引言
圆形建筑，如水塔、烟囱、圆柱形储罐、穹顶结构以及现代的高层圆形建筑（如上海中心大厦的旋转设计），在风荷载作用下表现出独特的流体动力学特性。与方形建筑相比，圆形截面能有效减少涡旋脱落的规律性，从而降低风致振动，但其风压分布和气动力特性依然复杂。为了确保这些结构在强风下的安全性和舒适性，工程师必须在设计阶段进行严格的抗风性能评估。风洞实验是目前最可靠、最常用的方法，它通过在实验室中模拟真实风场，对缩尺模型进行测试，从而预测原型结构在实际风环境中的响应。
本文将深入探讨圆形建筑抗风阻实验装置的核心原理、关键技术，以及如何通过这些装置精确模拟真实风场的挑战，包括湍流、风向变化、阵风效应等复杂因素。
一、 真实风场的复杂性与模拟挑战
真实大气边界层中的风并非均匀流动，而是具有高度复杂性的自然现象。要成功模拟它，实验装置必须解决以下几个核心挑战：
- 大气边界层的模拟：近地面风受地表摩擦影响，风速随高度增加而增大，形成风速剖面（通常服从幂律分布）。同时，风中包含不同尺度的湍流涡旋，从大尺度的天气系统到小尺度的湍流脉动。
- 湍流强度与积分尺度：湍流强度（脉动风速与平均风速的比值）和积分尺度（湍流涡旋的特征尺寸）对结构的风振响应至关重要。城市环境与开阔乡村的湍流特性截然不同。
- 风向变化：真实风向会随时间变化，对于圆形建筑，虽然其对风向不敏感，但风向变化会影响周围流场和相邻建筑的干扰效应。
- 阵风效应：短时强风（阵风）对结构的瞬时荷载可能远超平均风荷载。
- 雷诺数效应：对于圆形截面，流体流动状态（层流或湍流）由雷诺数决定。在低雷诺数下，流动可能保持层流，导致风压分布与高雷诺数（真实情况）下完全不同。这是圆形建筑风洞实验中最大的挑战之一。
二、 圆形建筑抗风阻实验装置的核心组成
一个完整的圆形建筑抗风阻实验装置通常由以下几个子系统构成：
1. 风洞本体
风洞是产生可控气流的核心设备。根据气流循环方式，主要分为：
- 直流式风洞：空气从一端吸入，经实验段后排出。适用于大尺寸模型和高风速测试，但能耗高，环境干扰大。
- 回流式风洞：空气在闭合回路中循环，通过风扇驱动。能耗低，气流稳定，是建筑风洞最常用的类型。
实验段是放置模型的区域，其尺寸和形状决定了可测试模型的最大尺寸和流动质量。对于圆形建筑，通常需要足够大的实验段截面，以避免洞壁干扰。
2. 风速与湍流生成系统
这是模拟真实风场的关键。
- 风扇与驱动系统：提供稳定、可调的风速。通常采用变频电机控制风扇转速，实现风速的精确调节。
- 湍流模拟装置：
- 粗糙元：在风洞底板上铺设不同尺寸和排列的粗糙元（如立方体、圆柱体），模拟地表粗糙度，从而生成所需的速度剖面和湍流。
- 格栅：在实验段上游安装不同孔径和排列的格栅，可以产生特定尺度的湍流。
- 主动湍流发生器：更先进的系统使用可移动的挡板、风扇阵列或合成射流技术，动态生成复杂湍流，甚至模拟阵风。
3. 模型支撑与姿态控制系统
- 模型支架：用于固定圆形建筑模型。对于圆形建筑，通常采用中心立柱支撑，以最小化对流场的干扰。
- 转盘：安装在模型下方的转盘，可以旋转模型，模拟不同风向角（0°到360°）。由于圆形建筑对风向不敏感，此功能主要用于研究建筑群干扰或特定风向下的局部效应。
