风洞中大气边界层主动模拟技术研究

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1、⑧申请固两天学工学硕士学位论文V．785G12风洞中大气边界层主动模拟技术研究培养单位：一级学科：二级学科：研究生：导师：副导师：土木工程学院土木工程桥梁与隧道工程杨立波林志兴研究员庞加斌讲师二oo五年四月摘要本文采用白行设计开发的主动控制振动尖劈装置在同济大学土木工程防灾国家重点实验室TJ一2风洞中进行了大气边界层风场模拟的初步尝试，jf：得到了一些有意义的结论。这是国内首次采用主动模拟技术进行大气边抖层模拟的研究。由于钝体空气动力学在理论上的困难，结构风工程研究的主要手段还是通过风洞试验的方

2、法获得作川在结构L的风载和风致振动响应值。风洞试验的首要任务就是合理的模拟大气边界层。目前风洞试验中主要采用的尖劈和粗糙元的被动模拟方法，存在紊流尺度小筲难以兜服的缺欠，而国外采川的主动模拟技术义存在造价昂贵，凋试复杂等缺点。考虑到这些因素．本文自行设汁开发了土动控制振动尖劈装置以及相应的控制系统的硬件和软件。这套装置土要通过步进电机的运动带动尖劈做往复摆动，尖劈的运动向风场中注入机械能，以期能够增强低频紊流的模拟，改善素流尺度的模拟效果。步进电机由电脑上的控制程序通过自行开发的控制卡进行控制，

3、可以在其运动允许范围内完成由用户白定义的任意运动形式。此装置具有结构简单、操作方便、造价低H功能多样等特点。使用此装置在TJ．2风洞中进行了人气边界层风场模拟的尝试。首先进行了仅布置尖劈、没有布置粗糙元的试验，讨论尖劈的运动对风场特性的影响；然后进行了尖劈和粗糙元组合的试验，讨沦婀者的组合对风场特性的影响：接着讨论r尖劈之问的距离对风场特性的影响；最，f亓进行了另外两种不同尺寸尖劈的试验，讨论尖劈的大小对试验结果的影响。试验结果表明：尖劈运动与尖劈静止的情况相比，平均风速剖面指数会降低；剖面指数

4、随着尖劈之间距离的减小和尖劈尺寸的增大而增人。在尖劈运动的情况下，其各种不同的运动形式对甲均风速剖面的影响不人。尖劈运动与尖劈静止的情况相比，对紊流度的影响不大；紊流度随着尖劈尺寸的增人而增人．随着尖劈之间距离的减小而增人。在尖劈运动的情况下，其各种不同的运动形式对紊流度的影啊不人。尖劈运动与尖劈静止的情况相比，紊流尺度增大；紊流尺度随着尖劈尺寸的增人明显增大，随着尖劈距离的减小而增人。在尖劈运动的情况下，紊流尺度随尖劈运动频率的降低而增大，但其各种不同的运动形式对紊流尺度的影响没有明显规律；尖

5、劈的运动会使功率谱上出现与尖劈运动频率相对应的峰值，且随着尖劈运动频率的增大，峰值的幅值也增大；随着尖劈运动频率的降低，频率成分的增多，功率谱低频部分的变化也越趋于平缓；尖劈的运动会抬高功率谱低频部分的能量，而对高频部分则影响很小。根据一些试验的结论．最后进行了调试风场的试验，土要采用试凑的方法，给出了c类风场的惘试结果。结果表明，与被动模拟方式比较，紊流尺度有较大提高。在本文的最后总结了试验的主要结论，指出了本次试验中存在的一些问题，留待在以后的研究过程当中加以解决。根据试验中的体会，提出了一

6、些设想。关键词：风洞大气边界层主动模拟振动尖劈AbstractInthispaper,anewmethod，calledControllable-Oscillating-Spire(cos)，isdesignedforwindtunnelsimulationofatmosphericboundarylayerinTJ-2windtunneloftheStateKeyLaboratoryforDisasterReductioninCivilEngineeringinTon西iUniversity．

7、Thisisthefirsttimethattheactive—simulationtechniqueisusedinChina．Themainmethodforstructuralwindengineeringstudyiswindtunneltestbecauseofthelimitationofbluntaerodynamics．Thefirsttaskofwindtunneltestsistosimulateatmosphericboundarylayeraccurately．Atpre

8、sent，thepassivemethodofspireandroughuesselementsthatiswidelyusedhaslimitationssuchastoosmallintegralscalebecauseofitsstructuralcharacteristic．Atthesametimetheactivetechniqueisdifficulttooperateanditsexpenseistoohi曲．Consideringofthethingsmentionedabov