利用旋渦發(fā)生器減小大跨方形平屋蓋風吸力的實驗研究

張洪福，劉婷婷，周蕾

(1. 東北林業(yè)大學 土木工程學院，黑龍江 哈爾濱，150040；2. 香港科技大學 土木與環(huán)境工程學院，中國 香港，999077)

風災一直是自然界最常見的災害之一，極端風天氣每年都會給經(jīng)濟造成巨大的破壞。其中，對住宅、商業(yè)和工業(yè)結(jié)構(gòu)等大跨建筑的破壞造成的損失占風災總損失的較大部分[1]。研究大跨建筑的抗風是十分必要的。然而對于大跨建筑來說，屋蓋是建筑發(fā)生破壞的起始部位，風敏感性較強，總是受到很強的風吸力。

由于屋蓋邊緣的幾何突變，流動分離總是發(fā)生在屋頂前緣附近，并伴隨著各種流動結(jié)構(gòu)的形成，其中最著名的是柱狀渦和錐狀渦[2]。這兩種流動結(jié)構(gòu)在高風速下會導致屋蓋上的強風吸力，使得屋蓋遭受破壞[3-5]，且相對柱狀渦而言，錐狀渦的作用形態(tài)更為復雜，破壞性更強[6]。一方面，屋蓋破壞形式主要是負風壓吸力導致的掀翻破壞，進而使得建筑的整體結(jié)構(gòu)損壞，所以，降低相應部位的極值負風壓是提高大跨屋蓋結(jié)構(gòu)抗風能力的關鍵。另一方面，風向角對風荷載的影響較大，在不同風向角下，屋蓋的分離氣泡和錐形旋渦的作用特性不同[7-8]，屋蓋常在最不利風向角下遭受破壞。

氣動措施是控制流動分離和漩渦脫落的有效方法。氣動控制分為主動氣動控制和被動氣動控制兩種。主動氣動控制是借助外界輔助能量，在建筑物附近局部流場中施加適當?shù)臄_動形式來控制邊界層流動，進而改善建筑物全局流場。馬冬[9]通過風洞實驗和數(shù)值模擬將等離子體流動控制應用于低矮房屋上，發(fā)現(xiàn)等離子體射流能對屋面的平均風壓系數(shù)產(chǎn)生明顯的影響。被動氣動控制往往是通過改變建筑結(jié)構(gòu)的氣動外形來實現(xiàn)氣動控制的目的，過程中不需要任何輔助能量的輸入。例如，在屋蓋處添加擾流板，多孔護欄及修建特殊形狀的女兒墻等被動控制方式改變屋蓋風場。被動控制技術較主動控制技術的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，無需添加額外的能量消耗裝置，節(jié)省能源。KOPP等[10]研究了在屋頂安裝各種護欄來減少角部面積平均荷載方面的效果。其中，擾流板和多孔連續(xù)護欄表現(xiàn)最好，在屋頂拐角處的峰值壓力系數(shù)分別減少了44%和56%。BANKS[11]在風洞中對模型采用了幾種改造緩解技術，包括在屋頂安裝擾流板、多孔網(wǎng)狀護欄、圓孔多孔護欄、板柵多孔護欄、和實心護欄等，發(fā)現(xiàn)這些裝置通過抑制氣流分離，可以減緩屋頂上的旋渦作用，其中擾流板產(chǎn)生的效果較好。由此可見，相較于傳統(tǒng)的被動裝置，擾流板的減壓效果更好，且安裝簡便，是優(yōu)先選擇的被動裝置。周顯鵬[12]通過采用風洞實驗及CFD 數(shù)值模擬的方法研究了擾流板高度和寬度對典型低矮建筑雙坡屋面風壓的影響。甘石等[13]利用風洞試驗研究了擾流板寬度，高度和角度對雙坡房屋屋面風壓的影響，發(fā)現(xiàn)擾流板能有效地降低屋面的平均風壓和峰值負壓。WU[14]通過現(xiàn)場實測試驗和風洞試驗，研究了擾流板對與平坡屋頂房屋的影響。然而，目前國內(nèi)外對擾流板的研究多以改進傳統(tǒng)的建筑構(gòu)件為主，難免造成材料的浪費?？紤]到部分節(jié)能型建筑的平屋頂上安裝光伏板等集能裝置，在屋蓋上安裝傳統(tǒng)的擾流板對太陽能的收集有很大影響，需要開發(fā)一種實用的新型擾流裝置來滿足現(xiàn)代住房的需求。