- 六自由度平台：对于需要研究风致振动（如涡激振动）的实验，可能需要更复杂的支撑系统来允许模型在特定方向上自由振动或受控振动。
4. 测量系统
- 压力测量：
- 表面压力传感器：在模型表面布置大量微型压力传感器（如电子压力扫描阀），直接测量风压分布。这是获取风荷载最直接的方法。
- 测压孔与导管：将模型表面的压力通过细导管连接到外部的压力传感器。
- 气动力测量：
- 高频天平：安装在模型支撑系统内部，直接测量作用在模型上的整体气动力（升力、阻力、扭矩）和力矩。对于圆形建筑，阻力是主要关注点。
- 流场可视化与测量：
- 粒子图像测速（PIV）：在风洞中播撒示踪粒子，用激光片光照亮，通过高速相机捕捉粒子运动，计算流场速度矢量分布。用于研究圆形建筑周围的复杂涡旋结构。
- 热线风速仪：测量特定点的瞬时风速，用于标定湍流特性。
- 动态响应测量：
- 加速度传感器：安装在模型上，测量风致振动加速度，评估舒适度。
- 位移传感器：测量模型在风荷载下的位移。
三、 如何模拟真实风场挑战：关键技术与方法
1. 模拟大气边界层与湍流
目标：在风洞中复现目标场地（如城市中心、海岸）的风速剖面和湍流特性。 方法：
- 选择粗糙元：根据目标场地的粗糙度类别（如城市、郊区、开阔地），计算所需的粗糙度长度和风速幂律指数。通过实验调整粗糙元的尺寸、高度和排列密度，直到风洞中测量的风速剖面与目标剖面吻合。
- 湍流强度匹配：在风洞底板不同高度布置热线风速仪，测量湍流强度剖面。通过调整粗糙元或添加格栅，使湍流强度分布与目标场地一致。
- 积分尺度模拟：这是难点。小尺寸风洞难以模拟大尺度湍流。常用方法是使用“畸变”模型，即在风洞中模拟的湍流积分尺度可能小于真实值，但通过理论修正（如Davenport谱修正）来补偿其对结构响应的影响。更先进的风洞使用主动湍流发生器来生成大尺度湍流。
示例：模拟一个位于城市中心的圆形办公楼。
- 目标参数：根据当地气象数据，确定该场地的风速剖面指数α=0.25，10m高度处湍流强度Iu=20%，积分尺度Lu=150m。
- 风洞设置：在风洞实验段底板铺设2cm高的立方体粗糙元，间距为10cm。在实验段入口安装孔径为5cm的格栅。
- 测量与调整：在风洞中，使用热线风速仪测量不同高度的平均风速和湍流强度。发现湍流强度不足，于是增加粗糙元密度或在格栅后方添加第二层格栅。反复调整，直到测量结果与目标参数匹配。
2. 克服雷诺数效应
挑战：对于光滑圆形截面，在低雷诺数（风洞模型）下，边界层可能保持层流，导致流动分离点靠后，阻力系数（Cd）偏小，且涡旋脱落不规则。而在高雷诺数（真实情况）下，边界层转捩为湍流，分离点提前，Cd增大，涡旋脱落规律性增强。 解决方法：
- 表面粗糙化：在模型表面人为添加粗糙度（如粘贴砂纸、细丝），强制边界层在低雷诺数下提前转捩为湍流，模拟高雷诺数下的流动状态。这是最常用且有效的方法。
- 使用“雷诺数修正”：通过实验确定不同粗糙度下阻力系数与雷诺数的关系曲线，然后将风洞实验结果外推到真实雷诺数范围。
- 使用高雷诺数风洞：大型边界层风洞或增压风洞可以达到更高的雷诺数，但成本极高。
示例：测试一个直径10m的圆形水塔模型（缩尺比1:50）。
