【正文】 由隨機(jī)過(guò)程理論，在 l 點(diǎn)和 k 點(diǎn)測(cè)得的隨機(jī)過(guò)程 )(1tu ， )(2tu ，即 l 點(diǎn)和 k 點(diǎn)兩個(gè)脈動(dòng)分量的連續(xù)記錄的數(shù)學(xué)期望為時(shí)域內(nèi)的互相關(guān)函數(shù)，用 )(2。在一定的范圍內(nèi)，離開(kāi) l 點(diǎn)越遠(yuǎn)，脈動(dòng)風(fēng)壓同時(shí)達(dá)到最大值的可能性越小，這種性質(zhì)稱為脈動(dòng)風(fēng)的空間相關(guān)性。湍流積分尺度 在數(shù)學(xué)上定義為： ???02 )(121 ??? dRL uuu (33) 式中， )(21 ?uuR是兩個(gè)順風(fēng)向速度分量 ),(1 tzyxuu ? 和 ),(2 tzyxu ???? 的互相關(guān)函數(shù)， u? 是1u ， 2u 的均方根值。通過(guò)某一點(diǎn)氣流中的速度脈動(dòng)，可以認(rèn)為是由平均風(fēng)所輸運(yùn)的一些理想渦旋疊加而引起的，若定義渦旋的波長(zhǎng)就是旋渦大小的量度，湍流積分尺度則是氣流中湍流渦旋平均尺寸的量度。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，平均風(fēng)速隨高度 z 的增加而增加， 湍流度隨高度增加而減小，靠近地面一般可達(dá) 20%~30%。剪切湍流可分： 壁湍流 剪切湍流 自由剪切湍流。 均勻湍流場(chǎng)在平均等剪切的作用下，產(chǎn)生各向異性湍流，它生成的雷諾應(yīng)力不短從平均流中覓取能量輸送到湍流脈動(dòng)中去。 風(fēng)在某種意義上也可以看成是一種可壓縮流體 — 大氣流體，但在通常風(fēng)速較低時(shí)可 歸為不可壓縮流體，由于粘性系數(shù)較低，其脈動(dòng)湍流度較液體流體大得多。在粘性很小的流體運(yùn)動(dòng)中，渦量具有保持性，這時(shí)，強(qiáng)旋渦是主宰流動(dòng)的主要要素。 湍流度 流體在靜態(tài)時(shí)不能承受除法向壓力之外的任何定常應(yīng)力，而在動(dòng)態(tài)時(shí)，可承受隨時(shí)間變化的剪應(yīng)力。常用的有對(duì)數(shù)率和指數(shù)率，實(shí)際應(yīng)用中平均風(fēng)速隨高度變化的規(guī)律常用指數(shù)函數(shù)來(lái)描述，即： ??????????ss zzUzU )( (31) 其中 )(zU 、 z ：任一點(diǎn)的平均風(fēng)速和高度； sU 、 sz 為標(biāo)準(zhǔn)高度處的平均風(fēng)速和高度；冪指數(shù) ? 為地面粗糙度系數(shù)，隨不同地形而變化。 風(fēng)場(chǎng)模擬 風(fēng)速剖面 在梯度風(fēng)高度以下，由于地表摩擦的結(jié)果，使接近地表的風(fēng)速隨著離地面高度的減小而降低。 3%(最小177。可測(cè)風(fēng)速范圍達(dá) 0～ 50m/s（熱傳感器）。 第 2 章 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)及試驗(yàn)方案 24 風(fēng)速測(cè)量設(shè)備 圖 33 TSI 8384A 風(fēng)速計(jì) 為方便起見(jiàn)，風(fēng)速測(cè)量 則采用美國(guó) TSI 8384A 風(fēng)速計(jì)測(cè)量試驗(yàn)風(fēng)速。核心為3560C 型智能多通道數(shù)據(jù)采集前端，使用 7753 型處理模塊，軟件部分為 7700 型平臺(tái)軟件。 第 2 章 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)及試驗(yàn)方案 23 圖 31 4507B 型壓電式加速度計(jì)示意圖 加速度計(jì)量設(shè)備 圖 32 3560C 型數(shù)據(jù)采集前端 加速度計(jì)通過(guò)專用電纜與采集系統(tǒng)相連，本系統(tǒng)為 Bamp。加速度計(jì)有動(dòng)態(tài)范圍大，頻率范圍寬，線性度好，穩(wěn)定性高，安裝比較方便等特點(diǎn)。