖4 屋面等離子體激勵器布置及測點位置圖

1.5 風場設(shè)置及試驗工況

圖5 風場測試位置示意圖(a)和現(xiàn)場照片(b)

圖6 湍流強度曲線

1.6 風洞數(shù)據(jù)處理

2 風洞試驗

2.1 屋面測點平均局部體型系數(shù)

明確測點平均局部體型系數(shù)在不同屋面風速下的分布規(guī)律, 是合理選擇激勵器安裝位置, 取得良好屋面風壓控制效果的前提．圖7為不施加激勵時, A、B類風場在不同屋面風速下, 各測點對應(yīng)的平均局部體型系數(shù)．由圖7可知, 屋面測點的平均局部體型系數(shù)在-0.77～-0.23范圍內(nèi)．在不同屋面來流風速下, 相同測點的平均局部體型系數(shù)均較接近且為負值, 說明平均局部體型系數(shù)與風速和湍流度無關(guān)且屋面受到的平均風壓始終為負壓．同時，屋面前緣測點平均局部體型系數(shù)在整個屋面測點中最小, 說明屋面前緣受到的負壓遠大于屋面其他部位．然而, 背風坡測點平均局部體型系數(shù)的最大與最小值差距不大, 背風坡測點負壓波動很?。b于任意來流風速下, 屋蓋中總是屋面前緣受到的負壓最高, 故在此處添加等離子體激勵進行風壓控制．

圖7 無激勵下各工況中測點的平均局部體型系數(shù)

2.2 等離子激勵下屋面測點平均局部體型系數(shù)

經(jīng)分析,A、B類風場中,不同屋面來流風速下, 同種激勵方式對測點平均局部體型系數(shù)的影響規(guī)律相似, 故圖8以屋面來流風速為4 m·s-1為代表分析兩類風場在激勵前后測點的平均局部體型系數(shù)變化情況．圖8顯示, 施加激勵前后的測點平均局部體型系數(shù)具有明顯差異．激勵方式a中, 激勵前后的平均局部體型系數(shù)變化量Δμ基本小于0; 而激勵方式b中, Δμ基本大于0．說明兩種等離子體激勵施加方法均能夠改變屋面風壓, 且激勵方式a使屋面負壓降低, 激勵方式b使屋面負壓增大．其根本原因在于施加在屋面前緣的等離子體激勵能夠通過干擾局部流場而影響其他位置的流場分布, 導(dǎo)致屋面風壓的改變．圖8還顯示, 在施加激勵的情況下,隨著測點離屋面前緣距離的增大, 其平均局部體型系數(shù)變化量的絕對值總體呈減小趨勢, 兩種激勵施加方式對迎風坡風壓的影響均大于背風坡且在屋面前緣附近最為顯著．

圖8 來流風速4 m·s-1時激勵前后測點的平均局部體型系數(shù)

2.3 屋面前緣附近測點平均局部體型系數(shù)變化情況

由于屋面前緣負壓為全屋面最高, 故對其進行重點風壓控制, 進一步分析兩種激勵方式對屋面前緣風壓的控制效果隨風速改變的變化規(guī)律．表1給出了各工況對應(yīng)的9個屋面前緣測點中, 平均局部體型系數(shù)變化率最大值ηs,max．由表1可見,在A、B類風場中, 兩種激勵方式對測點負壓的控制效果會隨屋面來流風速的提高而下降; 屋面來流風速相同的情況下, 采用激勵方式a對屋面前緣風壓進行控制時, A類風場的控制效果小于B類風場, 而采用方式b時A類風場的控制效果大于B類風場．圖9為兩類風場下, 屋面前緣拐角處1、2、10號測點平均局部體型系數(shù)變化率的均值及屋面中軸線上5、14號測點平均局部體型系數(shù)變化率均值隨屋面風速增加的變化情況．圖9表明, 在同一風場下, 當屋面來流風速和激勵施加方式相同時, 前緣拐角測點的平均局部體型系數(shù)變化率的均值高于中軸線上測點的均值．說明在屋面前緣附近, 激勵對拐角處風壓的控制效果優(yōu)于中部,即在屋面前緣流動分離和旋渦脫落較劇烈的拐角位置布設(shè)激勵裝置,對該處風壓的控制效果較好．

圖9 不同激勵方式屋面測點平均局部體型系數(shù)變化率

表1 1至9號測點平均局部體型系數(shù)變化率最大值

等離子體激勵對屋面前緣負壓產(chǎn)生上述影響,是因為等離子體激勵裝置引發(fā)的碰撞效應(yīng)[9]能夠控制旋渦流場,影響屋面前緣旋渦的產(chǎn)生并改變旋渦脫落的位置[10]．在本試驗中具體表現(xiàn)為:當來流運動至屋面前緣時會發(fā)生流動分離, 隨后出現(xiàn)旋渦脫落并使該部位受到較高負壓[11]．由于方式a施加的順流向等離子體激勵與該位置近壁面邊界層內(nèi)的流體運動方向相同,所以流體分子在等離子體的撞擊作用下增加了動能, 使邊界層流體獲得更多能量供應(yīng)[12], 導(dǎo)致流動分離消失或分離點位置順流向后移[13]．邊界層內(nèi)因缺少與來流方向相反的回流,所以旋渦的形成被抑制或者旋渦脫落的位置從屋面前緣順流后移, 結(jié)果旋渦脫落對前緣的影響程度減弱,出現(xiàn)負壓降低．而方式b施加的逆流向激勵則對該位置邊界層流體分子的運動起減速作用,甚至使邊界層內(nèi)出現(xiàn)回流．所以邊界層在屋面前緣分離點的位置會逆流向前移,導(dǎo)致分離區(qū)進一步擴大,不僅增加了回流旋渦的強度,且使旋渦覆蓋整個屋面前緣,最后導(dǎo)致負壓增大．

根據(jù)文獻[10], 當激勵器上下電極間的電壓值及其頻率不變時,由激勵裝置產(chǎn)生的激勵強度為定值．因此,等離子體撞擊輸送給流場的能量不變時,隨著來流風速的增加,其在來流總能量中的占比下降[14],導(dǎo)致撞擊效應(yīng)改變旋渦脫落位置的幅度及改變旋渦脫落強弱程度減?。栽陲L速增加時,兩種激勵方式對風壓的控制效果均會減弱[12]．但可通過增大施加激勵強度的辦法,增強控制效果[12,14],避免屋面因風速較大而遭到破壞．

3 結(jié)論

本文在A、B兩類風場中對低矮建筑模型進行風洞試驗．在屋面來流的湍流度相同、風速不同的各工況下,開展基于等離子體激勵的屋面風壓控制研究,分別在屋面前緣施加順風向和逆風向等離子體激勵,對比施加激勵前后屋面測點的平均局部體型系數(shù),得到以下結(jié)論:

1) 無激勵條件下,盡管屋面來流風速有所變化,但是相同測點的平均局部體型系數(shù)比較接近且均為負值．屋面前緣負壓在整個屋面中最高．

2) 在不同的屋面來流風速情況下,兩種施加等離子體激勵的方式均能夠改變屋面風壓．順風向等離子體激勵可降低屋面前緣測點負壓;逆風向激勵可增大屋面前緣測點負壓．

3) 隨屋面來流風速的增大, 兩種激勵施加方式對屋面前緣負壓的影響程度均會降低．

4) 在近地風場中, 當屋面高度處的湍流度約為13.16%或15.77%時, 等離子體激勵裝置表現(xiàn)出的工作性能良好, 可用于進行低矮房屋的屋面局部風壓控制．