建築空氣動力學

建築空氣動力學是空氣動力學的一個分支，主要研究風對建築物、構築物（如房屋、橋樑、煙囪、冷卻塔、電視塔、空中電纜、輸電塔、廣告牌、雕塑等，以下簡稱建築物）的作用和效應以及建築物的存在所造成的風環境等問題。

研究背景

人們自古以來就認識到風對建築物的破壞作用，但對風的破壞機理並不十分清楚。隨著空氣動力學的蓬勃發展，人們開始從空氣動力學的角度研究建築物上的風載荷和風所激發的振動。特別是自從1940年美國塔科馬(Tacoma)大橋倒塌事件發生以後，這種研究得到進一步的發展。60年代以後，高層建築物不斷增多，輕型建築材料廣泛套用,城市規劃日益周密,風對建築物的作用更受到重視。至今已逐漸形成了一門涉及空氣動力學、氣象學、氣候學、結構動力學、建築工程等多方面學科的邊緣學科──建築空氣動力學。

研究發展

比較系統的研究始於19世紀末， 1890年，澳大利亞W. C. Kernot在風洞中，測量了建築物模型屋面上的風壓分布。1894年，丹麥J. O. Irminger也在風洞中測量了建築物模型表面上的風壓分布，並與實測結果進行了比較。1889年，法國G. Eiffel在設計當時世界最高(300m)的巴黎埃弗爾鐵塔時，計算了塔的撓度;鐵塔建成後，他又在地面用望遠鏡測量了塔頂移動的軌跡呈橢圓形，平均撓度為7~8cm。

20世紀30年代～50年代，建築物的空氣動力學研究主要集中在大氣邊界層的模擬和建築物的風荷載測量。1943年，美國Bailey人在一個長試驗段風洞中採用邊界層模擬裝置，在模型區形成了高度為0.25m的大氣邊界層，並對一座1:240比例比的建築物模型進行了表面壓力分布試驗。50年代初，丹麥Jensen[3]對風洞模型試驗的相似律問題作了重要闡述，提出了必須在風洞中模擬大氣邊界層內風特性。

20世紀50年代後，人們開始研究建築物的結構回響問題，美國Liepmann首先研究了由大氣湍流產生的結構回響。但將Liepmann理論套用到建築物時，需要發展近地脈動風的模型。1961年，加拿大Davenport提出了這種模型，並在此基礎上建立了計算建築物順風向回響的方法，並編入了建築結構荷載規範。

建築物橫風向回響遠比順風向回響複雜，其激勵機理與氣動彈性聯繫在一起。雖然已有不少學者對橫風向回響進行了研究，但至今還沒有從基本原理出發推導出計算建築物橫風向回響的解析公式。

為了研究建築物的結構回響問題，在風洞中發展了氣動彈性模型試驗技術動壓力測量技術。20世紀70年代末，英國Whitbread和美國Cermak又將“高頻底座天平技術”用於風洞試驗，直接從幾何相似的剛性模型獲得動態風荷載，然後，計算結構回響。

在建築群中，各建築物間的空氣動力干擾一直是人們十分關注的問題，自80年代後，許多學者對此進行了研究。有人試圖從理論上提出帶有普適性的干擾模式，來確定其干擾係數及其影響範圍，以便對建築群中建築物間的干擾做出規範。但由於在建築群中建築物間的空氣動力干擾非常複雜，因此，到目前為止，還難以用理論解析的方法來解決建築群中各建築物間的空氣動力干擾問題，主要依靠風洞試驗。

隨著城市建築物高度和密度的增加，建築物周圍的局部風環境不僅會影響人們的舒適性，而且會使城市的空氣污染加劇，因此，近年來越來越引起重視，除了用風洞試驗模擬外，還進行數值模擬分析，並制定了相應的規範。

進入21世紀以來，隨著大跨度柔性建築物的出現，對其風荷載特別是風致回響的研究成為建築物空氣動力學的熱點問題之一。另外，針對動態風荷載測量，發展了脈動壓力同步測量技術和新的數據處理方法等。

研究內容

研究作用在建物上的風荷載

風對建築物的作用主要表現在平均風載荷、脈動風載荷、風振、通風和熱損失、局部風環境等方面。風載荷是設計建築物時必須考慮的載荷之一，包括風對建築物的作用力、力矩和表面分布壓力。風載荷主要取決於來流速度及其隨高度的分布、風向、湍流結構以及建築物的形狀、表面粗糙度和動力特性,一般隨時間變化，並且具有很大的隨機性。為了研究方便，常將真實的瞬時風載荷分為平均風載荷和脈動風載荷兩部分。圖1表示一個繞經長方體建築的典型流動圖案(圖1之a)和該建築物某一橫截面處的壓力係數Cp的分布(圖1之b)。壓力係數Cp=(p-p_δ)/0.5ρ_δV_δ²，其中p為表面壓力；p_δ、ρ_δ、V_δ分別為大氣邊界層外緣氣流的壓力、密度和速度。（圖1之b） 中壓力分布的表示方法為：負壓（低於大氣壓的壓力）分布繪於建築物輪廓線內，正壓分布繪於外；壓力分布曲線上某點壓力的大小與距建築物輪廓線的距離成正比。圖中給出的壓力峰值是選擇建築物的貼面、玻璃、裝飾物等所必須考慮的因素。

對通常形狀的建築物來說，表面摩擦應力同壓力相比是小量，所以對建築物表面上壓力的積分即可認為等於作用力。在工程設計中，常用體形係數C_F表示平均作用力的大小。C_F=F/A:q，式中F為作用力；A為建築物迎風面積；q為基本風壓。體形係數與建築物形狀有很大的關係。在建築載荷規範中常給出各種不同結構的體形係數，作為設計時的參考或準則。

研究建築物在風作用下的結構回響

建築物表面上的脈動壓力，從機理上說，主要是由於大氣中的湍流脈動和建築物繞流中的旋渦脫落等作用的結果。脈動壓力一般隨位置和時間而隨機地變化，它使建築物承受隨時間變化的作用力和力矩。這些力和建築物的慣性力、恢復力、阻尼力等的共同作用使建築物激發振動，簡稱風振。若風振的主要頻率同建築物固有頻率相近，則可能發生共振而引起災難性後果。風振特性及其防止措施是建築空氣動力學的研究內容之一。

研究建築物周圍的風環境和舒適性

研究方法

主要是實驗室模擬、現場觀測、理論分析和數值計算。繞建築物流動主要是剪下湍流流動，而其完善的力學模型尚未建立，可見從基本方程出發來進行理論或數值計算還沒有達到實用的程度。現場觀測所需人力、財力較大，實驗條件難以控制，而且很多建築是待建的。因此當前解決實際問題的主要方法是實驗室模擬，特別是採用縮尺模型在大氣邊界層風洞或分層流水槽中進行模擬實驗（圖2）。首先要求模擬大氣邊界層氣流，主要是氣流的平均速度分布、湍流度、積分尺度和頻譜等。模擬方法可以利用長實驗段風洞和不同底面粗糙度自然形成大氣邊界層，也可以在短實驗段風洞中用旋渦發生器、噴氣裝置等人工加速形成大氣邊界層。其次要求幾何相似，包括建築物外形、表面粗糙度及其周圍環境和地形等的幾何相似。理論上也要求實驗雷諾數與全尺寸實物時相同，但一般難以達到。對於有稜角建築，相應的流動基本上與雷諾數無關，影響不大；對於球形、圓柱形等建築來說，則可以用加大表面粗糙度的方法來補救。