湍流特性對矩形高層建筑風(fēng)荷載影響的研究

劉 奕，陳水福

(浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，杭州 31005)

0 引 言

風(fēng)荷載是高層建筑的主要控制荷載，而風(fēng)的湍流特性是影響風(fēng)荷載分布特性尤其是脈動與極值特性的重要因素。探討來流湍流特性對建筑風(fēng)荷載的影響一直是學(xué)術(shù)界和工程界十分關(guān)注的課題。

湍流度和湍流積分尺度是表征風(fēng)的湍流特性的兩個主要參數(shù)，現(xiàn)有研究也主要從這兩個方面出發(fā)研究其對建筑風(fēng)荷載及周圍繞流特性的影響。文獻[1-3]研究了湍流特性對二維矩形棱柱繞流的影響，其中Lee[1]發(fā)現(xiàn)湍流度增大使側(cè)風(fēng)面風(fēng)壓恢復(fù)提前、背風(fēng)面負(fù)壓（均指絕對值）減?。籐aneville[2]發(fā)現(xiàn)湍流度增大使平均剪切層曲率半徑減小，從而使阻力系數(shù)最大值對應(yīng)的深寬比減??；Nakamura和Ohya[3]發(fā)現(xiàn)湍流強度和湍流積分尺度均對背風(fēng)面負(fù)壓有較大影響。文獻[4-9]研究了湍流特性對二維平板鈍體周圍分離再附流的影響，其中Hillier和Cherry[4]發(fā)現(xiàn)湍流度對平均風(fēng)壓和脈動風(fēng)壓均有很大影響，而湍流積分尺度對平均風(fēng)壓影響不大，對脈動風(fēng)壓影響很大；Nakamura和Ozono[5]發(fā)現(xiàn)分離泡內(nèi)平均風(fēng)壓分布在湍流積分尺度比（即湍流積分尺度與模型特征尺寸之比）小于2時變化不大，而超過2時逐漸趨近均勻流下的分布；Li和Melbourne[8-9]發(fā)現(xiàn)平均風(fēng)壓在尺度比大于3.6時受湍流積分尺度影響明顯，脈動風(fēng)壓和極值負(fù)壓隨湍流度和湍流積分尺度增大而增大，湍流積分尺度對極值負(fù)壓的影響程度隨湍流度增大而提高。顧明和葉豐[10-11]研究了不同風(fēng)場下不同體型高層建筑的氣動力幅值和頻域特性，發(fā)現(xiàn)隨地面粗糙度增加，脈動升力、阻力系數(shù)增大，升力系數(shù)譜頻帶變寬、能量減?。惶K萬林[12]研究了湍流對高層建筑表面風(fēng)壓的影響，發(fā)現(xiàn)在湍流強度很大時，背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面可能出現(xiàn)小正壓；Akon和Kopp[13]通過粒子圖像測速試驗，研究了湍流度和湍流積分尺度對低矮房屋屋頂分離再附流的影響，發(fā)現(xiàn)湍流強度增大會使流動更早再附，且影響風(fēng)壓恢復(fù)速率，而湍流積分尺度對再附長度影響不大?？傮w而言，目前國內(nèi)外湍流特性研究主要針對深寬比較小的矩形截面鈍體或建筑，或是深寬比無限大的二維平板，但對于介于二者之間的有限深寬比的鈍體研究較少。但是，這類鈍體隨著深寬比的變化，其表面風(fēng)壓是否會因流動分離再附的改變而表現(xiàn)得顯著不同，其中來流湍流特性的影響程度如何，目前并不明確。

鑒于此，本文以國內(nèi)廣泛存在的具有較大深寬比范圍的板式住宅高層建筑為背景，對4種不同地貌條件下9種深寬比的矩形截面高層建筑進行了風(fēng)洞測壓試驗，分析了湍流度與湍流積分尺度對不同深寬比建筑平均、脈動與極值風(fēng)壓，以及橫風(fēng)向氣動力譜和周圍繞流特性的影響規(guī)律。

