基于PIV技术对大型实验设施中模拟的下行爆流式壁面射流输出流的分析：流动特性与未来展望

《Probabilistic Engineering Mechanics》：PIV-based analysis of experimentally simulated downburst-like wall jet outflows in a large-scale experimental facility: Flow characterization and future perspectives

　　穆罕默德·埃萨|阿马尔·埃拉瓦迪|马西米利亚诺·布尔兰多|玛丽亚·皮亚·雷佩托
美国佛罗里达州迈阿密市佛罗里达国际大学土木与环境工程系

摘要
下击暴流是最为极端且具有破坏性的风害现象之一，因此需要对其可能影响结构所受风荷载的关键流动特性进行精确模拟。尽管在下击暴流模拟及流场特性分析方面已取得一定进展，但目前仍缺乏利用三维粒子图像测速技术对大规模下击暴流式壁面射流流出进行深入研究的文献。鉴于现有下击暴流模拟技术的现状，有必要明确其局限性，并据此确定哪种技术最适用于评估下击暴流引发的风荷载。从这个角度出发，研究问题应表述为“如何模拟影响风荷载的关键流动参数？这些参数的范围是否足以满足模拟需求？”而非“流动模拟的精度有多高？”。基于此，本文采用三维粒子图像测速技术对实验模拟的下击暴流式壁面射流流出进行了研究。文中系统分析了各种关键流动特性，包括流动结构、风速变化规律、鼻形垂直剖面的形成过程、垂直风分量及其方位角和垂直角分布、静压分布，以及简化后的湍流分量的功率谱。模拟得到的流动结果与现场测量数据以及ASCE 49标准中推荐的参数范围高度吻合。在此基础上，可以在现有的有限参数范围内探索更多研究课题，例如垂直风分量对风荷载的影响、模型位置与静压空间变化的关系，以及准稳态框架在评估下击暴流引发风荷载时的适用性。本研究的更大意义在于为未来工作提供实用指导，有助于在不同风洞之间进行更有意义的比较，最终实现将下击暴流引发的风荷载更准确地纳入ASCE 7标准中。最后，本文还分析了壁面射流模拟技术的局限性，尤其是风参数的可控性问题，并提出了未来改进该模拟技术的可行方案。

引言
下击暴流是由雷暴云产生的局部冷空气柱，它会迅速向地面下沉，从而在侧向引发强烈的向外吹风。根据受影响区域的大小，下击暴流可进一步分为微下击暴流和宏下击暴流，二者具有相似的特征。虽然下击暴流的持续时间较短，但相较于大尺度天气系统中的风，它仍可能对受影响地区的航空、建筑及自然环境造成严重破坏[[1], [2], [3], [4], [5]]。美国和国际社会都容易遭受这种破坏性风害的影响[[6], [7], [8]]。气候中心最近的报告显示，2025年美国因雷暴造成了67人死亡，经济损失约为507亿美元。下击暴流的严重性和破坏性在于其难以预测、发生频率高于龙卷风，且强度具有局部性[9,10]。因此，越来越多的研究致力于收集下击暴流风场的现场数据，通过在全球范围内开展各类监测项目，来深入了解近地面流动特性，包括流动的动力学特征与发展过程，例如北伊利诺伊州下击暴流气象研究项目（NIMROD）[11]、联合机场天气研究项目（JAWS）[12]、微下击暴流与强雷暴实验项目（MIST）[13]、FAA-林肯实验室运行天气研究项目（FLOWS）[14]、2002年雷暴出流实验[15,16]、新加坡雷暴监测站[17]、风与港口项目[9]、强对流雷暴出流研究项目（SCOUT）[18]以及风、港口与海洋项目[19]。尽管这些项目提升了人们对这一复杂现象的理解，但下击暴流风场特性的变化规律仍存在不确定性，这阻碍了人们对其对各类建筑和基础设施潜在影响的统一认识。为克服这一局限，需要同时研究两个方面的内容：一是探究流动特征及其背后的结构机制；二是研究流动结构之间的相互作用，以及各风参数对相应风致响应的影响。为此，可采用计算模拟或实验模拟方法，也可将两者相结合使用。目前已有多种下击暴流模拟器被开发出来，用于生成下击暴流风场并研究其对结构的影响——李等人[20]对各类物理下击暴流模拟器进行了全面综述。在风洞试验中，三种技术被广泛应用：（i）壁面射流技术（如参考文献[[21], [22], [23]]）；（ii）冲击射流技术（如参考文献[[24], [25], [26], [27]]）；（iii）浮力驱动流技术（如参考文献[28]）。虽然壁面射流技术无法完全呈现下击暴流风场的三维特性，但它能在复制关键流动特性方面与现场测量数据保持较好的一致性[23,[29], [30], [31], [32]]。更重要的是，与其他方法相比，壁面射流技术能够在更大范围内再现下击暴流出流特性。本研究就在佛罗里达国际大学的“风墙”实验设施中，采用壁面射流技术来模拟下击暴流出流。