- 计算雷诺数：原型风速20m/s，直径10m，空气运动粘度ν≈1.5e-5 m²/s，雷诺数Re = (20 * 10) / 1.5e-5 ≈ 1.33e7。模型风速10m/s，直径0.2m，模型雷诺数Re_m = (10 * 0.2) / 1.5e-5 ≈ 1.33e5。两者相差两个数量级。
- 实验方案：在模型表面均匀粘贴0.5mm厚的砂纸，模拟高雷诺数下的粗糙表面。分别测试光滑模型和粗糙模型，比较其阻力系数。发现粗糙模型的Cd值更接近高雷诺数下的理论值，且涡旋脱落频率更稳定。
- 数据应用：采用粗糙模型的实验结果，并结合雷诺数修正公式，预测原型在真实风场下的风荷载。
3. 模拟阵风与动态风荷载
目标：研究结构在短时强风下的瞬时响应。 方法：
- 阵风模拟器：在风洞中安装可快速开合的挡板或使用变频风扇快速改变风速，模拟阵风的时程。
- 动态压力扫描：使用高频压力传感器（采样率>500Hz），捕捉风压的瞬时变化，计算阵风因子。
- 气动弹性模型：对于柔性圆形结构（如细高烟囱），需要制作气动弹性模型，其刚度和质量分布与原型相似，可以真实反映风致振动。
示例：研究圆形高耸烟囱在阵风下的涡激振动。
- 模型制作：制作一个1:100的烟囱气动弹性模型，使用弹性材料，确保其固有频率与原型相似。
- 阵风模拟：在风洞中，通过控制风扇转速，模拟一个持续30秒、风速从10m/s骤增至25m/s再回落的阵风时程。
- 测量：在模型顶部安装加速度传感器，记录振动响应。同时使用PIV观察烟囱周围的涡旋脱落情况。
- 分析：发现当阵风风速达到20m/s时，模型发生剧烈的涡激振动，振幅超过安全限值。这为设计阻尼器提供了依据。
4. 模拟风向变化与干扰效应
目标：研究圆形建筑在不同风向角下，以及与其他建筑共同存在时的风荷载变化。 方法：
- 转盘测试：将模型固定在转盘上，以5°或10°为步长，旋转模型至所有风向角，测量每个角度下的气动力和压力分布。
- 干扰实验：在风洞中同时放置目标圆形建筑模型和周围建筑模型，研究“遮挡效应”和“尾流干扰”。圆形建筑对风向不敏感，但周围建筑的形状和位置会显著改变流经圆形建筑的风场。
示例：评估一个圆形办公楼与相邻方形办公楼的干扰效应。
- 模型设置：制作1:200的圆形办公楼模型和方形办公楼模型。将方形模型放置在圆形模型的上风向不同距离处。
- 转盘测试：固定方形模型，旋转圆形模型，测量其在不同风向角下的阻力系数。
- 结果分析：发现当风向角为45°时，方形建筑的尾流直接冲击圆形建筑，导致圆形建筑的阻力系数比单体建筑时增加约30%。这表明在密集城区，圆形建筑的风荷载可能被显著放大。
四、 实验数据处理与原型预测
风洞实验得到的是缩尺模型在特定风场下的数据，必须经过处理才能用于原型设计。
相似准则：
- 几何相似：模型与原型形状完全相似。
- 雷诺数相似：如前所述，通常难以完全满足，需通过粗糙化或修正处理。
- 弗劳德数相似：对于重力主导的结构（如水塔的水体晃动），需要满足弗劳德数相似。但对于大多数建筑风洞实验，风荷载主要由惯性力主导，弗劳德数相似不是必须的。
- 斯特劳哈尔数相似：对于涡激振动问题，需要保证模型与原型的斯特劳哈尔数（St = fD/U，其中f为涡脱频率，D为直径，U为风速）相等。
数据缩放：
- 气动力缩放：将模型测得的气动力（阻力、升力）按几何缩尺比的平方和风速比的平方进行缩放，得到原型风荷载。