當(dāng)然，時(shí)域識(shí) 別法亦有它的缺點(diǎn)，例如精度較低，可能出現(xiàn)虛假模態(tài)等。不僅如此還可以使測(cè)試設(shè)備大為簡(jiǎn)化(不需要激勵(lì)設(shè)備 )，從而減少測(cè)試費(fèi)用。這樣便可對(duì)工作情況下的機(jī)械及結(jié)構(gòu)進(jìn)行所謂“在線”模態(tài)分析。但是它們的響應(yīng)信號(hào)則容易測(cè)得。這對(duì)那些無(wú)需知道激勵(lì)信號(hào)的工程結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析來(lái)說(shuō)是十分重要的。另外，時(shí)域法給直接從響應(yīng)信號(hào) (或數(shù)據(jù) )中識(shí)別模態(tài)參數(shù)創(chuàng)造了條件。 時(shí)域模態(tài)參數(shù)識(shí)別與頻域參數(shù)識(shí) 別方法不同，它無(wú)須將測(cè)得的響應(yīng)與激勵(lì)的時(shí)間歷程信號(hào)變換到頻域中去，而是直接在時(shí)域中進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中，時(shí)域數(shù)據(jù)可以是自由響應(yīng)數(shù)據(jù)、脈沖響應(yīng)數(shù)據(jù)、白噪聲激勵(lì)響應(yīng)數(shù)據(jù)和一般的輸入、輸出時(shí)間歷程數(shù)據(jù)。 時(shí)域法比頻域法發(fā)展晚，但最近幾年來(lái)有長(zhǎng)足的進(jìn)步。但頻域法需有輸入和輸出的測(cè)試數(shù)據(jù)，并需第 2 章 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)及試驗(yàn)方案 22 將實(shí)測(cè)的激勵(lì)和響應(yīng)的時(shí)域信號(hào)，變換成頻域信號(hào)，求得頻響函數(shù)，再識(shí)別模態(tài)參數(shù)。頻域識(shí)別法發(fā)展較早，目前在工程中，特別在模態(tài)分析中仍然廣泛地應(yīng)用。在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中，頻域內(nèi)的數(shù)據(jù)一般為系統(tǒng)的頻響函數(shù) (或傳遞函數(shù) )，也就是輸出的傅氏變換。 迄今為止，參數(shù)識(shí)別方法有很多種，但主要分兩類 — 頻域識(shí)別法與時(shí)域識(shí)別法。 振動(dòng)模態(tài)分析與參數(shù)識(shí)別是振動(dòng)工程 中一個(gè)活躍的分支，是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、減振消振、振動(dòng)控制的基礎(chǔ)， 迄今在各工程領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，并己發(fā)展成為解決工程中振動(dòng)問(wèn)題的重要手段。 第 3章 風(fēng)振 特性 模態(tài) 識(shí)別 技術(shù)和軟件實(shí)現(xiàn) 緒論 模態(tài)識(shí)別技術(shù) 以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)參數(shù)的物理參數(shù) (如質(zhì)量、阻尼和剛度 )來(lái)建立參數(shù)模型 (如運(yùn)動(dòng)方程 )的系統(tǒng)識(shí)別，稱為參數(shù)識(shí)別。 各層中間位置，對(duì)外蒙皮設(shè)置通縫，使結(jié)構(gòu)能夠作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 表 21 不同重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)風(fēng)速 重現(xiàn)期（年） 試驗(yàn)風(fēng)速（ m/s） 原型風(fēng)速 （ m/s） 重現(xiàn)期（年） 試驗(yàn)風(fēng)速（ m/s） 原型風(fēng)速 （ m/s） 2 20 4 30 5 50 6 60 8 80 10 100 模型尺寸 西塔氣動(dòng)彈性模型總高度 864mm， 3 根 8mm 10mm 890mm 鋁合金結(jié)構(gòu)柱， 4 塊 8mm厚剛性板、 4 塊 10mm 厚剛性 板、 2 塊底盤（分別與上部結(jié)構(gòu)和底座連接）。 