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图1 流动图案和压力的分布
用风洞模拟大气层边界层气流进行冷却塔分压分布实验

  空气动力学的一个分支,主要研究风对建筑物、构筑物(如房屋、桥梁、烟囱、冷却塔、电视塔、空中电缆、输电塔、广告牌、雕塑等,以下简称建筑物)的作用和效应以及建筑物的存在所造成的风环境等问题。

  人们自古以来就认识到风对建筑物的破坏作用,但对风的破坏机理并不十分清楚。随着空气动力学的蓬勃发展,人们开始从空气动力学的角度研究建筑物上的风载荷和风所激发的振动。特别是自从1940年美国塔科马(Tacoma)大桥倒塌事件发生以后,这种研究得到进一步的发展。60年代以后,高耸建筑物不断增多,轻型建筑材料广泛应用,城市规划日益周密,风对建筑物的作用更受到重视。至今已逐渐形成了一门涉及空气动力学、气象学、气候学、结构动力学、建筑工程等多方面学科的边缘学科──建筑空气动力学。

研究内容

  风对建筑物的作用主要表现在平均风载荷、脉动风载荷、风振、通风和热损失、局部风环境等方面。风载荷是设计建筑物时必须考虑的载荷之一,包括风对建筑物的作用力、力矩和表面分布压力。风载荷主要取决于来流速度及其随高度的分布、风向、湍流结构以及建筑物的形状、表面粗糙度和动力特性,一般随时间变化,并且具有很大的随机性。为了研究方便,常将真实的瞬时风载荷分为平均风载荷和脉动风载荷两部分。图1表示一个绕经长方体建筑的典型流动图案(图1之a)和该建筑物某一横截面处的压力系数Cp的分布(图1之b)。压力系数Cp=(p-pδ)/0.5ρδV婅,其中p为表面压力;pδ、ρδ、Vδ分别为大气边界层外缘气流的压力、密度和速度。图1之b 中压力分布的表示方法为:负压(低于大气压的压力)分布绘于建筑物轮廓线内,正压分布绘于外;压力分布曲线上某点压力的大小与距建筑物轮廓线的距离成正比。图中给出的压力峰值是选择建筑物的贴面、玻璃、装饰物等所必须考虑的因素。

  对通常形状的建筑物来说,表面摩擦应力同压力相比是小量,所以对建筑物表面上压力的积分即可认为等于作用力。在工程设计中,常用体形系数CF表示平均作用力的大小。CF=(F/A):q,式中F为作用力;A为建筑物迎风面积;q为基本风压。体形系数与建筑物形状有很大的关系。在建筑载荷规范中常给出各种不同结构的体形系数,作为设计时的参考或准则。

  建筑物表面上的脉动压力,从机理上说,主要是由于大气中的湍流脉动和建筑物绕流中的旋涡脱落等作用的结果。脉动压力一般随位置和时间而随机地变化,它使建筑物承受随时间变化的作用力和力矩。这些力和建筑物的惯性力、恢复力、阻尼力等的共同作用使建筑物激发振动,简称风振。若风振的主要频率同建筑物固有频率相近,则可能发生共振而引起灾难性后果。风振特性及其防止措施是建筑空气动力学的研究内容之一。

  此外,风吹过建筑群时,当地的流场将发生很大变化,引起不利效应。如使地面行人行走不便,甚至摔倒;在露天运动场产生不适宜比赛的风场等。这需要采取措施如预先调整建筑物间的布置形式、植树、布置防风设施等来控制局部气流。

研究方法

  主要是实验室模拟、现场观测、理论分析和数值计算。绕建筑物流动主要是剪切湍流流动,而其完善的力学模型尚未建立,可见从基本方程出发来进行理论或数值计算还没有达到实用的程度。现场观测所需人力、财力较大,实验条件难以控制,而且很多建筑是待建的。因此当前解决实际问题的主要方法是实验室模拟,特别是采用缩尺模型在大气边界层风洞或分层流水槽中进行模拟实验(图2)。首先要求模拟大气边界层气流,主要是气流的平均速度分布、湍流度、积分尺度和频谱等。模拟方法可以利用长实验段风洞和不同底面粗糙度自然形成大气边界层,也可以在短实验段风洞中用旋涡发生器、喷气装置等人工加速形成大气边界层。其次要求几何相似,包括建筑物外形、表面粗糙度及其周围环境和地形等的几何相似。理论上也要求实验雷诺数与全尺寸实物时相同,但一般难以达到。对于有棱角建筑,相应的流动基本上与雷诺数无关,影响不大;对于球形、圆柱形等建筑来说,则可以用加大表面粗糙度的方法来补救。

  参考书目

  E. Simiu and R.H.Scanlan, Wind Effects on Structures, An Introduction to Wind Engineering,John Wiley & Sons,New York,1978.

  P.Sachs, Wind Forces in EngineeringPergamon Press,Oxford,1978.

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