- 压力系数：风压系数 Cp = (p - p∞) / (0.5ρU²) 是无量纲量，可直接用于原型，但需注意雷诺数效应。
- 动态响应缩放：对于振动问题，需要根据相似准则调整模型的质量、刚度和阻尼，确保模型与原型的无量纲响应（如位移/直径）一致。
统计分析：
- 将风洞实验得到的风压时程数据，结合目标场地的风速风向概率分布（通常使用极值I型分布或Gumbel分布），通过统计方法（如蒙特卡洛模拟）预测原型在重现期（如50年）内的最大风荷载和风振响应。
五、 案例研究：某圆形超高层建筑的风洞实验
项目背景：一座位于沿海城市的圆形超高层建筑，高度300m，直径40m。设计需满足100年一遇的台风荷载，并评估行人的风舒适度。
实验装置：使用一座边界层风洞，实验段尺寸为3m宽、2.5m高、15m长。配备主动湍流发生器和六自由度高频天平。
实验步骤：
- 场地风场模拟：根据当地气象站数据，模拟沿海城市A类地貌的风场。通过调整粗糙元和格栅，使风速剖面指数α=0.15，湍流强度剖面与目标一致。
- 模型制作：制作1:300的刚性模型，表面布置200个压力测点。同时制作一个1:300的气动弹性模型，用于测量风致振动。
- 雷诺数处理：在模型表面粘贴0.2mm厚的粗糙带，模拟高雷诺数下的流动状态。
- 转盘测试：在0°到360°范围内，以10°为步长进行测试，测量每个风向角下的气动力和压力分布。
- 阵风模拟：在关键风向角（如台风主要来袭方向）下，进行阵风测试，测量瞬时压力峰值。
- 行人风舒适度测试：在建筑周边地面布置微型风速仪，测量不同风向下的风速，评估是否超过舒适度阈值（通常为5-6m/s）。
实验结果与设计应用：
- 风荷载：发现建筑在45°风向角时阻力最大，最大阻力系数为0.8（考虑雷诺数修正后）。据此计算了结构设计所需的风荷载。
- 风致振动：气动弹性模型测试显示，在台风风速下，建筑顶部的加速度响应满足ISO 6897标准的舒适度要求，无需额外安装阻尼器。
- 行人风舒适度：在建筑下风向的某些区域，风速超过8m/s，设计团队据此调整了建筑底部的开口和周边景观设计，设置了防风屏障。
六、 未来发展趋势
- 计算流体动力学（CFD）与风洞实验的结合：CFD可以模拟全尺寸、全雷诺数的流场，但计算成本高且对湍流模型敏感。未来趋势是CFD与风洞实验相互验证，CFD用于初步筛选和优化，风洞实验用于最终验证。
- 主动控制技术：在风洞中使用主动湍流发生器，更精确地模拟复杂风场，甚至模拟气候变化下的极端风场。
- 数字孪生：将风洞实验数据与建筑信息模型（BIM）结合，创建建筑的数字孪生，实时监测和预测风荷载下的结构状态。
- 人工智能辅助分析：利用机器学习算法，从大量风洞实验数据中快速识别关键风荷载模式，优化实验设计。
结论
圆形建筑抗风阻实验装置通过精密的风洞系统、湍流模拟技术、模型支撑与测量设备，以及严格的数据处理方法，成功模拟了真实风场的复杂挑战。从大气边界层的模拟到雷诺数效应的克服，从阵风动态响应到风向干扰分析，这些技术确保了圆形建筑在设计阶段就能充分评估其抗风性能。随着技术的进步，风洞实验将与CFD、人工智能等新技术深度融合，为圆形建筑乃至所有结构的抗风设计提供更强大、更精准的工具，确保它们在变幻莫测的自然风面前屹立不倒。