其他重現(xiàn)期 的基本 風(fēng)壓， 按規(guī)范由下公式換算得出： 第 2 章 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)及試驗(yàn)方案 20 )110ln/) ( ln( 1010010 ???? RXXXX R (215) 10m 高基本風(fēng)速 ?**1600 00 wv ? ；原型 400m 高處梯度風(fēng)速 ??????????bb zzvzv )( ，最終試驗(yàn)風(fēng)速： vzvv ??? )( ，其中 v? 為試驗(yàn)風(fēng)速比。其他地貌和高度處的基本風(fēng)壓（風(fēng)速）通過(guò)換算得到（見(jiàn) ）?；撅L(fēng)速是不同地區(qū)氣象站通過(guò)大量觀察、記錄并按我國(guó)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)條件下的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)而得到該地的最大平均風(fēng)速。模型密度相似比為 ，建筑物總質(zhì)量為： ，模型總質(zhì)量： 35 0 7 1 5 3 1 8 6 8 ???????=， 由 的 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)原理 知 ， 試驗(yàn)要保持流場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的相似性。減振系統(tǒng)采用不銹剛圓柱，兩頭為螺紋，不銹鋼材料參數(shù)： E=190GPa， ν=， ρ=。 第 2 章 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)及試驗(yàn)方案 19 圖 212 規(guī)劃中廣州未來(lái)東西塔效果圖 材料和試驗(yàn)參數(shù) 確定模型的長(zhǎng)度縮尺比 L? 為 1/500，所以西塔氣彈模型總高度為 432m/500=864mm。按照規(guī)劃，將來(lái)還會(huì)有一棟完全一樣的建筑 — 東塔 。項(xiàng)目 2020 年底開(kāi)始動(dòng)工建 設(shè)，將于 2020 年底竣工，作為 2020 年亞運(yùn)盛會(huì)配套項(xiàng)目交付使用。設(shè)有雙酒店大堂，分別位于首層和七十層，六十九到一百層為超白金五星酒店，為國(guó)內(nèi)最高的酒店，其中，九十九到一百層為觀光層、餐飲層和休閑中心，并設(shè)有全國(guó)最高的游泳池。東臨珠江大道 ，西靠華廈路，南接華就路，北望花城大道，處于新城市中心的中軸線上。發(fā)現(xiàn)前兩階（橫、順風(fēng)向）結(jié)果吻合良好 （ 圖 210， 圖 211） ，由于 剛體模型試驗(yàn)得到結(jié)構(gòu)的 第 3階 及其后的高階模態(tài) 對(duì)結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn) 很小 ， 可 不予考慮。考慮到前兩階的能量占主要部分，所以僅需調(diào)試前兩階的頻率和振型 （ 圖 28， 圖 29） 。 第 2 章 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)及試驗(yàn)方案 17 采用 ANSYS 實(shí)體建模，單元類型采用 solid45 體單元進(jìn)行自 適應(yīng) 網(wǎng)格劃分。 加速度（ ? ）單位 2/sm ，量綱為 L/T2。 L? 由模型制作時(shí)確定， n? 由模型敲擊得到，最后 V? 由前兩者確定 ， 這樣即可滿足和原型結(jié)構(gòu)相同的 strouhal 數(shù)。令pmn nn?? ，pmL LL?? ，pmV VV?? ，其中 n? 、 L? 、 V? 