在结构工程领域，准确预测风对建筑物、塔架和桥梁的影响对于确保安全、稳定性和性能至关重要。 数十年来，传统的风洞试验一直是评估由风引起的力和反应的基准。 然而，以计算流体力学 (CFD) 为动力的数值风洞的出现为结构设计中的风分析引入了一个新的维度。 随着技术的进步，一个关键问题也随之出现： 数值风洞可以完全取代结构工程中的传统风洞试验吗？
理解这两种方法
传统风洞测试
风洞是一种物理设施，在该设施中，比例模型被放置在受控制的气流中。 可以通过传感器、测压口或流场可视化技术（如烟或柱）进行测量。
* 优点
- 真实世界的物理相互作用
- 久经验证的可靠性
- CFD 软件的基准测试和验证
* 局限性
- 昂贵且耗时
- 尺度问题（雷诺数效应）
- 难以准确模拟瞬态或不稳定流
数值风洞（CFD 的一部分）
CFD 使用数学模型和数值算法来模拟流体在虚拟几何形状周围的流动。 现代 CFD 软件可以对复杂的边界条件、湍流和瞬态效应进行更精确的模拟，
*优势
- 随着时间的推移具有成本效益
- 适配各种场景
- 提供详细的内部流量数据
*限制
- 高度依赖于网格质量和湍流模型
- 计算密集
- 需要通过物理实验进行验证
对比分析
| 功能 | 常规风洞 | 数值风洞（CFD） |
|---|---|---|
| 造价 | 高（基础设施 + 人工） | 低 |
| 时间 | 长期的准备和实施 | 更快的迭代速度（使用设置） |
| 精度 | 高，具有真实的流体效果 | 中等到高，与模型有关 |
| 柔度 | 一旦设置受限 | 参数设置灵活性高 |
| 视觉流分析 | 可能（烟、毛束） | 高细节度（流线、矢量） |
| 大尺寸模拟 | 几乎不可行 | 可能 |
| 验证作用 | 基准规范 | 需要进行风洞验证 |
混合方法的作用
在现代实践中，混合方法越来越普遍。 一个典型的工作流程可能包括：
- 在概念设计过程中进行 CFD 模拟，以探索各种配置。
- 用于最终验证和调整的风洞测试。
- CFD 使用实验数据进行重新调整，以提高未来的准确性。
这种协同作用使工程师可以优化设计周期，降低成本并提高准确性。
注意事项
尽管数值风洞技术取得了显着进步，但用户仍应注意以下几个重要问题：
- 边界条件和实际可变性（例如表面粗糙度）
- 复杂湍流的准确建模（例如城市风荷载、开口）
- 风洞数据通常是强制要求的（例如欧洲规范、ASCE 等）
此外，通过以下重要的实验研究示例证明，CFD 模拟能够得出与实验数据非常接近的结果。 这些比较凸显了 CFD 作为评估各种风况下的空气动力的预测工具的可靠性。 在正确调整和验证 CFD 方法的方法后，可以详细了解流动特性和压力分布，从而使其成为风洞实验的一种有价值的补充，在某些情况下甚至可以替代风洞实验。
概述总结
计算流体力学 (CFD) 为空气动力学和结构工程中的设计和分析过程提供了一种革命性的方法，它可以更快、成本效益更高且适应性更强，可以替代传统的风洞测试。 如果 CFD 经过适当的验证和验证，它可以准确地模拟复杂的流动行为，使工程师能够有效地探索各种设计方案。 虽然在某些情况下仍然需要传统的风洞来进行最终验证和认证，但 CFD 的可靠性和精度不断提高，这继续减少了对物理测试的需求，使其成为现代工程中越来越有用的工具。