半开放式结构周围的湍流波动——通过风洞试验影响对建筑宽高比和风荷载概率的评估

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Turbulent fluctuation around a semi-open structure - influencing assessment on building aspect ratio and wind probability by wind tunnel test

研究通过风洞实验探究半开放结构的风行为特征，包括平均风速、瞬时风场分布和大风特性，分析建筑高度比与风向对行人层风环境（PLW）的影响。结果表明半开放结构能增强开口处气流并缩小尾流区，大风特性随平均风速增加减弱，不同风向显著影响风场形态。摘要结束。

　　

朱玉洁|张雪琳|郭瑶佳|廖宇|钱星宇|刘文兵|刘建林

中国上海市东华大学环境科学与工程学院

摘要：

半开放式结构对于提升城市风环境舒适度和安全性至关重要。然而，具有大面积开口的常见建筑物的空气动力行为仍不甚明了，这限制了现有经验模型的适用性。本研究采用风洞实验来研究半开放式结构周围的气流情况，重点关注平均风速、瞬时风速分布以及阵风特性。同时，还探讨了建筑长宽比和来风方向对行人风环境（PLW）概率分布的影响。实验结果表明，开口有助于增强迎风角的气流，并减少侧面的气流分离现象，从而形成较窄的尾流区域。随着平均风速的增加，阵风效应有所减弱。在弱风条件下（U/U_H < 0.3），峰值系数3.03能够较好地表征短期阵风效应。建筑高度的增加会加剧开口附近的局部加速现象，但同时阻碍了内部气流的渗透；建筑宽度的增加则增强了气流的阻挡作用，使低风速区域的范围扩大至参考建筑的约1.8倍。建筑物周围的气流对不同来风方向非常敏感。尽管风速分布总体呈正偏态，但只有0°来风方向产生的风速波动最小。斜向或逆向来风会导致气流波动或减弱。这些发现为理解半开放式结构的空气动力行为提供了科学依据，有助于指导设计策略，从而提升局部风环境舒适度和安全性。

引言

随着城市化进程的加快和建筑密度的增加，城市中的局部风环境问题日益受到关注。这主要是因为它们对行人热舒适度和空气质量有显著影响[1,2]。作为一种被动策略，自然通风有助于改善城市区域的气流分布[3]、降低污染物浓度[4]并提升整体生活质量[5]。近年来，通过优化开口布局和修改建筑形状等建筑设计方法，已广泛用于提升通风性能和减少能源消耗[4,6,7]。其中，半开放式结构因其兼具遮蔽和允许气流通过的双重功能而受到关注，使其在改善城市微气候和热舒适度方面表现出色。

半开放式结构是一种介于完全封闭和完全开放结构之间的建筑形式。这类建筑在提供遮蔽空间的同时，促进了室内外空气的显著交换[6,8,9]。它们具有多样化的独特设计，适用于不同功能需求，例如高密度城区中的可升降建筑[10,11]、热带城市的拱廊[3,12,13]、三维多功能复合空间中的下沉式广场[4,14]以及乡村地区的半开放式亭子[15]。这些设计特征有助于提升城市风环境舒适度和能源效率。例如，可升降建筑通过抬高地面，将迎风面的正压与背风面的负压相连，从而增加局部风速[12,16]；拱廊通过提供遮荫和增强自然通风来提升室外热舒适度[3,12]；乡村半开放式亭子通过优化热量延迟和消散路径来实现稳定的热性能[15]。需要注意的是，这些结构的优势因具体环境而异[17]。有研究表明，在高风速区域，可升降建筑会加剧阵风效应，对行人构成安全隐患[12]；而拱廊则可能阻碍通风并导致污染物在密集城区积聚[18]。现有关于半开放式结构的研究大多针对特定案例，其结论的普遍适用性有限。实际上，许多城市设施（如垃圾转运站、停车场和市场）也采用了半开放式设计[19]。这些具有大面积开口和部分封闭结构的建筑非常普遍，发挥着重要的城市功能，但对其对城市风环境影响的科学研究仍较为有限。

