Irwin探頭在群體建筑風環(huán)境測定中的運用

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本文作者：馬文勇、劉慶寬、劉小兵、尉耀元 單位：石家莊鐵道大學風工程研究中心

隨著城市建筑群體，尤其是城市公共建筑群體的發(fā)展，建筑群體內(nèi)行人舒適性問題成為風環(huán)境研究的重要方向之一。建筑周圍行人高度風環(huán)境的研究主要包含建筑周圍風速的確定[1-4]、風中行人舒適度的判別準則[5-7]以及有效的改善建筑周邊風場從而改善風環(huán)境的措施。

數(shù)值方法[3,4,8,9]和風洞試驗方法[2,10-13]均用于行人高度風環(huán)境的確定中。盡管熱線風速儀和熱膜法可以準確的進行建筑周邊行人高度風測試，但是行人高度風測試探頭使用起來最為方便[2]，其中irwin探頭就屬于專門用于行人高度全方向風速測試的探頭[1]。Irwin探頭并非標準的風速測量設(shè)備，由于制作工藝的限制，因此Irwin探頭在使用前需要進行詳細的標定，同時由于是全方向風速測試探頭，Irwin探頭無法確定測試風速對應(yīng)的風向。本文采用Irwin探頭結(jié)合一種簡單的風向測試設(shè)備對某高層建筑群的行人高度風進行了測試，通過測試給出了該建筑群的內(nèi)部及周邊行人高度風環(huán)境，為建筑群的設(shè)計提供了建議，同時也討論了Irwin的標定、行人高度風速及風向測試技術(shù)。

1Irwin探頭的制作及標定

一般低于兩米的行人高度在縮尺模型在風洞中距離風洞底面或者結(jié)構(gòu)表面很低，因此要求行人高度風的測試設(shè)備一定要足夠小。1981年，Irwin[1]提出了一種方便有效的全方向行人高度風速測試設(shè)備，稱為Irwin探頭。

1.1探頭制作及測試原理

Irwin探頭的示意圖見圖1。本文采用的探頭采用有機玻璃與中空鋼針制作Iwrin探頭測試風速的基本原理是A端的風速與A、B端的壓差成正比。其中pB、pA分別為探頭兩端的風壓，a、b為探頭的標定系數(shù)，Uh為距離底面標高h處(即A點)的風速。

1.2探頭標定

圖2為Irwin探頭標定示意圖，其中標定支架平板采用3mm厚有機玻璃板制作，邊長為80cm，端部采用15度向下倒角，支架平板距離風洞底面高50cm(測試位置處風洞邊界層小于26cm)。來流方向沿x正向。本文風速測量采用澳大利亞TFI(TurbulentFlowInstrucmention)公司生產(chǎn)的Cobra探頭；風壓測量采用美國Scanvival公司生產(chǎn)的ZOC33壓力掃描閥在選擇待標定Irwin探頭布置區(qū)域前，對標定支架平板表面風速進行了測試。圖3給出了來流風速為15m/s時，平板y=0，x=15～135mm，距離平板面10mm高度處的風速。根據(jù)測試結(jié)果采用最小二乘法擬合的曲線可以計算得到，當來流風速為U0=15m/s時，距離平板端部39.96mm處的風速最接近來流風速，因此標定時取圖2中D=40mm，經(jīng)過測試在平板y方向，距離兩端120mm以內(nèi)，風速偏差在1%以內(nèi)，本文偏于保守的取圖2中S=180mm。通過不同風速下的測定驗證，上述D與S的取值能保證，待標定探頭布置區(qū)域風速的均勻性，其風速偏差在1%以內(nèi)。圖4為隨機選取的四個探頭的標定直線，其中圖4圖例中括弧內(nèi)的數(shù)據(jù)表示每個探頭擬合直線回歸分析的判定系數(shù)，該系數(shù)越接近1說明擬合優(yōu)度越大。本文隨機取出的4個探頭擬合數(shù)據(jù)的判定系數(shù)均大于0.999，因此用線性關(guān)系可以準確的描述p與hU的關(guān)。圖4中探頭按照同一種規(guī)格加工而成，得到的標定曲線有一定的差別，因此在不能嚴格保證加工精度的情況下，同每個探頭需要單獨標定。由公式(1)可知由于探頭標定線性關(guān)系中截距a的存在，當p0時，hUa，如本文中探頭1的標定系數(shù)中a≈0.52，因此對于小風速，按照標定直線計算得到的風速誤差將會比較大，同時由圖4可以看出，在接近4m/s的風速下，p的數(shù)值在4pa左右，而當風速接近15m左右時，p的數(shù)值在50～80pa左右考慮的風壓測試設(shè)備的測量誤差，因此無論從標定還是從測試角度來講，Irwin探頭測試精度將會隨風速的降低而降低。由于Irwin探頭是全風向風速測量設(shè)備，對不同來流方向下Irwin探頭的標定結(jié)果表明，對于加工精度高的探頭而言，各個方向的標定結(jié)果非常接近，本文試驗中采用的探頭均是以此為依據(jù)進行篩選后得到的。