旋渦發(fā)生器(PVG)是一種高效的邊界層分離控制裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便等優(yōu)點。在來流風的作用下，PVG 可生成一對反向旋轉(zhuǎn)的流向渦，該類渦結(jié)構(gòu)可有效擾亂或破壞大尺度渦[15]，因此PVG 具有削弱引發(fā)極值風壓的錐形渦和柱狀渦的潛質(zhì)， 進而可減小平屋蓋風吸力。MANOLESOS 等[16]將旋渦發(fā)生器安裝在風力渦輪機葉片機翼上進行風洞試驗，發(fā)現(xiàn)旋渦發(fā)生器可以有效地延遲或抑制機翼上的分離現(xiàn)象。高峰等[17]利用數(shù)值模擬的方法研究了安裝在超燃沖壓發(fā)動機隔離段的多種微型旋渦發(fā)生器的流動控制性能，發(fā)現(xiàn)隨著微型渦流發(fā)生器后緣寬度增加，隔離段的抗反壓能力有較大提升，流場質(zhì)量有所改善。XIN等[18]通過風洞試驗的方法將旋渦發(fā)生器安裝在橋梁下表面來抑制橋梁的渦激振動，發(fā)現(xiàn)旋渦發(fā)生器在合適的尺寸和展向安裝間距下，可以完全抑制橋梁的豎向渦激振動和扭轉(zhuǎn)振動。鑒于此，本文作者通過風洞試驗方法，將被動式旋渦發(fā)生器(PVG)安裝在大跨平屋蓋建筑的屋檐上，研究旋渦發(fā)生器(PVG)對屋蓋負風壓的抑制效果。

1 風洞試驗

1.1 試驗條件

風洞試驗在東北林業(yè)大學風洞實驗室進行，風洞試驗段截面寬×高×長為0.8 m×1.0 m×5.0 m。風洞試驗采用尖劈、地毯、粗糙元來模擬大氣邊界層流場。大氣邊界層流場參考GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[19]規(guī)定的B 類地貌，地面粗糙度指數(shù)α=0.16，模型頂部的紊流度I約為11.2%，風洞試驗的參考速度U0為8.6 m/s。圖1 所示為風洞試驗布置圖。試驗中大氣邊界層模擬試驗測得的平均風速曲線和湍流強度曲線與中國規(guī)范規(guī)定的參考曲線擬合良好，如圖2所示。

圖1 風洞試驗布置圖Fig. 1 Layout of wind tunnel test

圖2 風速和湍流強度剖面與中國規(guī)范對比Fig. 2 Comparison of wind speed and turbulence intensity profiles with Chinese code

1.2 試驗模型

在強風作用下，迎風前緣屋檐處由于流動分離產(chǎn)生柱狀渦和錐形渦，使得屋面受到巨大的負壓，導致屋蓋被掀翻。本文將旋渦發(fā)生器放置在發(fā)生流動分離的屋檐位置。試驗中大跨建筑長×寬×高為36 m×36 m×36 m，如圖3所示。將屋蓋處的高度作為試驗的參考高度，屋蓋類型為平屋蓋。本試驗中建筑模型的幾何比例為1∶244，同時滿足風洞阻塞率。屋蓋的測點編號布置及來流方向如圖4 所示，在屋面上共設置96 個測點，在迎風前緣和角部區(qū)域適度加密。試驗中風向角的間隔取15°，從0°～90°分別測量7 個不同風向角下屋蓋表面的風壓。風壓的采樣頻率為500 Hz，采樣時間為30 s。圖5所示為旋渦發(fā)生器的幾何參數(shù)，如旋渦發(fā)生器長度L，旋渦發(fā)生器高度H，旋渦發(fā)生器安裝間距R以及旋渦發(fā)生器的安裝角度β，旋渦發(fā)生器工作原理圖見圖6。

