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的風向。本文采用Irwin探頭結合一種簡單的風向測試設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部及周邊行人高度風環(huán)境，為建筑群的設計提供了建議，同時也討論了Irwin的標定、行人高度風速及風向測試技術。
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構表面很低，因此要求行人高度風的測試設備一定要足夠小。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，風速偏差在1%以內，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。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，因此用線性關系可以準確的描述p與hU的關。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備，對不同來流方向下Irwin探頭的標定結果表明，對于加工精度高的探頭而言，各個方向的標定結果非常接近，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備，因此僅采用測設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備。主要采用可以繞桿軸旋轉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備。
3.1風速比
行人高度風環(huán)境測試的試驗結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構對來流風速的放大效應。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，探頭測試結果風速比后括弧內數(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”，該區(qū)域內的風速比較大，最大風速比達到了3.12，即該處的風速為來流風速的3倍以上放大效應明顯。流體流經(jīng)結構角部的加速效應造成結構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結論
本文采用自制Irwin探頭與簡便風向測試設備測試了某群體建筑風速比及風向，結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，測試中應當考慮到壓力測試設備的精度，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，群體建筑狹管效應和角區(qū)氣流效應造成該區(qū)域內風速比較大，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)。