将全尺寸风场转化为风洞模拟涉及三个主要环节：一是对全尺寸风场进行特性分析；二是选择合适的模拟技术；三是确定合理的缩放方法。第二和第三环节之间存在紧密关联，某种模拟技术的能力与局限性会直接影响缩放方案的选择。这种相互作用能帮助研究人员和工程人员了解哪些风参数（如瞬时风速、风向角和风速角、静压以及湍流的强度和尺度）必须准确再现，而哪些参数可以适当简化，这一判断可基于对全尺寸参数的已有认知（如参考文献[[33], [34], [35], [36]]）。然而，目前现有模拟器在再现全尺寸风场参数方面的局限性尚不完全清楚[20]，这给准确研究结构空气动力学和估算风荷载带来了挑战。例如，建筑物相对于静压空间变化的位置对于评估相关风荷载至关重要[37]。无论目标是评估静压的影响，还是优化建筑物布局以降低其影响，掌握这些空间和时间上的变化规律都是必不可少的。传统单点测量设备（如蛇形探针）的局限性可能妨碍对瞬态下击暴流风参数的测量。粒子图像测速技术则是一种非侵入式的替代方法，能够获取下击暴流风场参数的详细信息，同时保留这些参数的高质量时空数据。由于“风墙”实验设施中模拟的下击暴流出流具有瞬态特性，因此本研究采用了三维粒子图像测速技术。关于“风墙”实验设施中粒子图像测速系统的更多细节将在本文后文介绍。

本文是对Mejia等人[23]研究的补充，后者探讨了当前模拟器的设计及验证过程。该研究不仅深入分析了流动中的涡旋动力学及其时空相互作用，还结合了粒子图像测速数据与正交分解分析方法。此外，研究还对测量窗口内的主要风参数进行了全面分析，揭示了随着流动结构（即主涡旋、次涡旋和尾涡旋）的形成，这些参数是如何变化的。该研究还提出了一系列未来研究方向，例如：瞬时风向角和风速角是否会对风荷载产生影响？这种影响是否适用于所有建筑物？现行标准中是否可以忽略垂直风分量？在考虑静压的空间变化特征时，静压在计算结构表面压力分布中起什么作用？基于以上内容，本文的主要贡献将在下一节中阐述。

本文的主要目标是利用三维粒子图像测速技术，对“风墙”实验设施中大规模下击暴流式壁面射流流出进行深入的流动特性分析，重点研究复杂涡旋动力学的时空演变规律。因此，本文的主要贡献可归纳为以下几点：
•本研究加深了对下击暴流式壁面射流流出特性的理解，明确了使用壁面射流模拟技术时量化结构风荷载的方法。这些认识对于实现全尺寸风场的合理缩放，以及在不同模拟方法之间进行有意义的比较具有重要意义。
•三维粒子图像测速分析结果为模拟得到的风参数提供了深入见解，建立了其与全尺寸观测数据的联系，同时还将其他实验模拟技术的研究成果融入到了分析中。此外，该分析方法还系统地研究了测量区域内不同位置和高度处的这些参数变化规律。最终目的是为建筑物的最佳布局提供实用指导，明确哪些参数决定了风荷载的大小——这也是本研究更广泛的意义所在。

