Irwin探頭在群體建筑風(fēng)環(huán)境測(cè)定中的運(yùn)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(xué)風(fēng)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(wèn)題成為風(fēng)環(huán)境研究的重要方向之一。建筑周?chē)腥烁叨蕊L(fēng)環(huán)境的研究主要包含建筑周?chē)L(fēng)速的確定[1-4]、風(fēng)中行人舒適度的判別準(zhǔn)則[5-7]以及有效的改善建筑周邊風(fēng)場(chǎng)從而改善風(fēng)環(huán)境的措施。
數(shù)值方法[3,4,8,9]和風(fēng)洞試驗(yàn)方法[2,10-13]均用于行人高度風(fēng)環(huán)境的確定中。盡管熱線風(fēng)速儀和熱膜法可以準(zhǔn)確的進(jìn)行建筑周邊行人高度風(fēng)測(cè)試，但是行人高度風(fēng)測(cè)試探頭使用起來(lái)最為方便[2]，其中irwin探頭就屬于專門(mén)用于行人高度全方向風(fēng)速測(cè)試的探頭[1]。Irwin探頭并非標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)速測(cè)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(jìn)行詳細(xì)的標(biāo)定，同時(shí)由于是全方向風(fēng)速測(cè)試探頭，Irwin探頭無(wú)法確定測(cè)試風(fēng)速對(duì)應(yīng)的風(fēng)向。本文采用Irwin探頭結(jié)合一種簡(jiǎn)單的風(fēng)向測(cè)試設(shè)備對(duì)某高層建筑群的行人高度風(fēng)進(jìn)行了測(cè)試，通過(guò)測(cè)試給出了該建筑群的內(nèi)部及周邊行人高度風(fēng)環(huán)境，為建筑群的設(shè)計(jì)提供了建議，同時(shí)也討論了Irwin的標(biāo)定、行人高度風(fēng)速及風(fēng)向測(cè)試技術(shù)。
1Irwin探頭的制作及標(biāo)定
一般低于兩米的行人高度在縮尺模型在風(fēng)洞中距離風(fēng)洞底面或者結(jié)構(gòu)表面很低，因此要求行人高度風(fēng)的測(cè)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(fēng)速測(cè)試設(shè)備，稱為Irwin探頭。
1.1探頭制作及測(cè)試原理
Irwin探頭的示意圖見(jiàn)圖1。本文采用的探頭采用有機(jī)玻璃與中空鋼針制作Iwrin探頭測(cè)試風(fēng)速的基本原理是A端的風(fēng)速與A、B端的壓差成正比。其中pB、pA分別為探頭兩端的風(fēng)壓，a、b為探頭的標(biāo)定系數(shù)，Uh為距離底面標(biāo)高h(yuǎn)處(即A點(diǎn))的風(fēng)速。
1.2探頭標(biāo)定
圖2為Irwin探頭標(biāo)定示意圖，其中標(biāo)定支架平板采用3mm厚有機(jī)玻璃板制作，邊長(zhǎng)為80cm，端部采用15度向下倒角，支架平板距離風(fēng)洞底面高50cm(測(cè)試位置處風(fēng)洞邊界層小于26cm)。來(lái)流方向沿x正向。本文風(fēng)速測(cè)量采用澳大利亞TFI(TurbulentFlowInstrucmention)公司生產(chǎn)的Cobra探頭；風(fēng)壓測(cè)量采用美國(guó)Scanvival公司生產(chǎn)的ZOC33壓力掃描閥在選擇待標(biāo)定Irwin探頭布置區(qū)域前，對(duì)標(biāo)定支架平板表面風(fēng)速進(jìn)行了測(cè)試。圖3給出了來(lái)流風(fēng)速為15m/s時(shí)，平板y=0，x=15～135mm，距離平板面10mm高度處的風(fēng)速。根據(jù)測(cè)試結(jié)果采用最小二乘法擬合的曲線可以計(jì)算得到，當(dāng)來(lái)流風(fēng)速為U0=15m/s時(shí)，距離平板端部39.96mm處的風(fēng)速最接近來(lái)流風(fēng)速，因此標(biāo)定時(shí)取圖2中D=40mm，經(jīng)過(guò)測(cè)試在平板y方向，距離兩端120mm以內(nèi)，風(fēng)速偏差在1%以內(nèi)，本文偏于保守的取圖2中S=180mm。