2風向測試Irwin探頭為一全方向風速測試設(shè)備，因此僅采用測設(shè)備無法得到行人高度出的風向信息，限制了行人高度風環(huán)境尤其是行人高度風環(huán)境改善措施的研究。煙線法、絲線法、刷蝕法等等都簡便的定性流動顯示方法，本文采用一種更簡單易加工的風向測試設(shè)備，通過拍照的形式得到行人高度出的平均風向信息。相比煙線法更簡單一些，比絲線法更敏感。圖5為本文采用的風向測試設(shè)備。主要采用可以繞桿軸旋轉(zhuǎn)的風向標來測試風向。本文采用大頭針作為桿軸，空心塑膠管作為轉(zhuǎn)軸，黑色膠帶作為風向標制作得到便于固定、使用方便、對風速更為靈敏的風向測試設(shè)備。

3某群體高層建筑風環(huán)境測試實例

3.1風速比

行人高度風環(huán)境測試的試驗結(jié)論是行人高度處測試風速與來流風速之比，該比值反映了建筑結(jié)構(gòu)對來流風速的放大效應(yīng)。定義i處的風速比為Vi其中0V為行人高度處自由來流的平均風速。本文測試了以10°為間隔360°風向角下行人高度(2m高度)處風速比，對不同風向角進行統(tǒng)計得到了最大風速比及對應(yīng)的風向角見圖6。圖6中斜線填充區(qū)域為高層建筑地面輪廓，其中包含高度超過100m的三棟高層建筑。共布置了47個Irwin探頭進行測試，探頭測試結(jié)果風速比后括弧內(nèi)數(shù)據(jù)表示發(fā)生該最大風速比時的風向角，0°風向角如圖6中所示，按逆時針旋轉(zhuǎn)增加。圖6中虛線區(qū)域為風速比較大區(qū)域，可以看出，由于三棟建筑之間存在三個20m～30m左右的夾縫，形成了“窄道效應(yīng)”，該區(qū)域內(nèi)的風速比較大，最大風速比達到了3.12，即該處的風速為來流風速的3倍以上放大效應(yīng)明顯。流體流經(jīng)結(jié)構(gòu)角部的加速效應(yīng)造成結(jié)構(gòu)角部的風速比也比較大。

3.2風向

圖7給出采用本文的風向測試設(shè)備測試得到的0°風向角的風向，圖中箭頭表示風向。風向的記錄的方法是采用高清照相機記錄風向測試設(shè)備的狀態(tài)后通過圖像處理的方法獲得測試位置的風向。采用本文的方法基本可以得到風向，測試中發(fā)現(xiàn)，由于風向標在脈動風場中不停的擺動，部分流場復雜的區(qū)域，甚至發(fā)生風向標轉(zhuǎn)動現(xiàn)象，因此該方法得到的風向無法描述方向變化幅度較大區(qū)域的風向信息。

3.3舒適性評估

行人高度風環(huán)境主要通過來流條件、風速比與評價準則三方面對行人的舒適度進行評價。文獻[14]中提到，當風速大于6m/s時，行人開始感覺到不舒適；大于9m/s時，行人的動作會受到影響；當風速達到15m/s時，行人的步履控制會受到影響；處在大于20m/s的風速中的行人是比較危險的，這與Lawson[15]的危險性平均風速閥值是一致的。按照風剖面指數(shù)為0.22，則當10m高度處風速大于10.7m/s時，本項目中風速比大于2.0的位置，行人高度出風速將達到15m/s；則當10m高度處風速大于9.5m/s時，本項目中風速比大于3.0的位置，行人高度出風速將達到20m/s。對于項目所在地的北京地區(qū)，大于10m/s的風速時有發(fā)生，因此該項目行人高度風環(huán)境問題突出，需要采用風環(huán)境改善措施。

4結(jié)論

本文采用自制Irwin探頭與簡便風向測試設(shè)備測試了某群體建筑風速比及風向，結(jié)果表明準確制作及標定的Irwin探頭具有很好的線性度，可以得到準確的風速，測試中應(yīng)當考慮到壓力測試設(shè)備的精度，盡量在較高的風速下測量；采用拍照方式記錄的風向標基本上可以得到行人風環(huán)境高度出的風向信息；采用上述方法測試實例說明，群體建筑狹管效應(yīng)和角區(qū)氣流效應(yīng)造成該區(qū)域內(nèi)風速比較大，風環(huán)境問題突出，需要采用風環(huán)境改善措施。由于行人高度處地面干擾物復雜，風向不穩(wěn)定，采用本文提出的簡易風向測試設(shè)備可以方便的給出相對穩(wěn)定區(qū)域的風向，測試方法簡單，可以為風環(huán)境改善措施的開發(fā)提供依據(jù)。