圖3 模型幾何尺寸示意圖Fig. 3 Model geometry diagram

圖4 測點布置示意圖Fig. 4 Schematic layout of measurement points

圖5 旋渦發(fā)生器幾何參數(shù)示意圖Fig. 5 Schematic diagram of geometric parameters of PVGs

圖6 旋渦發(fā)生器工作機理Fig. 6 PVG working mechanism

2 數(shù)據(jù)處理與驗證

2.1 數(shù)據(jù)處理方法

2.2 試驗驗證

為了驗證試驗結(jié)果的正確性，將不加旋渦發(fā)生器(PVG)屋蓋試驗數(shù)據(jù)與東京工藝大學(TPU)測壓試驗數(shù)據(jù)進行對比[21]。TPU 試驗模型與本試驗模型相似，為邊長16 cm的立方體平屋蓋模型，縮尺比為1∶100。TPU 試驗模擬日本規(guī)范中Ⅲ類地貌條件，粗糙度指數(shù)為0.2。本試驗模型屋蓋平均風壓系數(shù)和極值壓力系數(shù)與TPU試驗進行對比如圖7所示。

圖7 本次試驗模型與TPU試驗模型屋蓋平均壓力系數(shù)對比Fig. 7 Comparison of mean pressure coefficient of current test model and TPU test model roof

由圖7可見：0°風向角下模型屋蓋平均風壓分布與TPU 試驗結(jié)果相似，全屋蓋受負壓作用，其中迎風前緣所受負壓最大，由迎風前緣向屋蓋內(nèi)側(cè)遞減，這符合平屋蓋風壓分布規(guī)律[22]。0°風向角下模型屋蓋迎風前緣所受負壓略小于TPU 模型試驗數(shù)據(jù)，這一方面是由于本試驗模型略小于TPU試驗模型，另一方面本試驗模擬地貌曲線也與日本規(guī)范略有差異。總體來說，本次風洞試驗結(jié)果與相關研究學者的風洞試驗結(jié)果基本一致，證明本次風洞試驗結(jié)果是可靠的。

3 結(jié)果與討論

3.1 旋渦發(fā)生器(PVG)的氣動控制效果

由于屋頂轉(zhuǎn)角區(qū)域所受的負壓高于其內(nèi)部的壓力，所以劃分出屋蓋一側(cè)角部區(qū)域，如圖4 所示。為了研究PVG 在不同風向角下的氣動控制效果，將PVG 安裝在平屋頂模型屋檐處，其中PVG長L=1.5 cm，高H=1.0 cm，間距R=2 cm，在屋蓋4 個轉(zhuǎn)角附近對稱布置，安裝角度β=60°和120°，共安裝24個PVG，觀察屋頂?shù)臉O值風壓變化情況。圖8 所示為安裝PVG 和未安裝PVG 情況下的極值壓力系數(shù)和角部面積平均極值風壓系數(shù)的變化，風向角范圍為0°～90°(間隔15°)。從圖8 可以看出：未安裝PVG 時，屋蓋大部分極值風壓發(fā)生在轉(zhuǎn)角區(qū)域。屋頂在0°風向和90°風向下受到的風吸力小于其他風向角下受到的風吸力，這說明屋頂對傾斜風向更為敏感。極值壓力系數(shù)曲線呈對稱分布，在45°風向角下測點11 位置處的極值壓力系數(shù)最小，此時極值壓力系數(shù)為-4.72，45°風向角為最不利風向角。角部面積平均極值風壓系數(shù)在30°～60°風向角下所受的風吸力較大，均超過-2.78。

