下暴状外流的时频标度框架：挑战、全尺度验证与展望

《Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics》：Time-frequency scaling framework for downburst-like outflows: Challenges, full-scale validation, and prospects

　　

摘要

全球范围内，下击暴流对结构的诱发效应引起了越来越多的研究关注，原因包括其广泛的破坏潜力、与大气边界层风相比具有截然不同的风场特征，以及现行设计规范和标准中对此类效应的考虑不足。利用实验方法准确评估下击暴流诱发风荷载的一个基本步骤是采用适当的缩尺方法在实验中再现全尺寸事件。然而，现有的缩尺方法受限于相互冲突的时间尺度、缺少频域相似性评估以及在不同模拟目标之间灵活性不足等问题。为解决这些问题，本文提出了一种针对下击暴流型出流的高级时频缩尺框架，该框架整合了时域和频域的相似性，并为采用不同模拟技术的研究人员和从业者提供了实用的指导。本文基于佛罗里达国际大学"风墙"实验设施记录的五百多条速度时程数据，构建了全面的实验数据库，涵盖多个测量位置和探针配置。本文提出了两个案例研究，以展示该框架在不同模拟目标下对现场事件进行缩尺的鲁棒性：（i）再现目标事件的完整时空行为，以及（ii）在不要求测量高度之间空间一致性的情况下，实现仅时间相似性。文章讨论了关键局限性及其补救措施，例如背景大气边界层风的引入和多点事件表征等问题。总体而言，所提出的框架为不同数据库、实验设施和模拟目标下下击暴流型出流的缩尺提供了一种灵活且具有通用性的工具。

章节摘要

引言与背景

毋庸置疑，下击暴流对结构的诱发效应这一主题有着丰富的文献积累，原因包括（1）近期下击暴流事件与全球范围内建筑环境大面积破坏之间的关联（例如Metwally等人，2025；Mosalam等人，2024），（2）大气边界层（ABL）风与下击暴流风在风场特征上的本质差异，以及（3）全球现行规范和标准中设计指南的匮乏（例如ASCE 49-21，2022；ASCE/SEI 7，2022），

实验数据库

美国国家科学基金会（NSF）自然灾害工程研究基础设施（NHERI）"风墙"实验设施是一种开放喷口的小型至全尺寸风测试设施，可模拟极端风事件，最大持续试验段风速可达70 m/s（157 mph），相当于五级飓风强度（Gan Chowdhury等人，2017）。该设施包含大型壁式射流下击暴流模拟器，用于创建下击暴流的出流区域，从而产生典型的鼻尖形下击暴流。

缩尺框架

鉴于当前缩尺方法的局限性，可归纳如下：（1）时间尺度定义不一致，即模拟窗口——实验生成的时程中用于缩尺程序的部分——与5分钟全尺寸时间间隔之比，与全尺寸记录和实验模拟之间所采用的时间缩放比不相等；（2）缺少频域相似性评估；以及（3）提供的指导有限。

案例研究

所提出的缩尺框架设计灵活多变，可根据研究性质调整以达到不同的风洞模拟目标。这些目标包括但不限于（1）在测试段内一组预定义的候选测量点中，对全尺寸记录进行时空表征，在这些测量点获取速度数据；以及（2）在预定义的某一点对全尺寸记录进行仅时间维度的表征。

所提出框架的局限性

通过不同模拟目标的案例研究证明了所提出框架的有效性；然而，仍存在若干局限性。这些局限性总结如下，并附有潜在的补救措施。

• ?
  背景大气边界层风。尚未评估背景大气边界层风对该框架的影响，可能需要额外考虑。该局限性可通过使用嵌入在大气边界层风中的模拟下击暴流出流来重新验证框架加以解决。

结论

本文利用了佛罗里达国际大学"风墙"实验设施（WOW EF）采集的一组实验记录。这些记录汇编后用于构建"风墙"实验数据库中先前再现的下击暴流型壁式射流出流数据。该数据库横跨测试段，设有七个垂直排列的Cobra探针位置和四个水平布置的Cobra探针位置。总共使用了505条不同的速度时程数据，涵盖了??_avg值的变化范围，这些记录。

CRediT作者贡献声明

Mohamed Eissa：撰写初稿、方法论、调查研究、形式化分析、数据管理、概念构思。Amal Elawady：验证、监督、资源支持、项目管理、方法论、资金获取、形式化分析、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本文的工作由美国国家科学基金会（NSF）资助，拨款编号为CMMI 2146277。实验项目在美国国家科学基金会NHERI"风墙"实验设施（美国国家科学基金会拨款编号No. 1520853和No. 2037899）完成。本文中所表达的观点、发现、结论或建议仅为作者本人所有，并不代表资助机构的意见。所有实验风洞测试均在NHERI"风墙"实验设施中进行。

Mohamed Eissa | Amal Elawady