分別為頻率比、縮尺比、風(fēng)速比。 Florid 數(shù) 涉及大密度流體且與重力有關(guān) ，所以本文僅保證相同的strouhal 數(shù)。 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)原理 進(jìn)行模型試驗(yàn)，要求對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行無(wú)量綱化，同時(shí)也要求具有相同的風(fēng)場(chǎng)條件 。 頻率比：lvn ??? ? = 50041? =125， 最終的試驗(yàn)風(fēng)速和各縮尺比參數(shù)，根據(jù)模型敲擊和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整 。最大試驗(yàn)風(fēng)速取重現(xiàn)期 100 年， C 類地貌 ，地貌指數(shù)： ， 其基本風(fēng)壓為 。 圖 25 氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn) 圖 26 為 C 類風(fēng)場(chǎng)的 平均風(fēng)速剖面和湍流度分布剖面， 圖 27 為 C 類風(fēng)場(chǎng)下的風(fēng)速譜譜曲線， 其中湍流度分布接近于 AIJ 1996[33]的建議值。 C 類 風(fēng)場(chǎng) 風(fēng)速模擬 根據(jù) 廣州珠江新城 西塔所在的位置和周邊地區(qū)的發(fā)展?fàn)顩r，確定采用荷載規(guī)范 [24]的 C第 2 章 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)及試驗(yàn)方案 15 類 地貌 來(lái) 進(jìn)行試驗(yàn)。 c、 Simiu 風(fēng)速譜 西謬提出的風(fēng)速譜采用分段表示，數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 352* )501(2 0 0),( fn funzS v ?? (28) 式中 210 )10/(zv znf ? (29) 但對(duì)于 ?f 時(shí)，下面公式更為合適 322* ),( nfunzS v ? (210) 式中 *u 為摩擦速度，其余符號(hào)含義與前相同。 Davenport 譜不隨高度變化。常見(jiàn)的有： Davenport 、 Kaimal 譜、 Simiu 譜和 Hino 譜。 脈動(dòng)風(fēng)速譜 脈動(dòng)風(fēng)速譜包括順風(fēng)向和橫風(fēng)向的脈 動(dòng)風(fēng)速譜。由隨機(jī)過(guò)程理論，在 l 點(diǎn)和 k 點(diǎn)測(cè)得的隨機(jī)過(guò)程 )(1tu ， )(2tu ，即 l 點(diǎn)和 k 點(diǎn)兩個(gè)脈動(dòng)分量的連續(xù)記錄的數(shù)學(xué)期望為時(shí)域內(nèi)的互相關(guān)函數(shù)，用 )(21 ?uuR表示。在一定的范圍內(nèi)，離開(kāi) l 點(diǎn)越遠(yuǎn)，脈動(dòng)風(fēng)壓同時(shí)達(dá)到最大值的可能性越小，這種性質(zhì)稱為脈動(dòng)風(fēng)的空間相關(guān)性。湍流積分尺度 在數(shù)學(xué)上定義為： ???02 )(121 ??? dRL uuu (23) 式中， )(21 ?uuR是 兩個(gè)順風(fēng)向速度分量 ),(1 tzyxuu ? 和 ),(2 tzyxu ???? 的互相關(guān)函數(shù)， u? 是1u ， 2u 的均方根值。通過(guò)某一點(diǎn)氣流中的速度脈動(dòng)，可以認(rèn)為是由平均風(fēng)所輸運(yùn)的一些理想渦旋疊加而引起的，若定義渦旋的波長(zhǎng)就是旋渦大小的量度，湍流積分尺度則是氣流中湍流渦旋平均尺寸的量度。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，平均風(fēng)速隨高度 z 的增加而增加，湍流度隨高度增加而減小，靠近地面一般可達(dá) 20%~30%。剪切湍流可分： 壁湍流 剪切湍流 自由剪切湍流。 