圖8 極值壓力系數(shù)和角部面積平均極值風壓系數(shù)隨風向角的變化Fig. 8 Variation of extreme pressure coefficient and corner average extreme wind pressure coefficient with wind direction

在安裝PVG 后，屋蓋在傾斜風向角下的極值風壓有明顯的降低，極值壓力系數(shù)控制在-2.00 以下，最大減小幅度可達59%，角部面積平均極值風壓系數(shù)在傾斜風向角下也明顯降低，最大減小幅度達到57%。這是由于在30°～60°傾斜風向角下，屋蓋迎風角部區(qū)域受錐形旋渦的影響較大，使得此處產(chǎn)生了較大的風吸力，而安裝在角部區(qū)域的PVG產(chǎn)生的順流向渦干擾了錐形旋渦的形成，摻混了迎風前緣邊界層內(nèi)的氣流，減小了該區(qū)域的風壓。可見旋渦發(fā)生器(PVG)可以有效減小平屋蓋的極值風壓。

3.2 旋渦發(fā)生器(PVG)幾何因素的影響

為了研究PVG 的幾何因素對平屋蓋風壓的影響，測量在最不利風向角下(45°)，不同參數(shù)的PVG 安裝在試驗模型上時屋蓋的風壓，試驗具體工況見表1。

表1 旋渦發(fā)生器(PVG)工況Table1 Case of PVG

3.2.1 高度H的影響

PVG高度H對屋蓋風壓系數(shù)影響的工況見表1中工況1，其結(jié)果如圖9 所示。由圖9 可見：加入PVG 后，迎風前緣測點行Row 1 內(nèi)風吸力急劇降低，最大降低幅度達59%(測點2)，相應地風壓脈動也急劇減弱。測點列Column 2 內(nèi)存在很大的風吸力突變(測點48位置平均風壓系數(shù)達到-2.0)，加入PVG 后風壓突變得到抑制。這是由于角部的氣流遇PVG 后在其附近產(chǎn)生大量漩渦，這些漩渦對分離氣流產(chǎn)生強烈干擾，同時抑制了前緣錐形漩渦的形成。平均風壓系數(shù)對PVG 高度比較敏感，隨PVG高度增加，其減壓效果越來越好。

圖9 PVG高度H對屋蓋風壓系數(shù)的影響Fig. 9 Effect of PVG height H on wind pressure coefficient of roof model

3.2.2 長度L的影響

PVG長度L對屋蓋風壓系數(shù)影響的工況見表1中工況2，其結(jié)果如圖10 所示。由圖10(a)和10(b)可見：改變PVG長度對迎風前緣(Row 1)氣流的干擾效果與其高度相比不那么明顯。相對于另一側(cè)迎風前緣而言(Column 2)，L=1.5 cm的減壓效果與L=1.3 cm 的相比差別不大，然而當L＜1.3 cm 時，PVG 對平均風壓和脈動風壓的抑制效果減弱。由此可見，在進行PVG 設計時，為達到近似的減壓效果，PVG 的長度可以考慮在一定范圍內(nèi)有所調(diào)整。

圖10 PVG長度L對屋蓋風壓系數(shù)的影響Fig. 10 Effect of PVG length L on wind pressure coefficient of roof model

3.2.3 間距R的影響

PVG 安裝間距R對屋蓋風壓系數(shù)影響的工況見表1 中工況3，其結(jié)果如圖11 所示。由圖11 可見：安裝間距對屋蓋前緣的風壓影響顯著，特別是對于脈動風壓而言。在接近角部附近，R的影響作用更加明顯，即隨安裝間距增加，PVG 對負風壓即風壓脈動的抑制作用逐漸降低。這是由于在迎風轉(zhuǎn)角區(qū)域是錐形渦的形成區(qū)，較密的布置更有利于干擾分離流，抑制錐形渦的形成。

