李正農(nóng)，范曉飛，蒲 鷗，鄭義津，宮 博

(1.湖南大學建筑安全與節(jié)能教育部重點實驗室，湖南，長沙 410082；2.中國科學院太陽能熱利用及光伏系統(tǒng)重點實驗室，北京 100190)

對風沙運動現(xiàn)象的研究要追溯到19世紀末，而真正定量化地研究風沙運動的動力過程則始于英國學者拜格諾(R.A.Bagnold)，其結(jié)合了同時代流體力學的研究成果，經(jīng)多次沙漠考察[1-3]和一系列風沙風洞試驗[4-7]，于1941年出版了至今仍是風沙運動研究中最重要的著作《風沙物理及荒漠沙丘物理學》，美國土壤學家切皮爾(Chepil)[8]在拜格諾的基礎上注重研究了土壤或地表特性對沙粒輸移的影響，進一步增強了對風沙流的認識與理解。20世紀60年代后，隨著高速攝影技術的興起，各國學者利用這一技術并結(jié)合理論分析對風沙流中單一顆粒的運動特征進行了深入細致的研究。Williams[9]分析了沙顆粒形狀對其運動以及輸沙率的影響，獲得了沙顆粒在不同高度處的粒徑分布；中國科學院的賀大良和高有廣[10]采用高速攝影技術研究了沙顆粒的躍移運動。至20世紀八、九十年代，研究方法逐漸趨于多樣化，包括野外觀測、數(shù)值模擬、風洞實驗、理論分析等，錢寧和萬兆慧[11]、Pye和Tsoar[12]、Shao[13]也在該時期對風沙問題的研究作出了貢獻，近年來，Hong等[14]、金阿芳等[15]、He等[16]、蔣紅[17]、佟鼎和黃寧[18]也對風沙運動進行了研究。

當前國內(nèi)外對于風沙的研究主要集中在風沙現(xiàn)象和風沙運動本身，李朝妹等[19]基于雷諾平均的標準k-ε湍流模型對風沙繞流建筑物的三維定常流場進行了數(shù)值模擬，分析建筑物周圍風沙流場的分布情況和沙塵繞流建筑物的運動軌跡。王彥平等[20]采用氣流挾沙噴射法進行混凝土、砂漿和水泥石的沖蝕磨損試驗，研究風沙流速度、沖蝕角度、沖蝕時間和沙流量對混凝土、砂漿和水泥石沖蝕磨損的影響。在建筑物風沙荷載研究方面，李正農(nóng)等[21-22]總結(jié)了目前風沙兩相流和建筑物風沙荷載研究中存在的問題，并通過風洞測力試驗探究了風沙對低矮建筑整體受力的影響。此外，Gránásy[23]、Sodec和Craig[24]也對建筑物的風沙作用進行了研究，對建筑物抗風沙方面做出了貢獻。

以上研究現(xiàn)象表明，針對風沙現(xiàn)象和運動本身已取得大量研究成果，但對于風沙流場的特性研究以及建筑物風沙荷載的研究還比較少，故本文通過風洞試驗，詳細探究了不同情況下的風沙流場特性，并采用高頻動態(tài)天平風洞測力試驗 探究了風沙流場中建筑物迎風面的沙粒沖擊力規(guī)律。

1 風沙流場特性

1.1 試驗概況

本試驗在中國科學院電工研究所的直流式邊界層風洞中進行，該風洞總長度為60 m，包括風扇段、穩(wěn)定段、蜂窩器、收縮段、實驗段和擴散段部分，其中實驗段長度為20 m，寬度3 m，高度2.5 m，邊界層厚度10 m，實驗段風速0 m/s~30 m/s連續(xù)可調(diào)。該風洞對傳統(tǒng)風洞進行相應改造，在風洞前緣部分頂部位置增加漏沙槽裝置，并在漏沙槽底部均勻設置漏沙孔，試驗時通過漏沙孔進行漏沙，經(jīng)過試驗段較長距離的擴散，落沙能夠在模型位置處形成沙塵暴荷載邊界。通過調(diào)整漏沙孔的數(shù)量，可控制進入試驗段的沙量。