1 風(fēng)洞試驗

1.1 風(fēng)場模擬

本次試驗在加拿大西安大略大學(xué)（University of Western Ontario，UWO）邊界層風(fēng)洞Ⅱ的高速試驗段中進行。該試驗段長30.0 m，寬3.4 m，高2.1 m，最大風(fēng)速可達40 m/s。試驗段前端擁有全自動的粗糙元控制系統(tǒng)，配合入口處可選放置的格柵、尖劈和擋板等湍流產(chǎn)生裝置，可以精確模擬各種地貌下的大氣邊界層。

本次試驗共模擬了4種地貌，其中O1、O2地貌與S1、S2地貌使用了兩種不同的粗糙元配置，分別模擬開闊地貌（Open terrain）與郊區(qū)地貌（Suburban terrain）風(fēng)場；O1、S1地貌較O2、S2地貌在風(fēng)洞入口處多使用了一塊0.38 m高的擋板。根據(jù)Holmes和Osonphasop[14]，擋板的存在可以產(chǎn)生更大尺度的湍流，實現(xiàn)對湍流強度和湍流積分尺度的同步控制。試驗風(fēng)速采用Cobra Probe進行測量，采樣頻率為1 250 Hz，采樣時間30 s。來流風(fēng)場縮尺比為1∶200。平均風(fēng)速剖面與湍流度剖面根據(jù)工程科學(xué)數(shù)據(jù)庫（ESDU）[15-16]建議的對數(shù)率進行模擬，試驗值與理論值吻合良好。表1列出了各地貌的地表粗糙長度z0（對應(yīng)對數(shù)率剖面）與粗糙度指數(shù)α（對應(yīng)指數(shù)率剖面）。圖1給出了4種地貌風(fēng)剖面的比較，圖中H為建筑頂部高度，和Iuz分別為高度z處的平均風(fēng)速和湍流強度。由圖可見，由于粗糙元配置的不同，O類地貌與S類地貌的風(fēng)剖面差異較大；由于擋板的存在，S1地貌較S2地貌的湍流強度有小幅提高，但O1地貌與O2地貌下的湍流度相差不大。

表1 各地貌下的風(fēng)場參數(shù)Table 1 Parameters for the upstream flow under different terrains

圖1 平均風(fēng)速剖面與湍流度剖面Fig. 1 Mean wind velocity and turbulence intensity profiles

來流風(fēng)場的湍流積分尺度按ESDU 74[17]建議的經(jīng)驗式進行模擬。湍流積分尺度試驗值按下式計算：

式中，Lu為湍流積分長度，Lt為湍流積分時間尺度，ρuu(τ)為脈動風(fēng)速自相關(guān)系數(shù)，τ為時差，τ0為自相關(guān)系數(shù)收斂至0時對應(yīng)的時差。各地貌下z= 0.762H（靠近駐點）高度處的湍流積分長度試驗值及ESDU 74結(jié)果可見表1，其中O1地貌下試驗值與ESDU值較為接近。O1、S1地貌分別較O2、S2地貌具有更大的湍流積分長度，可見擋板的存在能使湍流積分長度顯著增大，增幅在50% ～ 100%左右。

脈動風(fēng)速譜按ESDU 74[17]建議的Von Karman譜進行模擬。圖2給出了試驗值與理論值的擬合情況，圖中f為頻率，Suu為脈動風(fēng)速功率譜密度，由圖可見二者吻合良好。圖3給出了4種地貌風(fēng)速譜的比較，圖中曲線在豎向的相對位置代表湍流度的相對大小，在水平向的相對位置代表湍流積分尺度的相對大小。由圖可見，由于S類地貌的湍流度總體大于O類地貌，故S類地貌曲線整體在O類地貌上方；由于1類地貌湍流積分尺度總體大于2類地貌，1類地貌曲線整體較2類地貌略微偏左。

圖2 O1地貌下脈動風(fēng)速譜Fig. 2 Wind velocity spectrum under O1 terrain

圖3 各地貌脈動風(fēng)速譜Fig. 3 Wind velocity spectra under different terrains

1.2 模型及試驗參數(shù)

