引言
由 Adam Kahraman 撰写
自风洞发明以来，工程师们发现它有无数实际用途。最初作为空气动力学研究的工具，风洞最终成为飞机开发的重要组成部分，随后又应用于土木工程领域。这包括研究风荷载、结构运动、环境影响，以及与建筑规范要求相关的测试条件。
本文将介绍大气边界层风洞（BLWT）研究的背景，随后介绍工程师在模拟自然风时面临的一些挑战。接着，本文将探讨目前可用于实现大气边界层研究的技术和方法。
目录
- 引言
- 土木工程中的边界层风洞实验
- 什么是大气边界层？
- 边界层实验设计
- 风对结构的影响
- 环境对结构的影响
- 边界层风洞是如何工作的？
- 如何利用风墙产生大气边界层？
- 结论
图 1：使用 WindShaper 测试建筑模型的 3D 模型
土木工程中的边界层风洞实验
最早记录的关于空气对物体影响的实验可追溯到 1742 年和 1759 年。科学家将物体固定在旋转臂上，然后使其在空气中旋转进行测试。下图展示了这种测试装置示意图。这一早期技术历经 150 多年才发展成为航空航天和土木工程中使用的现代工具和技术（来源）。
图 2：早期旋转臂系统示意图，由坠重驱动，用于测试空气流对物体的作用（来源）
早期的风洞主要用于模拟稳定、均匀的气流。这使其在航空航天领域的飞机和机翼设计，以及汽车应用中十分有用。
人们认为，风洞也可以用于土木工程应用，以模拟真实的风况，并在建筑建成前评估其表现，这似乎是合情合理的。然而，工程师很快发现，现有风洞产生的平滑均匀气流无法真实反映大气风更具随机性和湍流性的特征。
对于土木工程应用，风洞中的气流需要重现大气边界层的关键特征，而这要困难得多。要了解其中的原因，我们首先需要研究大气边界层的变化规律。
什么是大气边界层？
在流体力学中，边界层是指紧邻表面的一层区域，其流动受到与该表面相互作用的影响。在一般边界层中，流动可能是层流或湍流。雷诺数是一个描述惯性力与粘性力相对影响的无量纲值，是影响这种流动特征的因素之一。
较低的雷诺数通常有利于层流，而较高的雷诺数则会增加向湍流转变的可能性。表面粗糙度、扰动、几何形状和其他因素也会影响这种转变。下图展示了层流边界层与湍流边界层的区别。
图 3：层流和湍流中的边界层演示（来源）
大气边界层是大气中最底层的一部分，风在此处直接受到地球表面的影响。
大气风在地球表面上的流动与相对平坦表面上的湍流边界层内的流动相似。当风流经地面、地形、建筑物、树木和其他表面特征时，流动会受到干扰，从而可能产生湍流。太阳加热地球表面并导致暖空气上升，也会产生湍流。
与云相关的 атмосфер性对流还会产生额外的湍流。下图展示了大气边界层的示意图。
图 4：大气边界层的结构（来源）
在风洞中重现这些大气条件非常复杂。这就是为什么边界层风洞技术在风洞发展史上出现得较晚。
大气边界层实验研究的常见应用包括：
- 高楼面临的随机风荷载
- 屋顶积雪模拟
- 工业建筑周围的风流
- 城市区域的行人风流
- 风电场中的尾流效应和流速
- 无人机和无人飞行器的空气动力学性能
边界层实验设计
对于土木工程应用，这些实验大致可分为两类：风和环境对结构的影响。
风对结构的影响
边界层风洞最常见的用途之一是研究建筑物和结构在大气风条件下预计会如何运动。可以使用摄像机追踪风引起的运动，同时模型底部的力传感器可以测量作用于建筑物的剪切力和弯矩。下图展示了一个使用结构测试风荷载的边界层风洞示例。
图 5：位于弗吉尼亚州阿灵顿的美国空军纪念碑，其尖塔高 270 英尺（82 米），正在 BLWT 中进行测试（来源）