鑒于常規(guī)風洞風速測量儀器眼鏡蛇在風沙環(huán)境中的易損性，本試驗風速測試采用中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所開發(fā)的防沙風速輪廓測試儀，該測試儀沿高度1.25 m范圍內(nèi)共設10個皮托管探針，采樣頻率均為2 Hz，能夠準確采集高度分別為5 mm、10 mm、15 mm、50 mm、100 mm、250 mm、500 mm、750 mm、1000 mm、1250 mm 10個高度處的風速，該試驗僅選取1000 mm高度范圍內(nèi)的風速數(shù)據(jù)繪制風剖面。梯度集沙測試儀共有50路通道，沿高度每隔2 cm設置1路通道，并在各通道連接一個集沙盒，每個通道的集沙口面積為2 cm×2 cm，共可測量高度1 m范圍內(nèi)的沙量。試驗結(jié)束后，對各集沙盒中的集沙采用測量精度為0.001 g的電子秤進行稱量，可得到沙濃度沿高度方向的梯度分布。風洞試驗布置及試驗儀器如圖1所示。

圖1 風洞試驗儀器及布置Fig.1 Wind tunnel test equipment and layout

為得到同一風速下不同落沙量下的流場特性及建筑物迎風面的沙粒沖擊力規(guī)律，本試驗采用指示風速13.31 m/s，該指示風速為風洞中凈風狀態(tài)下1 m高度處的平均風速，并在該指示風速下利用漏沙裝置進行不同孔數(shù)落沙(0.5孔、1孔、2孔，對應落沙量分別為0.235 kg/s、0.470 kg/s、0.940 kg/s)以模擬3種沙濃度(濃度1、濃度2、濃度3)，對應不同的風沙環(huán)境，另外，為保證試驗數(shù)據(jù)的準確性，對同一工況采用多次重復試驗進行驗證。

1.2 沙濃度

梯度集沙測試儀共有50路通道，可測量高度1 m范圍內(nèi)的沙濃度，沙濃度的計算公式如下：

式中：c/(g/m3)為沙粒濃度；Q/g為集沙量；t/s為集沙時間；A0/m2為集沙測試儀的開孔截面積；VH/(m/s)為H高度的通道集沙口處的平均風速。

由此得到在指示風速13.31 m/s時3種落沙濃度下的沙濃度沿高度方向上的分布如圖2所示。

圖2 指示風速13.31 m/s下的沙濃度梯度Fig.2 Sand concentration gradient at the indicated wind speed of 13.31 m/s

由圖2可知：在同一指示風速下，當落沙量分別為0.235 kg/s、0.470 kg/s、0.940 kg/s時，沙濃度沿高度方向上的梯度分布具有相同的規(guī)律，即均隨著高度的增加而減小，這是因為沙粒在飛行過程中受到自身重力的作用，故沙在運動過程中多集中在底部區(qū)域。另外，在落沙量分別為0.235 kg/s、0.470 kg/s、0.940 kg/s時，1 m高度內(nèi)的平均沙濃度分別為9.478 g/m3、26.237 g/m3、63.776 g/m3，即沙濃度隨落沙量的增大而增大，且其增加量隨著高度的增大而變小，這也是由沙的重力作用造成的。

1.3 風剖面

基于1.1節(jié)中提到的試驗設計工況，利用風速測試儀可得到指示風速13.31 m/s下凈風和3種落沙濃度下的風剖面，另外，由不同工況下的風剖面進行指數(shù)擬合得到各工況下的風剖面指數(shù)如圖3所示。圖中α1、α2、α3、α4分別對應凈風、濃度1、濃度2、濃度3。

圖3 指示風速13.31 m/s下的風剖面Fig.3 The wind profile at the indicated wind speed of 13.31 m/s

由圖3可知，在指示風速13.31 m/s時，風剖面指數(shù)隨著沙濃度的增大而增大，在濃度3落沙時達到最大值0.254。另外，3種落沙量下風沙場的風速相對于凈風風場風速均有不同程度的削減，且削減量與沙濃度有關，各落沙工況下不同高度處的風速相對凈風風剖面的削減量見表1。

表1 不同落沙量下風速相對凈風風速削減量Table 1 Reduction of wind speed relative to net wind speed under different falling sand amounts