本次模型為一矩形截面高層建筑剛性模型，縮尺比為1∶200。模型共由11段組成，如圖4所示，其中段1～段6的深寬比為0.5（按圖中風(fēng)向），段7～段11的深寬比為1，通過拼接組合及調(diào)整擺放角度可獲得深寬比為0.125～8的模型工況。沿模型高度方向共布置了7個測點層，各層高度分別為0.1H、0.3H、0.5H、0.65H、0.8H、0.9H、0.98H，各層布置方式相同。深寬比為8的工況的模型參數(shù)如表2給出，平面測點布置如圖4所示。測壓孔通過測壓管道系統(tǒng)接入至掃描閥上，掃描閥最終通過2048通道全自動測壓掃描系統(tǒng)被接入至PC機上，關(guān)于測壓管道與掃描系統(tǒng)的詳細(xì)信息可參見文獻[18]。本次試驗對深寬比為1/8、1/5、1/3、1/2、1、2、3、5、8的共計9種深寬比工況進行了4種不同地貌下的同步風(fēng)壓測試，風(fēng)洞試驗照片如圖5所示。試驗風(fēng)壓采樣頻率為400 Hz，采樣時長為90 s，相當(dāng)于足尺1H以上。風(fēng)洞內(nèi)邊界層高度以上的參考風(fēng)速為14.0 m/s。對于每個深寬比工況，進行了不同風(fēng)向的測試，本文僅針對正交風(fēng)向情況進行研究。

圖4 模型平面測壓點布置Fig. 4 Plan layout of pressure taps on the testing model

表2 D /B = 8工況模型參數(shù)Table 2 Model parameters for the configuration of D /B = 8

圖5 模型及風(fēng)洞試驗照片F(xiàn)ig. 5 Photos of the models in the wind tunnel

1.3 數(shù)據(jù)處理

風(fēng)壓系數(shù)按風(fēng)工程界慣例，采用建筑頂部高度H作為歸一化高度，定義如下：

式中，pi為測點i的風(fēng)壓值，p∞為靜壓值，ρ為空氣密度。

為考察建筑某一表面的整體風(fēng)壓系數(shù)CpA或風(fēng)荷載合力系數(shù)CF的大小，將其定義如下：

式中：Cpi為測點i的風(fēng)壓系數(shù)，Ai為測點i的控制面積，A為進行計算的建筑表面的面積。由上式可見，整體風(fēng)壓系數(shù)即為測壓點風(fēng)壓系數(shù)在整個表面上的面積加權(quán)平均值。

極值分析方法對極值估計結(jié)果有很大影響。本文采用Gumbel擬合法進行極值估計，其中Gumbel分布參數(shù)應(yīng)用Lieblein BLUE法確定，由文獻[19]可知，該方法具有較高的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。關(guān)于該方法的細(xì)節(jié)可參見文獻[20-22]。

2 平均風(fēng)荷載

2.1 迎風(fēng)面

圖6給出了各地貌下建筑迎風(fēng)面整體風(fēng)壓系數(shù)的平均值隨深寬比的變化情況。為降低不同地貌風(fēng)速剖面的差別產(chǎn)生的影響，該值由以測壓點高度作為歸一化高度的局部風(fēng)壓系數(shù)計算獲得，以CpLA表示。由圖可見，各深寬比工況迎風(fēng)面上的整體風(fēng)壓系數(shù)差別較小，這是由于對于除邊緣附近的迎風(fēng)面區(qū)域，氣動力受建筑本身引起的非定常流的作用很小，基本僅受來流的湍流特性影響。1類地貌下整體風(fēng)壓系數(shù)的平均值較2類地貌要大，可見迎風(fēng)面上平均風(fēng)壓系數(shù)與湍流積分尺度呈正相關(guān)。湍流度對迎風(fēng)面上平均風(fēng)壓系數(shù)的影響規(guī)律不明確。

圖6 迎風(fēng)面整體風(fēng)壓系數(shù)平均值隨深寬比的變化情況Fig. 6 Variation of the mean area-averaged pressure coefficients with the depth-to-width ratio on the windward surface

2.2 側(cè)風(fēng)面

Ruderich和Fernholz[23]通過對二維鈍體分離再附流下的平均風(fēng)壓分布的研究，發(fā)現(xiàn)在均勻來流下，無論鈍體體型及雷諾數(shù)是否改變，在距鈍體前緣的流向距離d被平均再附長度Xr歸一化時，分離再附流下的約化風(fēng)壓系數(shù)沿 流向的分布具有相同的分布曲線。其中約化風(fēng)壓系數(shù)如下式定義：

