马鞍屋盖表面分离泡流动形态研究

发布时间：2020-02-27 10:50

【摘要】：利用粒子图像测速技术,通过风洞流场显示试验,给出了均匀流和格栅紊流两种工况下马鞍屋盖迎风高点和迎风低点处旋涡的截面形态特征以及时均、瞬时流线和涡量场分布,比较了两种工况下旋涡形态特征的异同,总结了来流在屋面上的速度分布规律。试验结果表明:当风向垂直于迎风前缘时,屋面迎风高点至迎风中点区域将出现典型的分离泡现象;而在迎风中点至低点区域,由于马鞍屋面为正向坡度,无法形成分离泡。均匀流场下分离泡再附长度近乎横跨整个屋盖;而湍流场中分离泡涡核离迎风前缘较近,且旋涡横截面积显著小于均匀流工况。结合风洞测压试验,分析了不同迎风高度处马鞍屋盖表面的脉动风压谱特性,明确了谱能量与旋涡运动或湍流尺度之间的演变关系。利用多个可视化平面的综合布置最终揭示出分离泡的三维形态特征,据此将马鞍屋盖划分为4个区域并提出合理的分区体型系数,为大跨马鞍屋盖抗风设计提供参考。
【图文】：

屋盖,相机,低点,风洞

０ｍ／ｓ连续可调，试验区的流场＜０．５０％，满足试验流场要求。本次试验模型为马鞍屋盖（矢跨比１／１２和１／６）钝体结构模型，考虑到ＰＩＶ试验中激光器片光尺寸（０．５ｍ×０．２ｍ）及风洞堵塞率的要求，将马鞍屋盖底面尺寸设定为０．２１ｍ×０．２１ｍ，低点高度分别为０．０２８和０．０５６ｍ，模型材料采用黑色有机玻璃。相机位于风洞的侧面，垂直拍摄光带内的流场，镜头的高度和风洞侧面中部位置持平，距地面约１．５ｍ。试验中平均风速为１０ｍ／ｓ。如图１所示，模拟风场有均匀流和等间距格栅湍流两种工况，湍流场下平均屋檐高度处的湍流度维持在１０％。ＰＩＶ设备共分为５个部分，即激光器（ＹＡＧＬａ－ｓｅｒ）、同步仪（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｒ）、高速ＣＭＯＳ相机、计算机以及粒子投放设备。试验中相机工作频率为２００Ｈｚ，像素为２４００×１８００，全分辨率下相机的帧频为４８０ｆｐｓ。ＰＩＶ试验中的示踪粒子为一种油状液态物质，利用氮气通过压力控制器将液态示踪粒子喷射到风洞里形成雾气。由于马鞍屋盖存在迎风高点和低点，为了更全面地观察分离泡的截面流动特征及三维形态，试验设定５个可视化平面且可视化面与来流方向平行，如图２所示。图１两种风场试验Ｆｉｇ．１Ｔｗｏｋｉｎｄｓｏｆｗｉｎｄｆｉｅｌｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｃｈｅｍｅ图２可视化平面位置（单位：ｍｍ）Ｆｉｇ．２Ｖｉｓｕａｌｐｌａｎｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（Ｕｎｉｔ：ｍｍ）２ＰＩＶ试验结果分析２．１马鞍屋盖模型（矢跨比１／１２，低点５６ｍｍ）试验结果分析２．１．１旋涡结构时

平面位置,可视化,单位

分为５个部分，即激光器（ＹＡＧＬａ－ｓｅｒ）、同步仪（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｒ）、高速ＣＭＯＳ相机、计算机以及粒子投放设备。试验中相机工作频率为２００Ｈｚ，像素为２４００×１８００，全分辨率下相机的帧频为４８０ｆｐｓ。ＰＩＶ试验中的示踪粒子为一种油状液态物质，利用氮气通过压力控制器将液态示踪粒子喷射到风洞里形成雾气。由于马鞍屋盖存在迎风高点和低点，为了更全面地观察分离泡的截面流动特征及三维形态，试验设定５个可视化平面且可视化面与来流方向平行，如图２所示。图１两种风场试验Ｆｉｇ．１Ｔｗｏｋｉｎｄｓｏｆｗｉｎｄｆｉｅｌｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｃｈｅｍｅ图２可视化平面位置（单位：ｍｍ）Ｆｉｇ．２Ｖｉｓｕａｌｐｌａｎｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（Ｕｎｉｔ：ｍｍ）２ＰＩＶ试验结果分析２．１马鞍屋盖模型（矢跨比１／１２，低点５６ｍｍ）试验结果分析２．１．１旋涡结构时均特征当来流风垂直于马鞍屋盖迎风墙面时，气流将在迎风顶点处发生分离，分离的剪切层由于黏性效应会再附到屋面，形成不通气的空腔，通常称为分离泡，它使得靠近建筑物屋盖前缘产生极值负压。图３给出了均匀流和格栅紊流下可视化面１流线和涡量常从图３（ａ），（ｃ）可以看出，分离泡的截面形状为椭圆形。来流为均匀流时，，其各尺度湍流成分相对较少，导致沿着屋面附面层的倒流区较长，涡核高度较高。由图３（ｂ）可知，来流未到达迎风高点时，１０９８振动工程学报第２９卷

【参考文献】