由表1可知，同一指示風速13.31 m/s下，3種落沙量下的風速削弱值均隨高度的增大而減小，同時在該指示風速下，濃度1、濃度2、濃度3 9個測量高度處風速的平均削弱值分別為0.185 m/s、0.265 m/s、0.443 m/s，即3種落沙濃度下的削弱值規(guī)律為：濃度1<濃度2<濃度3。結(jié)合圖2中的沙濃度分布規(guī)律可知，沙濃度的大小與風速的削減程度密切相關，平均削弱值分別為0.185 m/s、0.265 m/s、0.443 m/s時對應的平均沙濃度分別為9.478 g/m3、26.237 g/m3、63.776 g/m3，即沙濃度越大，其相對凈風的削減量也越大，在0.940 kg/s落沙量時的最大沙濃度74.651 g/m3處，風沙場相對于凈風情況下的風速削減值最大，最大削減量為0.666 m/s。

1.4 湍流度

由風速儀測得的風速時程計算各高度方向上的湍流度，其計算方法為風速樣本數(shù)據(jù)的標準差與平均風速的比值，即：

式中：Ii表示高度i處的湍流度；σi/(m/s)為高度i處脈動風速的均方根；Ui/(m/s)為高度i處的平均風速。

因風洞實驗室為直流型風洞，與外界連通，為探究凈風場與風沙流場下湍流度的變化與沙濃度的直接關系，采用多次重復實驗進行試驗，且開展試驗時根據(jù)天氣情況在風速比較小的情況下安排試驗，風洞的進風口、出風口也設置了擋風裝置以減小外界風場的影響，以消除偶然誤差。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)由式(2)得到在指示風速13.31 m/s下凈風和3種落沙濃度下各測量高度處的湍流度分布規(guī)律如圖4所示。

圖4 指示風速13.31 m/s下的湍流度Fig.4 The turbulence at the indicated windspeed of 13.31 m/s

由圖4可知，在同一指示風速13.31 m/s及同一落沙濃度下，風沙場湍流度的增量隨著高度的減小而增大；凈風和含沙風場下的湍流度規(guī)律保持一致，均隨著高度的增加而減小，且風沙場的湍流度均大于凈風場下的湍流度，詳細增量值見表2。

表2 不同落沙量下湍流度相對凈風湍流度增加量Table 2 Increase of turbulence relative to net wind turbulence under different falling sand amount

由表2可知，同一指示風速13.31 m/s下，3種落沙量下的湍流度增加量均隨高度的增大而減小，同時在該指示風速下，濃度1、濃度1、濃度3 9個測量高度處湍流度的平均增量分別為0.630%、0.818%、1.287%，即3種落沙濃度下的增加量規(guī)律為：濃度1<濃度2<濃度3，而其對應的平均沙濃度和風速削減值分別為9.478 g/m3、26.237 g/m3、63.776 g/m3和0.185 m/s、0.265 m/s、0.443 m/s，這說明沙顆粒在削弱風速的同時，增加了風場的湍流強度從而使風場更加紊亂，且對風速的削弱作用和對湍流的增大作用均隨著沙濃度的增大而增大，在0.940 kg/s落沙量時的最大沙濃度74.651 g/m3處，風沙場相對于凈風情況下的湍流度增加量最大，最大增加量為2.285%。

2 天平測力試驗

2.1 天平測力試驗方案及設備

本試驗測力采用的設備是45E12A4型六分量高頻動態(tài)天平，見圖5，此天平能夠?qū)⒆饔迷谀Ｐ蜕系牧Π刺炱降闹苯亲鴺讼捣纸獬?個互相垂直的力分量以及繞3個坐標軸的力矩分量。測力天平主要由彈性連桿、力傳感器、十字剛性架與底座等組成。實驗時所采用的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，包括前置放大器和計算機系統(tǒng)。動態(tài)測力天平的信號通過應變儀的放大后轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，信號經(jīng)過氣動力分量以及頻譜處理以后，在計算機終端上以氣動力的變化曲線及功率譜密度曲線的形式體現(xiàn)出來，進行測力實驗時，采樣頻率取1000 Hz，取測力天平在采樣時間內(nèi)的平均值作為迎風面板所受的力。