上述研究基于的流場為均勻來流，即低湍流度來流。Akon和Kopp[14]基于低矮建筑頂部繞流的粒子圖像測速（PIV）試驗數(shù)據(jù)及現(xiàn)有文獻中針對二維矩形棱柱側(cè)邊繞流結(jié)果，給出了平均再附點處值 隨湍流度變化的線性擬合公式：

通過上式即可根據(jù)來流某高度處的的湍流度獲得平均再附點處的約化風(fēng)壓系數(shù)值 ，再結(jié)合風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)并根據(jù)式(4)獲得平均再附點處的平均風(fēng)壓系數(shù)值，進而獲得平均再附長度。盡管鈍體體型可能對周圍繞流產(chǎn)生一定影響，但鑒于分離再附流及其下風(fēng)壓分布特性的相似性，本文在估算高層建筑側(cè)邊繞流的平均再附長度時采用文獻[14]給出的方法是合理的。

圖7給出了D/B= 5、2、1的建筑在各地貌下側(cè)風(fēng)面上的平均風(fēng)壓系數(shù)分布，這三個工況分別對應(yīng)再附、部分再附與近乎完全分離3種不同的繞流特性，由圖可以非常直觀地看到地貌對側(cè)風(fēng)面風(fēng)壓分布的影響。為了更準(zhǔn)確地進行考察，圖8同時給出了平均和脈動風(fēng)壓系數(shù)沿水平方向的分布曲線。此外，表3對平均流動再附的情況給出了按Akon和Kopp[14]方法估算的平均再附長度。

圖7 側(cè)風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)分布Fig. 7 Mean pressure coefficient distributions on the side surface

圖8 側(cè)風(fēng)面z/H = 0.65處平均與脈動風(fēng)壓系數(shù)分布Fig. 8 Mean and fluctuating pressure coefficient distributions at z/H = 0.65 on the side surface

表3 側(cè)風(fēng)面z/H = 0.65處平均再附長度Table 3 Mean reattachment lengths at z/H = 0.65 on the side surface

對于D/B= 5和D/B= 2的建筑，即平均流動再附和部分再附（O1地貌下）的情況，S類地貌較O類地貌下分離泡內(nèi)負(fù)壓更?。ň附^對值），風(fēng)壓恢復(fù)更為提前。由表3可見，對D/B= 5的情況建筑，S1地貌下平均再附點出現(xiàn)位置較O1地貌下提前約30%。對于D/B= 2的建筑，隨著湍流度的增大，平均流動狀態(tài)已從O1地貌下的未再附，轉(zhuǎn)變?yōu)镾1地貌下的再附。值得注意的是，在平均再附點處，風(fēng)壓尚未完全恢復(fù)。這些規(guī)律與諸多針對二維平板鈍體的研究（如文獻[4]）結(jié)果相似，但本文明確給出了三維棱柱尤其是側(cè)邊繞流部分再附情況的風(fēng)壓分布。對于D/B= 1的建筑，即平均流動近乎完全分離的情況，與上述兩種情況相似，S類地貌下分離流下負(fù)壓更??；O類地貌下整個側(cè)風(fēng)面上均呈現(xiàn)較大負(fù)壓，而S類地貌下在靠近尾緣處已經(jīng)開始出現(xiàn)風(fēng)壓恢復(fù)的趨勢。由以上可見，湍流度增大使分離流下平均負(fù)壓減小、風(fēng)壓恢復(fù)提前、平均再附長度減小。另外，對于深寬比介于1到2的情況，即平均流動近乎完全分離及部分再附的情況，湍流度對平均風(fēng)壓分布影響較大。