如今，BLWT 测试已成为评估建筑物对风响应的重要环节。例如在安大略省，任何高度超过 60 米或高度超过其最小有效宽度四倍的建筑物，在开发前都必须在 BLWT 中进行测试。
BLWT 还用于研究气动弹性模型，这些模型会因风引起变形或其他运动，且这种变形或运动会随着风荷载的增加而加剧。这些结构通常具有柔性、质量小、阻尼弱，例如：
- 烟囱
- 桅杆
- 大跨度桥梁
- 输电线路
环境对结构的影响
BLWT 在土木工程中的第二个应用场景是研究环境影响。在寒冷气候地区，研究人员会研究大屋面建筑上的积雪堆积和输送情况。这让设计人员能够了解积雪在建筑上的堆积位置，并据此对结构进行设计以承受相应的积雪荷载，同时在必要时规划除雪措施。下图展示了一张用于研究风洞中积雪堆积的模型图片。
图 6：覆盖类似积雪材料的建筑模型，用于模拟积雪堆积（来源）
紧密相邻的建筑物可能会在行人区域周围形成加速风流。对这些区域的平均风速和峰值阵风进行预测和测量，有助于更好地规划场地并提升行人的体验。波士顿、多伦多、纽约和旧金山等城市在批准开发前，要求提供新结构建成前后的行人高度风速 BLWT 测试数据。
在工业区，建筑通风口、工业烟囱和汽车排放的污染物是大气污染物最主要来源之一，其排放后的扩散和分布往往难以追踪和预测。在 BLWT 中进行物理建模，可以帮助研究人员估算污染物的扩散情况，并确定可能出现高浓度区域的位置。
边界层风洞是如何工作的？
研究人员希望改造现有的风洞设施，以便在更真实的风况下进行结构测试。他们发现，可以通过调整风洞气流来模拟大气边界层。研究人员通过添加尖塔、涡流发生器和围栏等气流调节装置，成功模拟了大气边界层。
这些装置通过扰乱平滑气流产生湍流涡流，使空气在向下游移动时发生混合。这种混合会产生湍流，并改变速度分布，使风速随高度逐渐增加，类似于大气边界层中的垂直风速分布。下图展示了这种风洞系统的一个示例。
图 7：使用建筑模型模拟大气边界层条件的传统风洞（来源）
如何利用风墙产生大气边界层？
类似于WindShaper 的风墙由可单独控制的旋转方向相反的风扇阵列组成，这使操作人员能够产生真实均匀或湍流的风况。
通过控制测试段内的风速和湍流分布，WindShaper 可以重现大气边界层。风扇速度可以在底部行设置得较低，并在较高行逐渐增大。此外，每个风扇模块中的旋转方向相反的风扇使 WindShaper 无需配备带有额外气流调节装置的长测试段，即可产生湍流。下图展示了使用 WindShaper 和模型街区进行测试的装置示意图。
图 8：WindShaper 产生大气边界层条件的 2D 侧视图
风切变是与土木工程风研究相关的另一项条件。它描述了风速和风向在给定距离上的变化。我们制作了一段视频，演示了如何使用 WindShaper 模拟风切变，并使用 WindProbe 进行测量。
来自 UCLouvain 的研究人员安装了一台 WindShaper，使其能够重现大气边界层，用于测试风力涡轮机和风电场动力学。这些测试使用风力涡轮机模型，使研究人员能够比全尺寸实地试验更快、成本更低地收集数据。该大学还计划利用风墙测试无人机、直升机、仿生飞行以及雨雪等环境天气条件。
结论
边界层风洞测试已成为土木工程的重要组成部分，支持从结构风荷载研究到积雪堆积和污染物扩散的各种应用。
这些实验依赖于设备重现大气边界层中的风速分布和湍流特征的能力。
随着测试方法的不断改进，WindShaper 等技术正在拓展在实验室中重现、控制和研究大气风况的途径。
您认为还有哪些应用领域可以从大气边界层风洞测试中受益？请在评论中告诉我们。