圖11 PVG安裝間距R對屋蓋風壓系數(shù)的影響Fig. 11 Effect of PVG installation pitch R on wind pressure coefficient of roof model

3.2.4 安裝角度β的影響

PVG安裝角度β對屋蓋風壓系數(shù)影響的工況見表1 中工況4，其結(jié)果如圖12 所示。由圖12 可見：3種安裝角度的PVG均能對分離流產(chǎn)生干擾，減小屋蓋迎風前緣的風吸力。然而，對比不同安裝角度可以發(fā)現(xiàn)，β=90°時，PVG對前緣兩側(cè)靠近角部位置的減壓效果不如PVG 傾斜時的效果顯著，其原因是：PVG傾斜時，不僅能夠?qū)饬鳟a(chǎn)生干擾，而且傾斜的角度對撞向鈍體邊緣的氣流起到疏導的作用，使得分離流沿著PVG 傾斜方向偏轉(zhuǎn)，從而弱化了來流風的分離作用，進而抑制了錐形渦的形成。

圖12 PVG安裝角度β對屋蓋風壓系數(shù)的影響Fig. 12 Effects of PVG installation angle β on wind pressure coefficient of roof model

3.3 最不利風向角下的氣動控制

由于在最不利風向角下，屋蓋所受的極值風壓最大，所以控制屋蓋在最不利風向角下的極值風壓是提高屋蓋抗風能力的關鍵。由前面分析可得PVG 的最優(yōu)參數(shù)，選取L=1.5 cm，H=1.0 cm，R=2.0 cm，β=60°的PVG，將其安裝在模型屋檐處，探究在最不利風向角下(45°)，PVG 的氣動控制效果。圖13所示為45°風向角下屋蓋風壓系數(shù)的等值線圖。從圖13 可以看出：屋頂表面風荷載以風吸力為主，在靠近迎風前緣位置風吸力較大，靠近內(nèi)部風吸力逐漸減弱。加入PVG 后，屋頂風壓分布發(fā)生明顯的變化。與未安裝PVG 的情況相比，安裝PVG 時屋頂明顯表現(xiàn)出較低的極值壓力系數(shù)且位于邊緣和角部區(qū)域的壓力降幅高于內(nèi)部區(qū)域。角部的極值風壓系數(shù)減少效果最為顯著，最大減小幅度可達73.3%(從-4.5 降低到-1.2)，平均壓力系數(shù)降低了64.0%(從-2.5 降低到-0.9)，脈動壓力系數(shù)降低了77.8%(從0.9 降低到0.2)。與未安裝PVG 相比，屋頂轉(zhuǎn)角和邊緣的壓力梯度明顯減小，錐形旋渦影響區(qū)域減小，尤其是迎風邊緣兩側(cè)的壓力分布基本平穩(wěn)均勻，其他區(qū)域并沒有出現(xiàn)風壓增大等突變現(xiàn)象。可見，在最不利風向角下，旋渦發(fā)生器(PVG)可以有效減小平屋蓋的極值風壓。

圖13 45°風向角下屋蓋風壓系數(shù)的等值線圖Fig. 13 Contour of wind pressure coefficient of roof at 45° wind direction of roof model