對于脈動風(fēng)壓系數(shù)，由圖8可見，對于D/B= 5和D/B= 2的建筑，在分離泡內(nèi)，S類地貌下的脈動風(fēng)壓系數(shù)較O類地貌明顯要大，且曲線峰值出現(xiàn)位置較O類地貌明顯靠前。許多針對均勻流下二維棱柱周圍繞流的研究表明，最大脈動風(fēng)壓出現(xiàn)于Kelvin-Helmholtz渦卷起、配對并分解成湍流之后，一般該位置剛好出現(xiàn)在平均再附點前[4,24]。而由圖8可見，O1地貌下最大脈動風(fēng)壓出現(xiàn)在0.59Xr處，顯著提前于平均再附點，S1地貌下則更為提前，出現(xiàn)在0.44Xr處，該規(guī)律與文獻[4，24]發(fā)現(xiàn)相似。此外，在風(fēng)壓恢復(fù)過程中，對于平均流動再附情況，S類地貌的平均風(fēng)壓系數(shù)仍較O類地貌偏小，但二者之間的差距明顯減小，兩類地貌下脈動風(fēng)壓系數(shù)的差距也明顯減小，分布曲線幾乎趨于一致。對于平均流動部分再附情況，兩類地貌下脈動風(fēng)壓系數(shù)在建筑尾緣處均略微增大，O類地貌增幅較S類地貌略微偏大。對于D/B= 1的建筑，流動近乎完全分離，即整個側(cè)風(fēng)面均處于分離泡下，故S類地貌下整個側(cè)風(fēng)面上的脈動風(fēng)壓系數(shù)均較O類地貌要大。由以上可見，湍流度增大會使分離再附流下脈動風(fēng)壓增大，脈動風(fēng)壓峰值出現(xiàn)位置更靠近前緣。

相較湍流度的影響，湍流積分尺度對平均風(fēng)壓分布的影響較小，但仍對平均繞流有一定的效應(yīng)。總體上2類地貌較1類地貌平均負(fù)壓略微偏小。在靠近前緣處，約0.33Xr（O1地貌）內(nèi)，2類地貌則明顯較1類地貌要小。對于平均流動再附或部分再附的情況，在風(fēng)壓恢復(fù)過程中，二者之間差距明顯減??；對于流動近乎完全分離的情況，在整個側(cè)風(fēng)面上，1類地貌下的平均負(fù)壓均較2類地貌要大。對于D/B= 5情況風(fēng)壓恢復(fù)過程及恢復(fù)后的平均風(fēng)壓系數(shù)，S2地貌較S1地貌偏大可能是由于S2地貌下的湍流度較小導(dǎo)致的。由以上分析可知，湍流積分尺度減小使總體平均負(fù)壓減小、靠近前緣區(qū)域平均負(fù)壓明顯減小。

同時，由圖8可見，O2、S2地貌下的脈動風(fēng)壓分布曲線形狀分別與O1、S1地貌相似，但前者脈動風(fēng)壓系數(shù)值總體上均分別小于后者，說明湍流積分尺度減小會使總體脈動風(fēng)壓減小，但對脈動風(fēng)壓分布曲線形狀影響不大。

由圖3可見，在湍流度相同的情況下，湍流積分尺度較小的風(fēng)場的脈動風(fēng)速譜，通常在高頻區(qū)具有更多的能量分布，即含有較少的大尺度湍流成分、而含有更多的小尺度湍流成分。這些分析表明，大尺度湍流使分離流下平均風(fēng)壓和脈動風(fēng)壓值增大，而小尺度湍流促使分離流更早再附，且使分離流下的平均風(fēng)壓和脈動風(fēng)壓值減小、峰值出現(xiàn)位置更靠近前緣。

需要說明的是，上述分析大多基于側(cè)風(fēng)面z/H=0.65高度處，在該高度處建筑側(cè)風(fēng)面繞流狀態(tài)較為接近二維鈍體。而由圖7可見，建筑側(cè)風(fēng)面風(fēng)壓分布沿高度方向變化明顯，呈現(xiàn)明顯的三維效應(yīng)。各地貌下側(cè)風(fēng)面最大平均負(fù)壓均出現(xiàn)在建筑前緣頂角處。

2.3 背風(fēng)面

背風(fēng)面上平均風(fēng)壓分布較為非常均勻，故本節(jié)僅給出了各地貌下背風(fēng)面整體風(fēng)壓系數(shù)隨深寬比的變化情況，如圖9所示。由圖可見，背風(fēng)面上的整體風(fēng)壓基本均在深寬比為0.5至1時達到最不利。S類地貌下背風(fēng)面上的平均風(fēng)壓系數(shù)均小于O類地貌，對于平均流動再附的情況及在深寬比非常小時，兩類地貌下的差距較小。但對于流動近乎完全分離及部分再附的情況該規(guī)律非常明顯，該深寬比范圍內(nèi)的建筑的湍流度效應(yīng)較大。1類與2類地貌下的平均風(fēng)壓系數(shù)差距較小，通常1類地貌略微大于2類地貌。由此可見，背風(fēng)面上的負(fù)壓大小與湍流度通常呈負(fù)相關(guān)，而與湍流積分尺度呈正相關(guān)。

