Irwin探头在群体建筑风环境测定中的运用

本文作者：马文勇、刘庆宽、刘小兵、尉耀元 单位：石家庄铁道大学风工程研究中心

随着城市建筑群体，尤其是城市公共建筑群体的发展，建筑群体内行人舒适性问题成为风环境研究的重要方向之一。建筑周围行人高度风环境的研究主要包含建筑周围风速的确定[1-4]、风中行人舒适度的判别准则[5-7]以及有效的改善建筑周边风场从而改善风环境的措施。

数值方法[3,4,8,9]和风洞试验方法[2,10-13]均用于行人高度风环境的确定中。尽管热线风速仪和热膜法可以准确的进行建筑周边行人高度风测试，但是行人高度风测试探头使用起来最为方便[2]，其中Irwin探头就属于专门用于行人高度全方向风速测试的探头[1]。Irwin探头并非标准的风速测量设备，由于制作工艺的限制，因此Irwin探头在使用前需要进行详细的标定，同时由于是全方向风速测试探头，Irwin探头无法确定测试风速对应的风向。本文采用Irwin探头结合一种简单的风向测试设备对某高层建筑群的行人高度风进行了测试，通过测试给出了该建筑群的内部及周边行人高度风环境，为建筑群的设计提供了建议，同时也讨论了Irwin的标定、行人高度风速及风向测试技术。

1Irwin探头的制作及标定

一般低于两米的行人高度在缩尺模型在风洞中距离风洞底面或者结构表面很低，因此要求行人高度风的测试设备一定要足够小。1981年，Irwin[1]提出了一种方便有效的全方向行人高度风速测试设备，称为Irwin探头。

1.1探头制作及测试原理

Irwin探头的示意图见图1。本文采用的探头采用有机玻璃与中空钢针制作Iwrin探头测试风速的基本原理是A端的风速与A、B端的压差成正比。其中pB、pA分别为探头两端的风压，a、b为探头的标定系数，Uh为距离底面标高h处(即A点)的风速。

1.2探头标定

图2为Irwin探头标定示意图，其中标定支架平板采用3mm厚有机玻璃板制作，边长为80cm，端部采用15度向下倒角，支架平板距离风洞底面高50cm(测试位置处风洞边界层小于26cm)。来流方向沿x正向。本文风速测量采用澳大利亚TFI(TurbulentFlowInstrucmention)公司生产的Cobra探头；风压测量采用美国Scanvival公司生产的ZOC33压力扫描阀在选择待标定Irwin探头布置区域前，对标定支架平板表面风速进行了测试。图3给出了来流风速为15m/s时，平板y=0，x=15～135mm，距离平板面10mm高度处的风速。根据测试结果采用最小二乘法拟合的曲线可以计算得到，当来流风速为U0=15m/s时，距离平板端部39.96mm处的风速最接近来流风速，因此标定时取图2中D=40mm，经过测试在平板y方向，距离两端120mm以内，风速偏差在1%以内，本文偏于保守的取图2中S=180mm。通过不同风速下的测定验证，上述D与S的取值能保证，待标定探头布置区域风速的均匀性，其风速偏差在1%以内。图4为随机选取的四个探头的标定直线，其中图4图例中括弧内的数据表示每个探头拟合直线回归分析的判定系数，该系数越接近1说明拟合优度越大。本文随机取出的4个探头拟合数据的判定系数均大于0.999，因此用线性关系可以准确的描述p与hU的关。图4中探头按照同一种规格加工而成，得到的标定曲线有一定的差别，因此在不能严格保证加工精度的情况下，同每个探头需要单独标定。由公式(1)可知由于探头标定线性关系中截距a的存在，当p0时，hUa，如本文中探头1的标定系数中a≈0.52，因此对于小风速，按照标定直线计算得到的风速误差将会比较大，同时由图4可以看出，在接近4m/s的风速下，p的数值在4pa左右，而当风速接近15m左右时，p的数值在50～80pa左右考虑的风压测试设备的测量误差，因此无论从标定还是从测试角度来讲，Irwin探头测试精度将会随风速的降低而降低。由于Irwin探头是全风向风速测量设备，对不同来流方向下Irwin探头的标定结果表明，对于加工精度高的探头而言，各个方向的标定结果非常接近，本文试验中采用的探头均是以此为依据进行筛选后得到的。

