[科普中国]-边界层风洞

原理

模拟大气边界层流动的一种低速风洞，又称环境风洞或气象风洞。目前模拟的主要内容是气流速度、湍流结构和温度随离地高度的变化，风向随高度变化的模拟尚待努力。该风洞类似普通低速风洞，但实验段较长。为获得足够的边界层厚度，常采用两种方法：

①类似于平板表面揣流边界层的自然形成，实验段长度一般为出口处边界层厚度的12～15倍以上；

②人工加速形成，即在实验段进口处另加装置(如曲网、旋涡发生器等)并在底板上分布粗糙元，实验段长度可缩至前者的1/3～1/2，但形成装置等一般须多次调整才能使风速剖面与湍流结构匹配一致。为保持气流方向的压力梯度为零，实验段顶壁常由十余块或更多的可调顶板组成，以调节实验段的高度变化。温度模拟则通过底板加热或冷却，或进口处热分层系统等达到。该风洞主要用于研究与风工程有关的问题，如结构物的风荷载、各种场所的风特性、风环境、大气污染物的排放和扩散规律、运输工具气动特性以及风能利用等。2

分类开口直流式开口直流式风洞一般由人口段、稳定段(含蜂窝器和阻尼网)、收缩段、试验段、动力段、扩散段和排气段组成。试验时，气流从进气口流入，通过蜂窝器使气流变得较为均匀，然后通过收缩段将气流速度提高，之后进入试验段，当气流通过试验段后经扩散段到达出气口，最后由出气口流进入大气中。

开口直流式风洞具有以下优点：

(1)建设费用相对较低；

(2)如需要进行大量的烟雾流迹显示试验或采用内燃机发动机，那么由于进气口和出气口直接通向大气，因此在清洁风洞方面没有特殊的要求。

开口直流式风洞的缺点如下：

(1)由于开口直流式风洞气流的同路实际上位于风洞外，即采取了一种“体外循环”的方式，因此当风洞位于室内，要求试验大厅具有足够大的空间，并在进气口加装一些阻尼网等附加设施，否则会影响风洞中的流场品质；

(2)开口直流式风洞的体外循环方式使得风洞内的流动容易受到外界高温和低温天气的影响；

(3)对于一个给定尺寸和风速的风洞，开口直流式风洞的能耗要比闭口同流式风洞高，因此不宜用于运转频繁的、使用率高的风洞；

(4)与闭口同流式风洞相比，开口直流式风洞的噪声要大得多，对于截面面积大于6.5m2的开口直流式风洞，其噪声将对环境造成影响，从而限制了其使用时问，并需要在降噪方面投入大量费用。

闭口回流式风洞这种风洞通过风扇系统的驱动，使气流连续地在风洞同路内流动。其特点是试验段气流品质容易控制，不会受到外界大气环境的影响，风洞运转时噪声对环境的影响小，并可以实现增压运行，相应的风洞造价较高。

闭口同流式风洞的优点如下：

(1)由于采用了闭口同流方式，因此风洞中的流场品质不受外界活动和天气条件的影响；

(2)与同等规模(试验段尺寸、风速)的开口直流式风洞相比，能耗要低得多，可用于风洞利用率较高的情况；

(3)噪声比开口直流式风洞低得多。

闭口回流式风洞的缺点如下：

(1)由于需要建造同流管道和拐角导流片，因此初始造价要比开口直流式风洞高得多；

(2)如果需要进行大量的烟雾流迹显示试验或使用内燃机发动机，那么必须有配套的能有效清洁风洞的方法；

(3)在长时间连续运转的情况下，内部会产生较高的温度，可能会对某些测试带来影响。1

试验研究目前进行空气动力学研究的手段主要有三种：理论空气动力学、试验空气动力学和计算流体动力学(CFD)。虽然理论空气动力学和计算流体动力学已经有了高度的发展，但试验空气动力学仍然是目前空间结构设计中必不可少的一种手段。

风洞试验依据运动的相对性和相似性原理，将实验对象制作成缩小模型或者足尺模型放置于风洞内，通过驱动装置(如风机)使风道产生人工可控制的气流，模拟实验对象在实际气流作用下的状态，从而测得相关的参数。

世界上公认的第一个风洞是1871年建成的，而风洞的大量出现是在20世纪中叶。随着工业技术的发展，风洞试验从航空航天领域扩大到一般工业和民用部门。土木建筑工程中的风流动主要涉及钝体空气动力学，解决这些流动的理论和计算方法难度较高，风洞试验自然就成了该领域的研究工具。20世纪30年代，英国物理实验室在低湍流度的航空风洞中进行了风对建筑物和构筑物影响的研究工作，指出了在风洞模拟大气边界层湍流结构的重要性。1934年，德国L．Prandtl在哥廷根流体力学研究所建造了世界上第一座环境风洞，开展环境问题的实验研究。20世纪50年代末，丹麦M．Jensen对于风洞模型相似律问题作了阐述，认为必须模拟大气边界层的特性。另外，美国的Cermark在科罗拉多州大学以及加拿大的Davenport在西安大略大学分别建成了长实验段的大气边界层风洞，标志着对风工程有了专门的模拟实验研究设备。从20世纪80年代开始，大气边界层风特性的模拟技术，特别是大尺度湍流的模拟技术有了较大的发展。另外，一些专用实验设备以及测试仪器的研制成功，使风洞中模拟各种气象、地面及地形条件的范围进一步扩大，研究风载、风致动力响应问题的能力也有了进一步的提高。3