均勻湍流場(chǎng)在平均等剪切的作用下，產(chǎn)生各向異性湍流，它生成的雷諾應(yīng)力不短從平均流中覓取能量輸送到湍流脈動(dòng)中去。 風(fēng)在某種意義上也可以看成是一種可壓縮流體 — 大氣流體，但在通常風(fēng)速較低時(shí)可歸為不可壓縮流體，由于粘性系數(shù)較低，其脈動(dòng)湍流度 較液體流體大得多。在粘性很小的流體運(yùn)動(dòng)中，渦量具有保持性，這時(shí)，強(qiáng)旋渦是主宰流動(dòng)的主要要素。 湍流度 流體在靜態(tài)時(shí)不能承受除法向壓力之外的任何定常應(yīng)力，而在動(dòng)態(tài)時(shí)，可承受隨時(shí)間變化的剪應(yīng)力。常用的有對(duì)數(shù)率和指數(shù)率，實(shí)際應(yīng)用中平均風(fēng)速隨高度變化的規(guī)律常用指數(shù)函數(shù)來(lái)描述，即： ??????????ss zzUzU )( (21) 其中 )(zU 、 z ：任一點(diǎn)的平均風(fēng)速和高度； sU 、 sz 為標(biāo)準(zhǔn)高度處的平均風(fēng)速和高度；冪指數(shù) ? 為地面粗糙度系數(shù)，隨不同地形而變化。 風(fēng)場(chǎng)模擬 風(fēng)速剖面 在梯度風(fēng)高度以下，由于地表摩擦的結(jié)果，使接近地表的風(fēng)速隨著離地面高度的減小第 2 章 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)及試驗(yàn)方案 12 而降低。 3%(最小177?？蓽y(cè)風(fēng)速范圍達(dá) 0～ 50m/s（熱傳感器）。 風(fēng)速測(cè)量設(shè)備 圖 24 TSI 8384A 風(fēng)速計(jì) 為方便起見(jiàn)，風(fēng)速測(cè)量則采用美國(guó) TSI 8384A 風(fēng)速計(jì)測(cè)量試驗(yàn)風(fēng)速。核心為3560C 型智能多通道數(shù)據(jù)采集前端，使用 7753 型處理模塊，軟件部分為 7700 型平臺(tái)軟件。 圖 22 4507B 型壓電式加速度計(jì)示意圖 第 2 章 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)及試驗(yàn)方案 11 加速度計(jì)量設(shè)備 圖 23 3560C 型數(shù)據(jù)采集前端 加速度計(jì)通過(guò)專用電纜與采集系統(tǒng)相連，本系統(tǒng)為 Bamp。加速度計(jì)有動(dòng)態(tài)范圍大，頻率范圍寬，線性度好，穩(wěn)定性高，安裝比較方便等特點(diǎn)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕细鱾€(gè)測(cè)壓孔以 PVC 管與壓力傳感器模塊連接，通過(guò)測(cè)壓試驗(yàn)可測(cè)量試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕细鳒y(cè)壓孔的局部風(fēng)壓，試驗(yàn)中采用的通道間隔 為 50 微秒。 STDX1 是一座具有串置雙試驗(yàn)段的全鋼結(jié)構(gòu)的閉口回流低速工業(yè)風(fēng)洞，其中主試驗(yàn)段寬 3 米、高 2 米、長(zhǎng) 20 米，最大風(fēng)速可達(dá) 45m/s，風(fēng)速連續(xù)可調(diào)，風(fēng)洞簡(jiǎn) 圖： 蜂窩器 阻尼網(wǎng) 安全網(wǎng) 第一試驗(yàn)段（長(zhǎng) 20m 、寬 3m 、高 2m ） 第二試驗(yàn)段（長(zhǎng) 7m 、切口八角形，當(dāng)量直徑 ） 直徑轉(zhuǎn)盤 1m 直徑轉(zhuǎn)盤 圖 21 汕頭大學(xué)建筑工業(yè)風(fēng)洞簡(jiǎn)圖 測(cè)壓系統(tǒng) 測(cè)壓試驗(yàn)采用美國(guó) SCANIVALVE 公司的 DSM3200 電子掃描閥測(cè)壓系統(tǒng)，其組成框圖如 錯(cuò)誤 !未找到引用源。風(fēng)洞通常由收縮段、實(shí)驗(yàn)段、擴(kuò)散段和測(cè)量控制 段 等部分組成。 （ 3）