非平稳特性模拟失真对于传统大气边界层被动风洞试验技术可靠性的影响

Based on the assumption of stationarity, the traditional passive ABL wind tunnel modeling technique can not simulate the realistic ABL flow fields of nonstationarity, which might adversely affect the reliability of the technique. However, the nonstationarity effect cannot be studied by simply comparing field measurement results with model test results, because the deviation between field measurement results and model test results equals the sum of several effects, including the Reynolds number effect, the turbulence characteristic effect, the nonstationarity effect, etc. To this end, this research proposes a scheme which aims at reasonably separating the several effects utilizing the multiple-fan actively controlled wind tunnel modeling technique. Using large cooling towers as a case study, this research will accurately simulate the realistic nonstationary ABL flow field in a multiple-fan actively controlled wind tunnel based on the proposed scheme, and open up a new way for future similar comparative studies by the wind engineering community. It is believed that after extensive comparisons between the nonstationarity effect and other adverse effects, we can finally come to the conclusion that the nonstationarity effect is/is not a significant influence, and improve the traditional passive ABL wind tunnel modeling technique accordingly.

传统大气边界层被动风洞试验技术无法模拟真实来流的非平稳特性，影响试验结果的可靠性。这一问题的相关研究较少，一个重要原因是研究人员无法直接通过比较现场实测与风洞试验结果量化非平稳特性效应，二者的差值中不仅包括非平稳特性效应，还混杂了雷诺数效应以及湍流特性效应。利用多风扇主动控制风洞试验技术，本课题提出能够从试验总误差中合理分离出湍流特性效应和雷诺数效应、从而单独量化非平稳特性效应的研究方案，并基于该方案以大型冷却塔为对象开展数值模拟、风洞试验和现场实测研究，从而掌握非平稳特性效应的影响规律，明确传统被动风洞试验技术无法模拟真实来流非平稳特性对结果可靠性的影响，为有针对性地改进被动风洞试验技术、提高风洞试验可靠性和试验结果的准确性提供坚实的基础。

项目参与者围绕非平稳特性模拟失真对于传统大气边界层被动风洞试验技术可靠性的影响这一主题，以验证申请书提出的基于多风扇主动控制风洞试验技术从被动风洞试验总误差中合理分离湍流特性效应、非平稳特性效应和雷诺数效应的研究方案之可行性，并以大型冷却塔为背景，初步明确非平稳特性效应是否是影响传统被动风洞试验技术可靠性的主要因素为目标开展研究工作，突破了多风扇主动控制风洞中非平稳流场的模拟这一关键科学问题，完成了大体量冷却塔现场实测数据处理与分析、主动风洞试验、被动风洞试验以及试验结果分析这四项研究内容。具体而言，取得的研究进展及重要成果包括：（1）以数值模拟为手段，确定了圆柱绕流准稳态区域，提出了基于小波包变换的风速样本非平稳水平计算方法，通过比较现场不同非平稳水平风场中实测获取的彭城冷却塔表面风荷载特性揭示了实际冷却塔表面风荷载的非平稳特性效应；（2）提出了以实测风场特性为模拟目标的被动风洞高精度平稳大气边界层风场模拟方法，并通过调整放置于风洞试验段入口处的被动模拟装置（尖劈和粗糙元）的数量及位置在同济大学TJ-3风洞中成功模拟出了高精度平稳大气边界层风场；（3）基于数值平台，发现了一个复杂非平稳风速样本可以视为若干简单正弦波的线性叠加，而在复杂非平稳风场中获得的风效应近似等于若干简单正弦波风场中获得的风效应的均值这一重要结论，并提出了将原始非平稳速度样本分解为多个基本正弦波，并在主动控制风洞中分别模拟每个正弦波流场，从而获得具有非平稳特性高度真实的大气边界层湍流场中的试验塔表风效应的主动风洞试验技术；（4）通过比对分别量化了雷诺数效应、非平稳特性效应、湍流特性效应以及传统大气边界层风洞试验总误差，获得了对于传统圆截面构筑物被动风洞测压试验，非平稳特性效应虽不如雷诺数效应显著，却不应忽视的结论；（5）在课题资助下，已发表相关SCI检索论文9篇。

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