圖9 背風(fēng)面整體風(fēng)壓系數(shù)平均值隨深寬比的變化情況Fig. 9 Variation of the mean area-averaged pressure coefficients with the depth-to-width ratio on the leeward surface

3 極值風(fēng)荷載

3.1 迎風(fēng)面

迎風(fēng)面上，各深寬比建筑迎風(fēng)面上的極值風(fēng)壓分布非常相似，故圖10僅給出D/B= 1工況迎風(fēng)面豎直中心線處極大值風(fēng)壓系數(shù)分布。由圖可見，1類地貌、S類地貌極值風(fēng)壓系數(shù)分別較2類地貌、O類地貌要大?？梢?，迎風(fēng)面上的極值正風(fēng)壓系數(shù)是由湍流度和湍流積分尺度綜合決定的，其中極值風(fēng)壓系數(shù)與湍流積分尺度明顯呈正相關(guān)關(guān)系。

圖10 D/B = 1工況迎風(fēng)面豎直中心線處極大值風(fēng)壓系數(shù)分布Fig. 10 Maximum pressure coefficient distributions along the windward vertical centerline for D/B = 1

3.2 背風(fēng)面

背風(fēng)面上的極值風(fēng)壓分布較為均勻，湍流特性對極值風(fēng)壓的影響規(guī)律也較為簡單。由圖11給出的豎直中心線上的極小值風(fēng)壓系數(shù)分布曲線容易看到，1類地貌下的極值負(fù)壓普遍較2類地貌要大；但S類地貌與O類地貌下的差別未呈現(xiàn)明顯的規(guī)律。這可能是由于S類地貌來流湍流脈動較大、但因分離流更早在側(cè)邊再附而使尾流有所減弱這兩種因素相互作用導(dǎo)致的。

圖11 背風(fēng)面豎直中心線上的極小值風(fēng)壓系數(shù)分布Fig. 11 Minimum pressure coefficient distributions along the leeward vertical centerline

3.3 側(cè)風(fēng)面

圖12 側(cè)風(fēng)面z/H = 0.65處極小值風(fēng)壓系數(shù)分布Fig. 12 Minimum pressure coefficient distributions at z/H = 0.65 on the side surface

圖12給出了側(cè)風(fēng)面z/H= 0.65處的極小值風(fēng)壓系數(shù)分布曲線。由圖可見，對于D/B= 5和D/B= 2的建筑，S1類地貌分離泡內(nèi)的極值負(fù)壓較O類地貌明顯要大，尤其是在靠近前緣位置處，這與湍流度對平均風(fēng)壓分布的影響規(guī)律相反。但相似的是，S類地貌下最大極值負(fù)壓出現(xiàn)的位置較O類地貌更為提前，但最大極值負(fù)壓一般均出現(xiàn)在0.2Xr～0.3Xr處，這與文獻[6]的結(jié)果基本相符。對于平均流動完全再附的情況，極值負(fù)壓在達到最大值后一般隨到前緣距離的增大而減??；但對于平均流動部分再附或近乎完全分離情況，極值負(fù)壓則在尾緣突然顯著增大，不同地貌對尾緣處較大負(fù)壓值的影響規(guī)律不明顯。由此可見，湍流度與分離再附流下的極值負(fù)壓呈正相關(guān)關(guān)系。

湍流積分尺度對側(cè)風(fēng)面極值風(fēng)壓分布也有一定影響。由圖12可見，1類地貌下極值風(fēng)壓系數(shù)總體上較2類地貌下要大，說明湍流積分尺度減小會使總體極值負(fù)壓減小。對于湍流積分尺度對分離再附流下的最大極值負(fù)壓的影響，考慮到湍流積分尺度較大的風(fēng)場通常在低頻區(qū)具有更多的能量分布，即含有較多的大尺度湍流成分，可以發(fā)現(xiàn)更大尺度的湍流可能是產(chǎn)生更大的極值負(fù)壓峰值的原因。故本文也部分驗證了文獻[6]中提到的“最大極值負(fù)壓由分離剪切流在鈍體表面附近卷起而形成的較大旋渦引起”。