2风向测试Irwin探头为一全方向风速测试设备，因此仅采用测设备无法得到行人高度出的风向信息，限制了行人高度风环境尤其是行人高度风环境改善措施的研究。烟线法、丝线法、刷蚀法等等都简便的定性流动显示方法，本文采用一种更简单易加工的风向测试设备，通过拍照的形式得到行人高度出的平均风向信息。相比烟线法更简单一些，比丝线法更敏感。图5为本文采用的风向测试设备。主要采用可以绕杆轴旋转的风向标来测试风向。本文采用大头针作为杆轴，空心塑胶管作为转轴，黑色胶带作为风向标制作得到便于固定、使用方便、对风速更为灵敏的风向测试设备。

3某群体高层建筑风环境测试实例

3.1风速比

行人高度风环境测试的试验结论是行人高度处测试风速与来流风速之比，该比值反映了建筑结构对来流风速的放大效应。定义i处的风速比为Vi其中0V为行人高度处自由来流的平均风速。本文测试了以10°为间隔360°风向角下行人高度(2m高度)处风速比，对不同风向角进行统计得到了最大风速比及对应的风向角见图6。图6中斜线填充区域为高层建筑地面轮廓，其中包含高度超过100m的三栋高层建筑。共布置了47个Irwin探头进行测试，探头测试结果风速比后括弧内数据表示发生该最大风速比时的风向角，0°风向角如图6中所示，按逆时针旋转增加。图6中虚线区域为风速比较大区域，可以看出，由于三栋建筑之间存在三个20m～30m左右的夹缝，形成了“窄道效应”，该区域内的风速比较大，最大风速比达到了3.12，即该处的风速为来流风速的3倍以上放大效应明显。流体流经结构角部的加速效应造成结构角部的风速比也比较大。

3.2风向

图7给出采用本文的风向测试设备测试得到的0°风向角的风向，图中箭头表示风向。风向的记录的方法是采用高清照相机记录风向测试设备的状态后通过图像处理的方法获得测试位置的风向。采用本文的方法基本可以得到风向，测试中发现，由于风向标在脉动风场中不停的摆动，部分流场复杂的区域，甚至发生风向标转动现象，因此该方法得到的风向无法描述方向变化幅度较大区域的风向信息。

3.3舒适性评估

行人高度风环境主要通过来流条件、风速比与评价准则三方面对行人的舒适度进行评价。文献[14]中提到，当风速大于6m/s时，行人开始感觉到不舒适；大于9m/s时，行人的动作会受到影响；当风速达到15m/s时，行人的步履控制会受到影响；处在大于20m/s的风速中的行人是比较危险的，这与Lawson[15]的危险性平均风速阀值是一致的。按照风剖面指数为0.22，则当10m高度处风速大于10.7m/s时，本项目中风速比大于2.0的位置，行人高度出风速将达到15m/s；则当10m高度处风速大于9.5m/s时，本项目中风速比大于3.0的位置，行人高度出风速将达到20m/s。对于项目所在地的北京地区，大于10m/s的风速时有发生，因此该项目行人高度风环境问题突出，需要采用风环境改善措施。

4结论

本文采用自制Irwin探头与简便风向测试设备测试了某群体建筑风速比及风向，结果表明准确制作及标定的Irwin探头具有很好的线性度，可以得到准确的风速，测试中应当考虑到压力测试设备的精度，尽量在较高的风速下测量；采用拍照方式记录的风向标基本上可以得到行人风环境高度出的风向信息；采用上述方法测试实例说明，群体建筑狭管效应和角区气流效应造成该区域内风速比较大，风环境问题突出，需要采用风环境改善措施。由于行人高度处地面干扰物复杂，风向不稳定，采用本文提出的简易风向测试设备可以方便的给出相对稳定区域的风向，测试方法简单，可以为风环境改善措施的开发提供依据。