建筑结构丨风洞漫谈

本文转载自iStructure微信公众号

在建筑结构的设计中，风是一个绕不过的问题。今天小i请到特约作者Panboa，为我们介绍风洞的历史和发展。

风洞的历史

最早的风洞，是为了测试飞机模型的空气动力学特性而发明的。谈到飞机，大家一定会想到莱特兄弟。

莱特兄弟的第一次成功飞行持续了12秒，航程36.5米。这是人类历史上第一次实现重于空气的航空器持续而且受控的动力飞行。莱特兄弟的成功，很大程度上应该归功于他们把风洞技术应用到了飞机的设计中来。

当前辈们为了获得升力数据一次又一次冒着生命危险趴在滑翔机上靠扭动着身体来控制飞行时，莱特兄弟忽然想，把机翼固定起来，给它吹风不是也一样吗？于是，他们制造了一个简单的风洞，大概就是下面这个样子。

其实在莱特兄弟之前，英国的赫伯特.温罕姆，在1871年便为英国航空学会设计出了世界上第一个风洞。他是英国航空动力学的先驱人物，美国航空学会的创始人之一。尽管他那个风洞的实验段尺寸只有0.46mX0.46m，比莱特兄弟的要小一些，但各国航空动力学研究者仍然承认，温罕姆所设计的风洞是世界上最早的风洞。

风洞的大量出现则是在20世纪中叶。现在世界上最大的风洞“Ames风洞”，属于航天领域的老大——美国国家航空和航天局(NASA)。1939年建造，总耗资30亿美金。最初成立是为了从事对螺旋桨飞机的空气动力学的风洞研究，逐渐发展到航天和信息技术。目前有2300名员工，每年享有8.6亿美元的政府财政预算支持。

通过以下图片我们可以感受到ames风洞的庞大。

1936年4月，清华大学航空工程组自行研制成功国内第一个5英尺航空风洞，风洞采用回流式，最大直径为3米，试验段剖面为圆形，直径1.5米。该校王士倬等4人关于此风洞的论文被评为1936年中国工程师学会论文第一奖。1936年11月，清华大学在南昌成立航空研究所，是旧中国仅有的两个航空科研机构之一。

1937年，清华大学在南昌建造成4.5米回流式大风洞，圆形剖面试验段正常直径为4.57米，可以缩小一半，也可放大到6米，最大气流速度58米/秒。这个风洞是当时世界上最大的风洞之一，比加州理工学院的风洞要大50％，标志着中国航空工业发展的一个新阶段。

我国现在的航空航天事业的发展，离不开国家在风洞建设领域的巨大投入。目前，在四川西北的群山中，有一个总体规模居世界第三、亚洲第一的风洞群，拥有50余座配套的低速、高速、超高速气动力和气动热试验设备和特种试验设备。我国自行研制的各种航空航天飞行器，都要在这里进行空气动力试验。

建筑和桥梁的风洞试验

随着工业技术的发展，风洞试验从航空航天领域扩大到一般工业和民用部门。土木建筑工程中的风流动主要涉及钝体空气动力学，解决这些流动的理论和计算方法难度较高，风洞试验自然就成了该领域的研究工具。

20世纪30年代，英国物理实验室在低湍流度的航空风洞中进行了风对建筑物和构筑物影响的研究工作，指出了在风洞模拟大气边界层湍流结构的重要性。1934年，德国L．Prandtl在哥廷根流体力学研究所建造了世界上第一座环境风洞，开展环境问题的实验研究。

L．Prandtl教授和风洞设计图

20世纪50年代末，丹麦M．Jensen对于风洞模型相似律问题作了阐述，认为必须模拟大气边界层的特性。另外，美国的Cermark在科罗拉多州大学以及加拿大的Davenport在西安大略大学分别建成了长实验段的大气边界层风洞，标志着对风工程有了专门的模拟实验研究设备。

Davenport教授

从20世纪80年代开始，大气边界层风特性的模拟技术，特别是大尺度湍流的模拟技术有了较大的发展。应用风洞模拟各种气象、地面及地形条件的范围进一步扩大，研究风载、风致动力响应问题的能力也有了进一步的提高。

边界层风洞主要有回流风洞、直流风洞两种。这两种风洞一般通过尖劈、格栅和粗糙元模拟边界层风剖面，也叫被动式边界层风洞。区别于被动风洞，还有一种主动风洞。

▲回流风洞

▲直流风洞

▲主动控制风洞

建筑和桥梁风洞实验中，一般采用以下4种：测压模型实验，高频动态测力天平试验，桥梁专门模型（节段模型）实验以及气动弹性模型实验。

▲测压模型实验

▲高频动态测力天平试验

▲桥梁专门模型（节段模型---测力、测振-识别气动参数）

▲全桥气弹模型实验

促进风理论进步的两起风灾

在谈论边界层风洞技术的发展和建设的过程中，有必要介绍两起促进了风工程理论发展的风灾事件。

1）渡桥(Ferrybridge)电厂冷却塔倒塌事故

1965年英国渡桥(Ferrybridge)电厂冷却塔群中，处于下风向的三座塔在五年一遇的大风中发生倒塌，引起人们对冷却塔风荷载的极大关注。根据事故调查，倒塌原因主要归结为没有考虑脉动风作用和群塔干扰效应而带来的设计强度不足，因而导致迎风面子午向钢筋的拉破坏。

1940年11月7日,美国华盛顿州新建成的塔科马悬索桥,在风速为19 m/s的大风中加劲梁经受70 min的剧烈振动后垮塌,振动中主跨1/4点附近扭角振幅约±35°。自1940年7月1日开通运营以来，即使微风轻拂，加劲梁的竖向振动经常发生。这种竖向振动在一定程度上引起当地公众的注意，并为该桥赢得“疾驰Gertie”的绰号；另一方面，该振动引起了密切监测桥梁振动型式的结构工程师的高度关注。

塔科马桥垮塌后，美国当局发起了大规模的调查研究。在华盛顿大学Farquharson教授带领下进行,以弄清桥梁失效的原因,并为悬索桥的抗风设计提供指南。研究结果编成5卷报告,内容包括:(1)风致桥梁损毁的历史性回顾；(2)悬索桥结构动力学；(3)悬索桥气动分析的平板势流理论；(4)全桥模型及节段模型的风洞试验技术；(5)跨越塔科马海峡新悬索桥的气动设计。该报告在桥梁气动领域公认具有里程碑意义。

数值风洞

与风洞实验相对应的是数值风洞技术。随着计算机软硬件的迅速发展及计算流体力学的日趋成熟，使在计算机上建立风洞模型成为可能。所谓数值风洞，就是在计算机上做风洞试验。它基于计算流体动力学（CFD）原理，选择合适的空气湍流数学模型，再结合一定的数值算法和图形显示技术，能够将“风洞”结果形象、直观地显示出来。相比于传统的模型试验方法，数值风洞计算周期短、价格低廉、数据信息丰富、并且可方便模拟各种不同情况。

数值风洞技术广泛应用于军用与民用领域，作为风洞实验之外的补充与另一选择。

参考文件：

1 百度百科

2 维基百科

3 渡桥电厂冷却塔倒塌的塔型因素分析_沈国辉

4 渡桥电厂冷却塔风毁事故介绍和分析_张军锋

5 60年后塔科马大桥的空气动力研究_万田保

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