圖13 橫風(fēng)向氣動力譜Fig. 13 Cross-wind aerodynamic force spectra

4 橫風(fēng)向氣動力譜

圖13給出了深寬比D/B= 0.33、1、2和5的建筑在4種地貌下的橫風(fēng)向氣動力譜的比較。對于D/B=1工況，盡管S類地貌來流脈動風(fēng)速譜較O類地貌要高，但對于氣動力譜，O類地貌下譜峰所含能量較S類地貌要大，這可能是由于S類地貌湍流度更大、分離流已開始部分再附于建筑側(cè)面導(dǎo)致的。相比之下，D/B= 0.33工況的建筑尾體較短，氣流在各地貌下均完全分離并脫落于尾流中，S類地貌下氣動力譜則整體高于O類地貌。對于D/B= 2工況，各地貌下分離流均開始再附，橫風(fēng)向氣動力譜則呈現(xiàn)更寬的譜峰。對于D/B= 5工況，各地貌下分離流均近乎完全再附，譜在高頻區(qū)的峰消失。總體而言，湍流度對深寬比介于1到2的建筑、即流動近乎完全分離及部分再附的情況影響較大。

圖14給出了4種地貌下建筑斯托羅哈數(shù)St隨深寬比的變化曲線及與文獻結(jié)果的比較。文獻[25]數(shù)據(jù)較本文數(shù)據(jù)明顯要小，且其給出了深寬比直至4的斯托羅哈數(shù)結(jié)果，而本文對于深寬比大于2的工況（S類地貌下則對于深寬比大于1的工況）的斯托羅哈數(shù)因譜峰過寬已很難由譜峰位置確定出來。但是對于深寬比為1的工況，本文數(shù)據(jù)與文獻[26]非常接近。由圖14可見，整體上各地貌下的St相差不大。

圖14 斯托羅哈數(shù)St隨深寬比變化情況Fig. 14 Strouhal number variation with the depth-to-width ratio

5 結(jié) 論

本文對4種不同風(fēng)場下9種深寬比的矩形截面高層建筑各立面的平均、脈動、極值風(fēng)壓與橫風(fēng)向氣動力譜進行了考察，獲得了如下結(jié)論：

1）隨湍流度增大，分離流更早再附于側(cè)風(fēng)面上，其中郊區(qū)地貌下較開闊地貌再附提前約30%。湍流度增大使分離流下平均負(fù)壓（均指絕對值）減小、極值負(fù)壓增大，最不利脈動風(fēng)壓與極值負(fù)壓出現(xiàn)位置較再附點更為提前。隨湍流度增大，背風(fēng)面上平均負(fù)壓減小，但極值負(fù)壓變化不明顯。對于方形建筑，旋渦脫落頻率處的橫風(fēng)向氣動力譜能量隨湍流度增大有所降低。

2）隨湍流積分尺度減小，迎風(fēng)面上、背風(fēng)面的平均風(fēng)壓與極值風(fēng)壓絕對值均減小，側(cè)風(fēng)面分離流下平均負(fù)壓、脈動風(fēng)壓與極值負(fù)壓均減小。湍流積分尺度對分離再附流形態(tài)及分離流下的風(fēng)壓分布形狀影響不大。

3）不同深寬比建筑分離再附流下的平均、脈動與極值風(fēng)壓分布形狀相似，但背風(fēng)面平均風(fēng)壓值以及橫風(fēng)向氣動力譜形狀差別較大。總體而言，湍流特性對深寬比介于1到2的建筑，也即流動近乎完全分離及部分再附的情況影響較大。

4）大尺度湍流使分離流下平均風(fēng)壓和脈動風(fēng)壓值增大，而小尺度湍流促使分離流更早再附，且使分離流下的平均風(fēng)壓和脈動風(fēng)壓值減小，峰值出現(xiàn)位置更靠近前緣。更大尺度的湍流可能是產(chǎn)生更大極值負(fù)壓峰值的原因。