通過(guò)不同風(fēng)速下的測(cè)定驗(yàn)證，上述D與S的取值能保證，待標(biāo)定探頭布置區(qū)域風(fēng)速的均勻性，其風(fēng)速偏差在1%以內(nèi)。圖4為隨機(jī)選取的四個(gè)探頭的標(biāo)定直線，其中圖4圖例中括弧內(nèi)的數(shù)據(jù)表示每個(gè)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(shuō)明擬合優(yōu)度越大。本文隨機(jī)取出的4個(gè)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(zhǔn)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(biāo)定曲線有一定的差別，因此在不能?chē)?yán)格保證加工精度的情況下，同每個(gè)探頭需要單獨(dú)標(biāo)定。由公式(1)可知由于探頭標(biāo)定線性關(guān)系中截距a的存在，當(dāng)p0時(shí)，hUa，如本文中探頭1的標(biāo)定系數(shù)中a≈0.52，因此對(duì)于小風(fēng)速，按照標(biāo)定直線計(jì)算得到的風(fēng)速誤差將會(huì)比較大，同時(shí)由圖4可以看出，在接近4m/s的風(fēng)速下，p的數(shù)值在4pa左右，而當(dāng)風(fēng)速接近15m左右時(shí)，p的數(shù)值在50～80pa左右考慮的風(fēng)壓測(cè)試設(shè)備的測(cè)量誤差，因此無(wú)論從標(biāo)定還是從測(cè)試角度來(lái)講，Irwin探頭測(cè)試精度將會(huì)隨風(fēng)速的降低而降低。由于Irwin探頭是全風(fēng)向風(fēng)速測(cè)量設(shè)備，對(duì)不同來(lái)流方向下Irwin探頭的標(biāo)定結(jié)果表明，對(duì)于加工精度高的探頭而言，各個(gè)方向的標(biāo)定結(jié)果非常接近，本文試驗(yàn)中采用的探頭均是以此為依據(jù)進(jìn)行篩選后得到的。
2風(fēng)向測(cè)試Irwin探頭為一全方向風(fēng)速測(cè)試設(shè)備，因此僅采用測(cè)設(shè)備無(wú)法得到行人高度出的風(fēng)向信息，限制了行人高度風(fēng)環(huán)境尤其是行人高度風(fēng)環(huán)境改善措施的研究。煙線法、絲線法、刷蝕法等等都簡(jiǎn)便的定性流動(dòng)顯示方法，本文采用一種更簡(jiǎn)單易加工的風(fēng)向測(cè)試設(shè)備，通過(guò)拍照的形式得到行人高度出的平均風(fēng)向信息。相比煙線法更簡(jiǎn)單一些，比絲線法更敏感。圖5為本文采用的風(fēng)向測(cè)試設(shè)備。主要采用可以繞桿軸旋轉(zhuǎn)的風(fēng)向標(biāo)來(lái)測(cè)試風(fēng)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(fēng)向標(biāo)制作得到便于固定、使用方便、對(duì)風(fēng)速更為靈敏的風(fēng)向測(cè)試設(shè)備。
3某群體高層建筑風(fēng)環(huán)境測(cè)試實(shí)例
3.1風(fēng)速比
行人高度風(fēng)環(huán)境測(cè)試的試驗(yàn)結(jié)論是行人高度處測(cè)試風(fēng)速與來(lái)流風(fēng)速之比，該比值反映了建筑結(jié)構(gòu)對(duì)來(lái)流風(fēng)速的放大效應(yīng)。定義i處的風(fēng)速比為Vi其中0V為行人高度處自由來(lái)流的平均風(fēng)速。本文測(cè)試了以10°為間隔360°風(fēng)向角下行人高度(2m高度)處風(fēng)速比，對(duì)不同風(fēng)向角進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到了最大風(fēng)速比及對(duì)應(yīng)的風(fēng)向角見(jiàn)圖6。圖6中斜線填充區(qū)域?yàn)楦邔咏ㄖ孛孑喞?，其中包含高度超過(guò)100m的三棟高層建筑。共布置了47個(gè)Irwin探頭進(jìn)行測(cè)試，探頭測(cè)試結(jié)果風(fēng)速比后括弧內(nèi)數(shù)據(jù)表示發(fā)生該最大風(fēng)速比時(shí)的風(fēng)向角，0°風(fēng)向角如圖6中所示，按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)增加。圖6中虛線區(qū)域?yàn)轱L(fēng)速比較大區(qū)域，可以看出，由于三棟建筑之間存在三個(gè)20m～30m左右的夾縫，形成了“窄道效應(yīng)”，該區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速比較大，最大風(fēng)速比達(dá)到了3.12，即該處的風(fēng)速為來(lái)流風(fēng)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(fēng)速比也比較大。