3.4 脈動風壓功率譜

圖14 所示為屋蓋極值風吸力較大的風向角下最不利測點在安裝PVG前后的脈動風功率譜變化。其中，f·H/U為量綱一頻率，f·S(f)/σ2為量綱一自功率譜，S(f)為測點風壓自譜，σ2為脈動風壓的方差。風壓功率譜密度選用對數(shù)刻度，同時采取適當?shù)钠骄幚砥交V估計的結(jié)果，這樣可以從整體上評價PVG 對屋蓋動態(tài)脈動風壓的減緩效果。對于45°風向角下測點1(圖14(a))，加入PVG 后，來流風低頻部分(f·H/U≈0.1)能量占比大幅度減少，說明分離流中大尺度漩渦的占比減小，這對錐形旋渦的產(chǎn)生和運動起著重要的作用。對于45°風向角下測點2(圖14(b))，加入PVG后頻譜整體能量降低，并且中低頻部分能量降低較多，這說明大尺度漩渦攜帶的能量降低，脈動強度減弱。由圖14(c)可見：量綱一頻率在10-2～10-1之間時，未安裝PVG的曲線為凸曲線，安裝PVG后，曲線呈凹曲線，這說明低頻部分整體脈動能量的降低。在高頻區(qū)，屋蓋脈動風能量增加，這說明PVG 產(chǎn)生的小尺度漩渦攜帶高頻脈動，與屋頂迎風前緣部位的來流風相互作用，消耗了一部分能量，同時擾亂和破壞了大尺度旋渦(見圖14(d))。

圖14 屋蓋上測點脈動風壓功率譜Fig. 14 Power spectrum density of wind pressure on roof model

3.5 旋渦發(fā)生器（PVG）對渦核的影響

在傾斜風向角下屋蓋的極值風吸力主要是由迎風前緣的錐形旋渦引起的。因此，研究PVG 對錐形旋渦的渦核位置和再附區(qū)域的影響是十分必要的。KAWAI[23]通過垂直于迎風面前緣各截面的最大平均風壓和最大脈動風壓的位置來估計渦旋的軸線和錐形渦旋的再附范圍。本文采用文獻[23]中的方法來確定45°風向角下錐形旋渦的位置參數(shù)。圖15 所示為45°風向角下錐形旋渦的變化范圍。由圖15 可見：找到屋蓋每個橫截面(垂直于Y軸)和縱截面(垂直于X軸)的最大平均風壓系數(shù)和最大脈動風壓系數(shù)所在的測點坐標(X，Y)，對這些測點坐標進行曲線擬合(有95%的置信區(qū)間)，得到錐形渦旋的渦核曲線和再附曲線。從圖15可以看出：安裝PVG 后，前緣兩側(cè)錐形渦旋的再附區(qū)域明顯減小，左側(cè)渦核位置也向邊緣移動。說明PVG 產(chǎn)生的反向渦流破壞了錐形旋渦的結(jié)構(gòu)。再附曲線和前緣之間的范圍逐漸減小，這意味著錐形旋渦的影響范圍逐漸減小，因此，PVG 具有削弱引發(fā)極值風壓的錐形旋渦的作用。

圖15 45°風向角下錐形旋渦的變化范圍Fig. 15 Variation range of conical vortex at 45° wind angle

4 結(jié)論

1) 在低矮平屋蓋屋檐位置安裝PVG，可以有效減少屋蓋的極值風壓，特別對于傾斜風向的氣動控制效果最好。在最不利風向角下，PVG 對于極值風壓的控制程度最大可達73.3%。

2) 旋渦發(fā)生器的參數(shù)對屋蓋風壓的影響較大，與長度(L)相比，高度(H)的增加對錐形漩渦的干擾作用更強，為了更好地降低角部區(qū)域極值風壓，PVG 宜緊密布置。在適宜傾斜角下，PVG 不僅能夠干擾分離流，而且對迎風前緣的氣流起到疏導的作用。

3) 安裝旋渦發(fā)生器(PVG)后，來流風中低頻部分能量占比大幅度減少，大尺度漩渦的脈動能量減弱，原因是來流中由PVG 激發(fā)的小尺度的湍流成分大大削弱了大尺度湍流的能量。

4) 在45°風向角下，旋渦發(fā)生器(PVG)破壞了錐形旋渦的結(jié)構(gòu)，改變了錐形旋渦的形成位置，從而減小的錐形旋渦的影響范圍。