本研究围绕模拟得到的下击暴流流场提出了六个主要研究问题，这些问题涉及流动在测量窗口内的传播方式、PIV窗口内最大风速的时空变化规律、鼻形垂直剖面的形成过程及主涡旋在其中的作用、垂直风分量在风洞模拟中评估下击暴流引发风荷载时的重要性、九个位置处风向角和风速角的变化情况及其与涡旋流动结构的一致性，以及流动传播对最终静压分布的影响。本文的其余部分结构如下：第2节介绍了“风墙”下击暴流模拟器，详细说明了其工作原理及三维粒子图像测速系统的配置。第3节则分析了流场特性，包括流动结构、风速变化规律、鼻形垂直剖面的形成过程、风向角和风速角、静压分布以及简化后的湍流分量的功率谱。基于这些分析结果，第4节得出了本文的一些实际应用启示。第5节指出了当前研究存在的局限性，并提出了相应的改进方案。最后，第6节总结了本研究的主要结论，并提出了未来的研究方向。

实验设施与下击暴流模拟器
“风墙”实验设施是一种开放式的小尺度到全尺度风洞测试设施，可用于模拟极端风况，其最大持续测试段风速可达70米/秒（157英里/小时），相当于5级飓风的风力水平[38]，如图1所示。该设施具备多种测试功能，包括多尺度空气动力学和气动弹性测试、破坏性测试，以及风致降雨模拟评估[[39], [40], [41], [42]]。该设施还包括大型壁面射流装置……

结果与讨论
在本节中，我们将根据研究结果回答以下问题，以便读者能够清晰地理解论述的脉络。这些问题如下：
?Q1：通过基于激光的流动可视化技术、相应的粒子图像测速快照以及正交分解提取的模态，流动在测量窗口内的传播方式是怎样的？
?Q2：在PIV窗口内，最大风速在时间和空间上是如何变化的？
?Q3：鼻形垂直剖面的形成过程是怎样的？

实际应用启示
基于前述分析，根据ASCE 49-21标准以及Jesson等人的研究[34]，采用壁面射流模拟技术可以获得合理的风向角范围，即?30° ≤ β ≤ 30°。这一范围也是测量峰值压力系数所必需的。通过实验方法评估准稳态方法的适用性可能是足够的[62]。由于下击暴流出流中的主要涡旋特征可视为大尺度湍流，而这些湍流又会影响结构所承受的风荷载……

当前研究的局限性及可能的改进措施
本研究存在一些局限性，下文将逐一说明这些局限性，并提出相应的改进策略。首先，由于实验装置中安装了四台摄像机，限制了粒子图像测速的测量窗口大小。因此，除非对整个实验装置进行改造，以便能够覆盖凯尔文-赫姆霍兹不稳定性起始区域，否则就无法捕捉到该不稳定性的起始过程。通过重新调整摄像机的布置，可以避免这一局限性。其次，……

结论
在NHERI“风墙”实验设施中，利用粒子图像测速技术对下击暴流式壁面射流流出进行了模拟与测量。本文旨在进一步深入理解其背后的涡旋动力学机制。研究采用了正交分解技术和基于激光的流动可视化技术等多种方法，来分析流动的时空特性，尤其重点研究了测量区域内的九个位置处的流动特征。主要研究结果如下：CRediT作者贡献声明：Mohamed Eissa：概念构建、数据整理、研究实施、方法设计、可视化、初稿撰写。Amal Elawady：概念构建、形式分析、资金筹集、方法设计、项目管理、资源协调、监督指导、验证工作以及文章的审阅与编辑。Massimiliano Burlando：概念构建、形式分析、研究实施、项目管理、监督指导、文章的审阅与编辑。Maria Pia Repetto：概念构建、形式分析、项目规划。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文所述研究的已知财务利益或个人关系。

致谢：本文的研究工作得到了美国国家科学基金会（NSF）的资助，项目编号为CMMI-2146277。本文所表达的观点、研究发现、结论或建议仅代表作者个人观点，并不代表资助机构的立场。所有实验性风洞测试均在“风墙”实验设施（WOW）中进行。作者衷心感谢WOW设施工作人员的支持与协助，尤其是James Erwin和Manuel。