3.2風(fēng)向
圖7給出采用本文的風(fēng)向測(cè)試設(shè)備測(cè)試得到的0°風(fēng)向角的風(fēng)向，圖中箭頭表示風(fēng)向。風(fēng)向的記錄的方法是采用高清照相機(jī)記錄風(fēng)向測(cè)試設(shè)備的狀態(tài)后通過(guò)圖像處理的方法獲得測(cè)試位置的風(fēng)向。采用本文的方法基本可以得到風(fēng)向，測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，由于風(fēng)向標(biāo)在脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)中不停的擺動(dòng)，部分流場(chǎng)復(fù)雜的區(qū)域，甚至發(fā)生風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象，因此該方法得到的風(fēng)向無(wú)法描述方向變化幅度較大區(qū)域的風(fēng)向信息。
3.3舒適性評(píng)估
行人高度風(fēng)環(huán)境主要通過(guò)來(lái)流條件、風(fēng)速比與評(píng)價(jià)準(zhǔn)則三方面對(duì)行人的舒適度進(jìn)行評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[14]中提到，當(dāng)風(fēng)速大于6m/s時(shí)，行人開(kāi)始感覺(jué)到不舒適；大于9m/s時(shí)，行人的動(dòng)作會(huì)受到影響；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到15m/s時(shí)，行人的步履控制會(huì)受到影響；處在大于20m/s的風(fēng)速中的行人是比較危險(xiǎn)的，這與Lawson[15]的危險(xiǎn)性平均風(fēng)速閥值是一致的。按照風(fēng)剖面指數(shù)為0.22，則當(dāng)10m高度處風(fēng)速大于10.7m/s時(shí)，本項(xiàng)目中風(fēng)速比大于2.0的位置，行人高度出風(fēng)速將達(dá)到15m/s；則當(dāng)10m高度處風(fēng)速大于9.5m/s時(shí)，本項(xiàng)目中風(fēng)速比大于3.0的位置，行人高度出風(fēng)速將達(dá)到20m/s。對(duì)于項(xiàng)目所在地的北京地區(qū)，大于10m/s的風(fēng)速時(shí)有發(fā)生，因此該項(xiàng)目行人高度風(fēng)環(huán)境問(wèn)題突出，需要采用風(fēng)環(huán)境改善措施。
4結(jié)論
本文采用自制Irwin探頭與簡(jiǎn)便風(fēng)向測(cè)試設(shè)備測(cè)試了某群體建筑風(fēng)速比及風(fēng)向，結(jié)果表明準(zhǔn)確制作及標(biāo)定的Irwin探頭具有很好的線性度，可以得到準(zhǔn)確的風(fēng)速，測(cè)試中應(yīng)當(dāng)考慮到壓力測(cè)試設(shè)備的精度，盡量在較高的風(fēng)速下測(cè)量；采用拍照方式記錄的風(fēng)向標(biāo)基本上可以得到行人風(fēng)環(huán)境高度出的風(fēng)向信息；采用上述方法測(cè)試實(shí)例說(shuō)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(fēng)速比較大，風(fēng)環(huán)境問(wèn)題突出，需要采用風(fēng)環(huán)境改善措施。由于行人高度處地面干擾物復(fù)雜，風(fēng)向不穩(wěn)定，采用本文提出的簡(jiǎn)易風(fēng)向測(cè)試設(shè)備可以方便的給出相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域的風(fēng)向，測(cè)試方法簡(jiǎn)單，可以為風(fēng)環(huán)境改善措施的開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。