具有大面积开口和部分封闭结构的半开放式建筑通常为低层独立建筑，其空气动力行为与完全开放建筑或开口较小的建筑存在显著差异，许多传统假设和经验模型并不适用[20]。大面积开口会改变压力分布，产生非稳态涡流，并导致内部与外部气流之间的复杂相互作用。研究表明，当开口面积超过建筑表面积的20%时，气流会破坏原有流动模式，显著改变周围流场[20]。常用的经验参数和相似性标准（如排放系数[[21], [22], [23]]以及雷诺数[24]）通常基于稳态流动假设或封闭建筑进行开发。特别是，针对建筑高度雷诺数（Re_H）和开口雷诺数（Re?）的常用阈值并不适用于半开放式结构，因为内部与外部气流的耦合行为存在差异[20,24]。虽然可以通过无量纲比较实验评估雷诺数效应，但这无法完全捕捉半开放式结构周围的非稳态和极端事件。另一个挑战在于如何处理非稳态波动和峰值响应[25]。在半开放式结构中，由于涡流脱落和室内外气流的瞬态相互作用，速度可能偏离平均值较大。仅依赖平均量会低估直接影响通风性能、污染物扩散和行人风舒适度的极端事件。峰值系数表示极端响应与平均响应的比值，对于评估建筑周围的风效应至关重要。然而，将其从封闭建筑应用到具有大面积开口的半开放式结构时，其适用性和准确性尚不明确。因此，需要准确可靠的研究方法来理解这类建筑的特殊气流行为。

近年来，计算流体动力学（CFD）仿真技术取得了显著进展，并被广泛应用于各种场景，但在半开放式结构等复杂环境中的可靠性仍有限。CFD仿真的准确性在很大程度上取决于湍流建模方法[26,27]，且在捕捉非稳态流动和复杂涡流结构方面仍存在挑战。这些局限性凸显了高质量实验数据在验证CFD仿真结果方面的必要性[28,29]。风洞实验能够提供可靠的结果，再现建筑物周围的实际风场情况，尤其适用于捕捉数值方法难以处理的瞬态流动特征和湍流特性。迄今为止，Jiang等人和Karava等人的实验数据集[30,22]对验证带开口建筑的模型起到了关键作用[31,32]。然而，这些研究主要集中在开口比例较小的情况下（通常小于10%），限制了其结果在具有较大开口的半开放式结构中的适用性。一些风洞研究针对特定类型的半开放式结构（如可升降建筑、庭院和拱廊）进行了探讨，但由于几何范围有限或案例条件特殊，其结论的普遍适用性有限。此外，风洞实验还有助于推导出难以通过现场测量获得的经验常数[33]。例如，常用的峰值系数最初是为封闭建筑开发的，可能不适用于具有大面积开口的半开放式结构。风洞实验为评估这些经验常数的相关性以及深入理解其背后的空气动力机制提供了途径[34,35]。因此，风洞实验结果对于研究具有大面积开口的半开放式结构周围的湍流风场和验证进一步CFD仿真至关重要。

本研究旨在通过风洞实验，研究具有理想化几何形状和较大开口的半开放式结构周围的气流特性。研究内容包括时间平均速度场、瞬时速度分布以及阵风特性，并分析了五种建筑长宽比（1, 2, 3, 1/2, 1/3）和五种来风方向（0°, 45°, 90°, 135°, 180°）对其影响。论文结构如下：第2节描述了风洞实验设置；第3节讨论了参考模型周围的气流特性；第4节分析了建筑长宽比和来风方向对行人风环境（PLW）的影响；第5节总结了研究的主要发现和意义。

部分内容摘录

建筑配置和案例描述

本研究采用了一个具有单个大面积开口的通用半开放式结构模型。该1:50比例的模型尺寸为D × W × H = 0.1 m × 0.1 m × 0.1 m。如图1所示，迎风立面设有一个面积为0.01 m2的开口。该模型采用3毫米厚的透明亚克力板制成。

以该配置作为基准案例，通过改变建筑长宽比（H/W）进一步研究了八种不同的建筑配置

平均速度等值线

图6展示了半开放式结构在水平和垂直平面上的无量纲平均风速等值线。空间坐标以参考建筑高度H进行归一化，风速按建筑高度处的参考风速（2.75 m/s）进行缩放。图6(a)显示了行人高度处的水平平均风速分布。

当来风穿过建筑时，部分气流通过开口进入内部并发展成

平均气流场的变化

图10展示了不同建筑长宽比下的平均风速等值线分布。随着建筑高度从2H（H/W = 2）增加到3H（H/W = 2），垂直剪切力的增强促进了向下的动量传输，导致近地面风速加剧。角部区域的加速带随着高度的增加而向侧面扩展。增强的剪切力减少了气流进入建筑内部的量

结论

本研究在风洞中测试了具有大面积开口和部分封闭结构的半开放式建筑，研究了气流特性，包括平均和瞬时风速分布以及阵风特性，并评估了建筑长宽比和来风方向对行人风环境（PLW）的影响。主要研究结果如下：

(1)

半开放式结构增强了开口附近的气流，尤其是在迎风角处。其部分封闭结构形成了尾流区域

作者贡献声明

朱玉洁：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论设计、数据整理。张雪琳：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、研究。郭瑶佳：撰写——审稿与编辑、研究。廖宇：撰写——审稿与编辑、研究。钱星宇：撰写——审稿与编辑。刘文兵：撰写——审稿与编辑。刘建林：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、项目监督