吉林大学学报(工学版) ›› 2023, Vol. 53 ›› Issue (6): 1677-1685.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb.20221343

• 交通运输工程·土木工程 • 上一篇    

尺寸和形状效应对多孔结构风阻系数的影响

王峰1(),刘双瑞1,王佳盈1,宋佳玲2,王俊1,张久鹏1,黄晓明3   

  1. 1.长安大学 公路学院，西安 710064
    2.广州大学 风工程与工程振动研究中心，广州 510006
    3.东南大学 交通学院，南京 210018
  • 收稿日期:2022-10-19 出版日期:2023-06-01 发布日期:2023-07-23
  • 作者简介:王峰（1983-），男，副教授，博士.研究方向：结构抗风.E-mail：wf@chd.edu.cn
  • 基金资助:
    国家重点研发计划项目(2021YFB2600600);国家自然科学基金项目(51808053)

Size and shape effects of wind drag coefficients for porous structures

Feng WANG1(),Shuang-rui LIU1,Jia-ying WANG1,Jia-ling SONG2,Jun WANG1,Jiu-peng ZHANG1,Xiao-ming HUANG3   

  1. 1.School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，China
    2.Research Center of Wind Engineering and Engineering Vibration，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China
    3.School of Transportation，Southeast University，Nanjing 210018，China
  • Received:2022-10-19 Online:2023-06-01 Published:2023-07-23

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摘要：

为研究孔径、孔间距、孔隙形状和透风率等因素对风障这类多孔结构应用性能的影响，进行了多个参数的多孔板测力风洞试验，对比了各个参数对多孔板风阻系数的影响效应，通过数值模拟对不同参数下多孔板的流场特性及压力降变化规律进行分析，讨论了相同透风率下，孔径大小和孔间距对边界层厚度、有效透风率的影响，并与风洞试验结果进行对比。结果表明：孔隙形状对多孔板风阻系数影响较小，而长宽比、孔径和孔间距对多孔板风阻系数影响较大，可作为影响多孔结构风阻系数的关键性参数。

关键词: 桥梁工程, 风洞试验, 计算流体动力学, 数值模拟, 多孔结构, 风阻系数

Abstract:

In order to study the effects of pore size， pore spacing， pore shape and porosity on the application performance of porous structures such as wind barriers， a multi-parameter porous plate force wind tunnel test was carried out， and the effect of various parameters on the wind resistance coefficient of porous plates was compared. The flow field characteristics and pressure drop variation of porous plate under different parameters were analyzed by numerical simulation. The effects of pore size and pore spacing on the boundary layer thickness and effective porosity under the same porosity were discussed， and the results were compared with the wind tunnel test results. The following conclusions are obtained： the pore shape has little effect on the drag coefficient of porous plate. The aspect ratio， pore diameter and pore spacing have great influence on the drag coefficient of porous plate， which can be used as the key parameters affecting the resistance coefficient of porous structure.

Key words: bridge engineering, wind tunnel test, computational fluid dynamics, numerical simulation, porous structure, drag coefficie

中图分类号: 

  • TU312

图1

三种尺寸的多孔板模型"

表1

风洞试验工况"

工况尺寸/（cm×cm）长宽比孔隙形状透风率/%
A1~A740×401∶1圆形0、10、20、30、40、50、60
B1~B780×201∶4圆形0、10、20、30、40、50、60
C1~C780×401∶2圆形0、10、20、30、40、50、60
D1~D780×401∶2方形0、10、20、30、40、50、60
E180×401∶2三角形30
F180×401∶2六边形30

图2

四种孔形的多孔板模型"

图3

多孔板断面的三分力"

图4

不同长宽比下多孔板风阻系数与透风率变化关系"

图5

不同孔隙形状多孔板风阻系数与多孔板倾角变化关系"

图6

模型的建立"

图7

试验与CFD风阻系数对比示意图"

表2

风洞试验与数值模拟结果对比"

长宽比孔形CD（风洞试验）CD（CFD）
1∶2圆形1.36301.2795
1∶2方形1.36951.2730
1∶4圆形1.17641.1445
1∶1圆形1.27751.1860

图8

迎风侧压力分布图"

图9

背风侧压力分布图"

图10

孔的排列形式对风阻系数的影响"

表3

孔径大小对风阻系数的影响"

长宽比孔形排列方式孔径/mmCD（CFD）
1∶2圆形均匀81.2984
1∶2圆形均匀121.2794
1∶2圆形均匀161.2599
1∶2圆形均匀201.2331

图11

孔的排列形式对速度分布的影响"

图12

孔径大小对速度分布的影响"

图13

风阻系数与透风率、孔径大小变化关系图"

表4

雷诺数效应对风阻系数的影响"

长×宽/（m×m）孔径/mm孔径雷诺数CD（CFD）
0.8×0.42013 796.791.233 1
8×4200137 967.91.226 4
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