圖5 高頻動態(tài)測力天平Fig.5 High frequency dynamic force balance

本試驗主要研究風沙環(huán)境下建筑物迎風面沙粒沖擊力規(guī)律，因進行風洞試驗的同時擬采用足尺房屋在沙漠地區(qū)采取現(xiàn)場實測的方式進行風沙荷載的測量，為與后續(xù)的實測結(jié)果進行對照，考慮到風洞實驗室的實際條件，對風場和試驗模型都采用了1∶10的縮尺比。雙坡屋面房屋采用縮尺比為1∶10后的模型尺寸為0.5 m×0.3 m×0.44 m，其中迎風面尺寸為0.5 m×0.4 m，另為得出迎風面沙粒沖擊力沿高度方向的變化規(guī)律，將實驗模型迎風面板分為相等的4份，各高度尺寸均為0.5 m×0.1 m，詳細劃分示意圖及劃分后各高度編號如圖6所示，試驗時用測力天平分別測量各高度板在凈風場和風沙場下所受到的力，將同一流場下4個高度處所受的力之和作為模型迎風面板所受的合力。

圖6 模型迎風面板劃分及編號Fig.6 Division and numbering of the windward panel of the model

進行測力試驗時保證迎風面與來風方向保持垂直，詳細模型布置方案示意圖如圖7所示，另本試驗僅考慮迎風面所受的沙粒沖擊力，故在進行試驗時保持迎風面板與其余部分無接觸而單獨把迎風面板固定在測力天平上，以保證天平測力結(jié)果為處于風場和風沙場中僅迎風面所受到的力，以免由于摩擦力的存在造成測力結(jié)果偏大。

2.2 天平測力試驗數(shù)據(jù)處理

在進行測力試驗時，在凈風場下，模型迎風面所受到的力僅為風力，而在風沙場下，風沙兩相流對模型迎風面的作用力包括風壓力和沙粒沖擊力，可表示為：

圖7 測力試驗模型布置Fig.7 Model layout of force test

式中：Ffs為風沙場下迎風面所受到的力，即風沙場下測力天平所測得的力；Ff為風沙場下迎風面所受到的風壓力；Fs為風沙場中迎風面所受到的沙粒沖擊力。

因此，為求得風沙場中模型迎風面所受到的沙粒沖擊力，需將沙粒沖擊力從風沙場中天平測得的力中分離出來。

風壓是垂直于氣流方向的平面所受到的風的壓力。根據(jù)伯努利方程可知風壓與風速的關系為：

式中：wp/(kN/m2)為風壓；ρ/(kg/m3)為空氣密度；v/(m/s)為風速。

試驗模型迎風面的風壓力與相應迎風面的面積有關，因試驗模型為雙坡屋面低矮房屋，考慮迎風面的體型系數(shù)μs后，模型迎風面所受到的風壓力可表示為：

式中：F/kN為風壓力；μs為雙坡屋面迎風面的體型系數(shù)；ρ/(kg/m3)為空氣密度；v/(m/s)為風速；s/m2為迎風面的面積。

由式(5)可知，風壓力與風速的二次方成正比，故可采用此關系，對風沙流場下的迎風面受力進行分離得出沙粒沖擊力如下：

式中：Ff0為凈風場下迎風面所受到的風壓力，即凈風場下測力天平所測得的力；v1為凈風場下模型各等分高度范圍內(nèi)的計算風速值，其取值為凈風場下各高度范圍內(nèi)中心高度處的風速；v2為風沙場下模型各等分高度范圍內(nèi)的計算風速值，其取值為風沙場下各高度范圍內(nèi)中心高度處的風速。

基于以上計算思路，為求得風沙場下迎風面所受的沙粒沖擊力，需測量凈風場和風沙場下迎風面所受到的力。

在指示風速13.31 m/s下進行凈風及3種落沙量下的天平測力試驗，得到各工況下迎風面所受的風壓力及沙粒沖擊力之和見表3。

表3 各工況下各高度面板風壓力和沙粒沖擊力之和/NTable 3 The sum of wind pressure and sand impact force at different heights under different conditions

