《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Experimental Study of Single-Sided Ventilation through a Roof Opening using Isolated Generic Models
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本研究针对建筑能耗中HVAC系统占比高、全球变暖加剧冷却需求增长的背景，通过风洞实验探讨了屋顶开口单侧通风的潜力。研究人员采用圆柱体和矩形棱柱两种孤立通用模型，系统测试了不同安装方式、开口尺寸、来流条件及风向角下的通风效率。结果表明，屋顶开口通风率（Q）受再循环区、再附着流和锥形涡三种主导流态影响，其中锥形涡作用下的Q可达传统侧向通风的3倍，最高达0.12。该研究为优化建筑自然通风设计、降低能耗提供了新思路，对推动零能耗建筑发展具有重要意义。
随着全球建筑能耗持续增长，采暖、通风和空调系统（HVAC）已占建筑总能耗的38%。与此同时，全球变暖加剧导致未来制冷需求大幅上升。在零能耗和零排放建筑标准推广的背景下，被动式自然通风成为降低HVAC负荷、改善室内空气质量的关键策略。然而，在密集城市环境中，深平面建筑往往只能依靠单侧立面进行通风，传统侧向开口的通风效率有限。屋顶区域因具有更高风速和更强压力波动，展现出巨大通风潜力，但相关研究却十分匮乏。为此，研究人员在《BUILDING AND ENVIRONMENT》上发表论文，通过精细的风洞实验，系统探究了屋顶开口单侧通风的机理与性能。
为揭示屋顶开口通风的本质，研究团队采用了多学科交叉的实验方法：首先利用风洞模拟两种来流条件（平滑流和粗糙流），通过示踪气体法（N2O）精确测量通风速率；采用激光多普勒测速仪和粒子图像测速技术捕捉屋顶上方流场结构；结合压力扫描系统监测屋顶表面压力分布。实验选用圆柱体和矩形棱柱两种孤立通用模型，分别测试了平齐安装和地面安装两种配置，系统考察了开口尺寸、风向角等参数的影响。
4.1 无量纲通风速率分析
研究显示，平齐安装条件下，矩形棱柱模型通风率随开口流向长度增加而上升，支持混合层理论。地面安装时，圆柱体模型在粗糙来流下通风率显著提升（Q达0.049–0.074），且受开口尺寸影响较小；而矩形棱柱在斜向风作用下（θ=45°–60°），因锥形涡作用，Q峰值达0.09，为传统侧向通风的3倍。
4.2 屋顶中心时均流场特征
流速剖面测量发现，当屋顶中心存在反向流动时（如圆柱体在平滑流下），通风率与当地脉动强度呈线性关系（系数约0.16）。矩形棱柱在粗糙来流下，θ=0°–30°时通风机制以再循环区主导，Q*稳定在0.028–0.048；而θ≥45°后，锥形涡或再附着流成为主导因素，通风效率显著分化。
4.3 矩形棱柱屋顶流场可视化
压力分布和PIV流场显示，θ=45°–60°时屋顶表面出现典型低压核心区，对应锥形涡生成，其强吸力和高脉动大幅提升通风效率。当开口位于再附着流直接冲击区域（如L250开口在θ=90°时），二次再循环结构形成，Q*跃升至0.12；而开口若处于压力恢复区，通风改善有限。
本研究首次系统揭示了屋顶开口单侧通风的三大主导流态：再循环区主导机制下，通风率稳定且与脉动强度线性相关；锥形涡作用可大幅提升小开口通风效率；再附着流则对开口位置敏感，合理设计可引发深层穿透流动。研究结果突破了传统侧向通风的效能局限，为高层建筑、体育场馆等大空间通风设计提供了理论依据。未来工作需结合瞬态测量技术，进一步量化非定常流动机理，以推动自然通风在绿色建筑中的精准应用。
