風洞是指在一個按一定要求設計的管道系統內，採用動力裝置驅動可控制的氣流，根據運動的相對性和相似性原理進行各種氣動力試驗的設備。邊界層風洞是專門用於風工程試驗的長試驗段風洞，根據用途的不同可以分為建築風洞、環境風洞、汽車專用風洞等，其中建築風洞主要進行土木工程結構的抗風研究，如高層建築、大型橋樑、輸電線塔等結構的抗風研究。
邊界層風洞屬於常規的低速風洞，其基本形式有直流式和回流式兩種。
基本介紹
- 中文名：邊界層風洞
- 外文名：boundary layer wind tunnel
- 作用：用於風工程試驗
- 分類：建築風洞、環境風洞等
- 類型：低速風洞
- 基本形式：直流式和回流式
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原理
模擬大氣邊界層流動的一種低速風洞，又稱環境風洞或氣象風洞。目前模擬的主要內容是氣流速度、湍流結構和溫度隨離地高度的變化，風向隨高度變化的模擬尚待努力。該風洞類似普通低速風洞，但實驗段較長。為獲得足夠的邊界層厚度，常採用兩種方法：
①類似於平板表面揣流邊界層的自然形成，實驗段長度一般為出口處邊界層厚度的12～15倍以上；
②人工加速形成，即在實驗段進口處另加裝置(如曲網、旋渦發生器等)並在底板上分布粗糙元，實驗段長度可縮至前者的1/3～1/2，但形成裝置等一般須多次調整才能使風速剖面與湍流結構匹配一致。為保持氣流方向的壓力梯度為零，實驗段頂壁常由十餘塊或更多的可調頂板組成，以調節實驗段的高度變化。溫度模擬則通過底板加熱或冷卻，或進口處熱分層系統等達到。該風洞主要用於研究與風工程有關的問題，如結構物的風荷載、各種場所的風特性、風環境、大氣污染物的排放和擴散規律、運輸工具氣動特性以及風能利用等。
分類
開口直流式
開口直流式風洞一般由人口段、穩定段(含蜂窩器和阻尼網)、收縮段、試驗段、動力段、擴散段和排氣段組成。試驗時，氣流從進氣口流入，通過蜂窩器使氣流變得較為均勻，然後通過收縮段將氣流速度提高，之後進入試驗段，當氣流通過試驗段後經擴散段到達出氣口，最後由出氣口流進入大氣中。
開口直流式風洞具有以下優點：
(1)建設費用相對較低；
(2)如需要進行大量的煙霧流跡顯示試驗或採用內燃機發動機，那么由於進氣口和出氣口直接通向大氣，因此在清潔風洞方面沒有特殊的要求。
開口直流式風洞的缺點如下：
(1)由於開口直流式風洞氣流的同路實際上位於風洞外，即採取了一種“體外循環”的方式，因此當風洞位於室內，要求試驗大廳具有足夠大的空間，並在進氣口加裝一些阻尼網等附加設施，否則會影響風洞中的流場品質；
(2)開口直流式風洞的體外循環方式使得風洞內的流動容易受到外界高溫和低溫天氣的影響；
(3)對於一個給定尺寸和風速的風洞，開口直流式風洞的能耗要比閉口同流式風洞高，因此不宜用於運轉頻繁的、使用率高的風洞；
(4)與閉口同流式風洞相比，開口直流式風洞的噪聲要大得多，對於截面面積大於6.5m2的開口直流式風洞，其噪聲將對環境造成影響，從而限制了其使用時問，並需要在降噪方面投入大量費用。
閉口回流式風洞
這種風洞通過風扇系統的驅動，使氣流連續地在風洞同路內流動。其特點是試驗段氣流品質容易控制，不會受到外界大氣環境的影響，風洞運轉時噪聲對環境的影響小，並可以實現增壓運行，相應的風洞造價較高。
閉口同流式風洞的優點如下：
(1)由於採用了閉口同流方式，因此風洞中的流場品質不受外界活動和天氣條件的影響；
(2)與同等規模(試驗段尺寸、風速)的開口直流式風洞相比，能耗要低得多，可用於風洞利用率較高的情況；
(3)噪聲比開口直流式風洞低得多。
閉口回流式風洞的缺點如下：
(1)由於需要建造同流管道和拐角導流片，因此初始造價要比開口直流式風洞高得多；
(2)如果需要進行大量的煙霧流跡顯示試驗或使用內燃機發動機，那么必須有配套的能有效清潔風洞的方法；
(3)在長時間連續運轉的情況下，內部會產生較高的溫度，可能會對某些測試帶來影響。
試驗研究
目前進行空氣動力學研究的手段主要有三種：理論空氣動力學、試驗空氣動力學和計算流體動力學(CFD)。雖然理論空氣動力學和計算流體動力學已經有了高度的發展，但試驗空氣動力學仍然是目前空間結構設計中必不可少的一種手段。
風洞試驗依據運動的相對性和相似性原理，將實驗對象製作成縮小模型或者足尺模型放置於風洞內，通過驅動裝置(如風機)使風道產生人工可控制的氣流，模擬實驗對象在實際氣流作用下的狀態，從而測得相關的參數。
世界上公認的第一個風洞是1871年建成的，而風洞的大量出現是在20世紀中葉。隨著工業技術的發展，風洞試驗從航空航天領域擴大到一般工業和民用部門。土木建築工程中的風流動主要涉及鈍體空氣動力學，解決這些流動的理論和計算方法難度較高，風洞試驗自然就成了該領域的研究工具。20世紀30年代，英國物理實驗室在低湍流度的航空風洞中進行了風對建築物和構築物影響的研究工作，指出了在風洞模擬大氣邊界層湍流結構的重要性。1934年，德國L．Prandtl在哥廷根流體力學研究所建造了世界上第一座環境風洞，開展環境問題的實驗研究。20世紀50年代末，丹麥M．Jensen對於風洞模型相似律問題作了闡述，認為必須模擬大氣邊界層的特性。另外，美國的Cermark在科羅拉多州大學以及加拿大的Davenport在西安大略大學分別建成了長實驗段的大氣邊界層風洞，標誌著對風工程有了專門的模擬實驗研究設備。從20世紀80年代開始，大氣邊界層風特性的模擬技術，特別是大尺度湍流的模擬技術有了較大的發展。另外，一些專用實驗設備以及測試儀器的研製成功，使風洞中模擬各種氣象、地面及地形條件的範圍進一步擴大，研究風載、風致動力回響問題的能力也有了進一步的提高。