由表3可知，同一指示風速時，在凈風場及風沙場下模型迎風面所受到的力隨著高度的增大而增大，風沙場下迎風面所受的力均大于凈風場下所受的力，且沙濃度越大增加值越明顯。

采用插值計算法得到各高度板中心高度處(35 cm、25 cm、15 cm、5 cm)的風速見表4。

表4 各工況下各高度面板中心高度處風速 /(m/s)Table 4 Wind speed at center height of each height panel under different conditions

由表3、表4及式(3)得到凈風場及風沙場下各高度板的風壓力見表5。

表5 各工況下各高度面板的風壓力 /NTable 5 Wind pressure of panels at different heights under different conditions

由表5可知，同一指示風速下，在凈風場及風沙場下模型迎風面所受到的風壓力隨著高度的增大而增大；隨著沙濃度的增大，迎風面所受的風壓力呈減小趨勢，這是由沙顆粒對風速的削減作用造成的。

由表3、表5及式(4)得到凈風場及風沙場下各高度板的沙粒沖擊力見表6。

表6 各工況下各高度面板的沙粒沖擊力 /NTable 6 Sand impact force of panels at different heights under different conditions

由表6可知，同一指示風速時，在風沙場作用下模型迎風面所受到的沙粒沖擊力隨著高度的增大而減??；而各高度處面板及整個迎風面所受到的沙粒沖擊力隨著沙濃度的增大而增大。

將以上各工況下整個迎風面所受的力匯總見表7及圖8。

由表7及圖8可知，相對于凈風情況，含沙風場下模型迎風面所測得的合力均有所增大，即風沙荷載對于建筑物的作用要大于風荷載的作用，這是因為風傳輸給沙顆粒能量使其具有一定的動量，當沙顆粒與建筑物的迎風面碰撞時，沙粒反彈，不像空氣是繞流，沙粒碰撞過程消耗的能量更大，產(chǎn)生的沖擊力也較大，相對于由于風速削減而減小的風壓力來講，該沖擊力要大于風壓力的削減量。

表7 各工況下整個迎風面的力 /NTable 7 The force of the entire windward surface under different conditions

圖8 各工況下整個迎風面的力Fig.8 The force of the entire windward surface under different conditions

另外，由圖7和圖8可知，風沙場下模型迎風面所測得的合力隨著沙濃度的增大而增大，在濃度3落沙時達到最大值，這是因為參與碰撞的沙顆粒數(shù)增多造成的。風壓力隨著落沙量的增大而減小，結(jié)合1.2節(jié)中風速及沙濃度梯度分布可知，雖然落沙量增大使得風速的削減量越大，即風沙場下模型迎風面所受到的風壓力減小，但沙顆粒的沖擊力要大于風壓力的削減值，從而使得天平所測得的力要隨著落沙量的增大而增大。另外，對不同落沙濃度下的沙粒沖擊力進行分析可知，相同指示風速下，含沙風場中沙粒沖擊力隨著落沙量的增大而增大，結(jié)合圖2中的沙濃度梯度分布，即沙粒沖擊力隨著沙濃度的增大而增大，相對于凈風下的風壓力來講，最大落沙量下所得到的最大沙粒沖擊力值為風壓力的21.2%。

3 結(jié)論

本文通過風洞試驗及高頻動態(tài)天平測力試驗研究了風沙場的流場特性及風沙環(huán)境下建筑物迎風面所受到的沙粒沖擊力規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1) 相同指示風速下，沙濃度隨著高度的增加而減小，同一高度處的沙濃度隨著落沙量的增大而增大；沙顆粒對風速有削弱作用，且沙濃度越大該削弱作用越明顯；沙顆粒對湍流度有增強作用，且沙濃度越大，該增強作用越明顯。

(2) 相同指示風速下，凈風場及風沙流場下建筑物迎風面各高度處所受的風壓力和沙粒沖擊力之和隨著隨著高度的增大而增大；風壓力隨著高度的增大而增大；沙粒沖擊力隨著高度的增大而減小。

(3) 相同指示風速下，建筑物整個迎風面受到的力隨著落沙量的增大而增大；由于沙顆粒對風速的削弱作用，迎風面所受到的風壓力隨著落沙量的增大而減?。簧沉_擊力由于落沙量的增大而隨著沙濃度的增大而增大，最大達到了風壓力的21.2%。