港口地貌大气边界层风洞试验模拟

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1、第36卷第1期水道港口V0l_36No．12015年2月JournalofWaterwayandHarborFeb．2015港口地貌大气边界层风洞试验模拟白景峰，胡传新，洪宁宁(交通运输部天津水运工程科学研究所水路交通环境保护技术交通行业重点实验室，天津300456)摘要：尖劈和粗糙元边界层模拟技术广泛地应用于风洞试验中的大气边界层模拟。针对港口靠近海洋，附近建筑物较为稀疏的地貌特点，本文参考行业规范，选取符合港口地貌的A类和B类流场，较为全面的考虑了大气边界层流场特性，在交通运输部天津水运工程科学研究院TKS一1边界层风洞对港口

2、工程领域常用的几种流场成功进行了模拟。关键词：风洞；港口地貌；大气边界层；尖劈；粗糙元中图分类号：U216．4文献标识码：A文章编号：1005—8443(2015)01—0075—04我国位于西北太平洋沿岸，受台风影响相当严重。在台风来袭时，靠近海域的港口仓库首当其冲，很容易发生风致破坏，这对港口造成非常严重的经济损失n。港口工程特别是外海工程受风荷载的影响较大，有时风荷载可能会成为其控制因素。此外，港口作业机械一般具有高度大、阻尼小、柔性大等特点，风荷载是其结构设计的控制荷载，港口起重机拉杆也经常发生剧烈的涡激振动现象]，强风吹

3、毁起重机的事故在国内外多次发生，造成了重大的经济损失。因而，对港口工程结构、港口机械进行合理的抗风设计是保证其安全的关键性因素之一。，近几十年来，风洞模拟试验一直是研究风对结构物作用和风环境等相关风工程问题的基本手段。而在边界层风洞中正确模拟大气边界层流动特性，是试验结果可信的必要条件，也是风工程研究的重要基础工作。尖塔(尖劈)加粗糙元边界层模拟技术是目前国内外边界层风洞最常用的被动模拟技术，取得了很多研究成果。然而，风洞断面尺寸的不同影响了一些经验公式的使用，这导致各个风洞都必须建立适用于自己的模拟方式。针对港口靠近海洋，附近建

4、筑物较为稀疏的地貌特点，参考行业规范b，选取符合港口地貌的A类和B类流场，较为全面地考虑了大气边界层流场特性，在交通运输部天津水运工程科学研究院TKS．1边界层风洞中采用尖劈加粗糙元边界层模拟技术对港口工程领域常用的几种流场成功进行了模拟。篇幅所限，仅列出最为常用几何缩尺比为l：250的A类流场和B类流场的主要调试结果。1风洞及模拟装置交通运输部天津水运工程科学研究院TKS．1边界层风洞于2O11年建成，是一座水平直流吹出式单试验段风洞。该风洞试验段长15，宽4．4m，高2．5m，风速为O．5—30m·8-1连续可调(图1)。试验

5、采用尖劈和粗糙元组合的被动模拟方法模拟流场，采用的模拟装置有尖塔湍流发生器(尖劈)和分布粗糙元。对于尖塔湍流发生器，采用三角形尖劈后附加直板的异型尖劈n]，通过更换尖劈迎风板和附加直板的方式，来满足不同流场的需要，尖劈示意见图2。试验使用了4．5crnX6cmX7．5cm和10cmXl0cmxl0cm收稿日期：2014—08—22；修回日期：2014—09-18基金项目：国家自然科学基金面上项目(51179078)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助(TKs140215。TKS130204)。作者简介：白景峰(1974

6、一)，男，内蒙古呼伦贝尔市人，研究员，主要从事风工程和风环境方面的研究。Biography：BAIJing-feng(1974-)，male，professor．76水道港口第36卷第1期4100．1500o。5200440075004loo～I54l／IV=30m／sIn=3．0976I——l3／图l交通运输部天津水运工程科学研究院边界层风洞气动轮廓图(ram)图2尖劈外形Fig．1BoundarylayerofwindtunnelofTIWTEFig．2Configurationofspire的混凝土块作为分布粗糙元。试验模拟

7、了两种不同类型地貌流场(A类和B类)。为表述方便，A类流场(几何缩尺比1：250)和B类流场(几何缩尺比l：250)分别定义为工况1和工况2，各工况下均布置4个尖劈，相邻间距为100cm，而距风洞侧壁的距离为70cm。尖劈放置试验段人口处，距转盘中心的距离为10．9m。大粗糙元的迎风面10mxlOFig．3AirangementofsimulationdeviceofCaseNo．1试验采用美国TSI公司生产的眼镜蛇三维脉动探头测量风速，采样频率为2500Hz，采样时间为45．056s。试验中，将探头通过连接支架固定在移测架的升降

8、柄上，通过系统控制移测架升降柄的升降来采样不同高度处的三维风速时程。12大气边界层模拟多皇士I目木里0·8根据Boussinesq近似和0．6中性边界层假设【8]，结构风0·4洞试验中需要模拟的边界层湍流风特性主要包括4个特O·2征参数：平均风速随