低矮建筑变坡屋面在垂直攻角下的准定常气动效应

《Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics》：Quasi-steady aerodynamic effects of the vertical angle of attack on low-rise buildings with variable roof slopes

　　

对建筑表面压力预测而言，建模垂直风攻角（vertical wind angle）效应可提升准定常（quasi-steady, QS）模型的精度。研究人员提出一种新方法，将垂直风攻角的变化建模为建筑屋面坡度的等效改变，以此分析该效应。通过对比与压力系数变化相关的修正项Bv(θ)与Br(θ)，建立垂直风攻角变化与屋面坡度变化效应之间的类比关系。采用滤波速度去除不相关的小尺度湍流效应后，研究发现对于呈现强流动分离（strong flow separation）的流场区域，条件平均压力系数随垂直风攻角的变化可由模型Bv(θ)?Br(θ)刻画。

研究背景与动机

准定常（quasi-steady, QS）矢量模型是一种半经验模型（Wu and Kopp, 2019），用于依据来流风速与风向估计建筑表面压力，其假定建筑表面压力对湍流速度脉动的响应等同于平均风速与风向的稳态变化，且建筑自身诱发的压力脉动可忽略。该模型表达式为p=?ρV²(t)C_p,mean(θ,β)，其中p为瞬时法向压力，ρ为空气密度，V(t)为瞬时风速矢量模，C_p,mean(θ,β)为对应瞬时水平风攻角θ与垂直风攻角β的压力系数（Wu and Sarkar, 2006）。瞬时风速模由V²(t)=(U+u)²+v²+w²给出，θ=θ?+tan^?1(v/(U+u))，β=tan^?1(w/√((U+u)²+v²))。传统QS模型主要考虑水平风攻角θ，而垂直风攻角β对低矮建筑变坡屋面压力分布的影响在既往研究中未被充分纳入，导致强分离区压力预测存在偏差。因此，研究人员开展本研究，旨在将垂直风攻角效应引入QS框架，并通过屋面坡度等效变换实现建模。

主要技术方法

研究人员采用风洞试验获取低矮建筑变坡屋面模型在多变垂直风攻角下的表面压力数据，并对风速信号进行滤波处理以剔除不相关小尺度湍流分量，得到条件平均压力系数。核心方法包括：将垂直风攻角变化映射为等效屋面坡度变化，定义并对比压力系数修正项B_v(θ)（由垂直攻角引起）与B_r(θ)（由屋面坡度引起）；针对强流动分离流场区域，验证B_v(θ)?B_r(θ)的适用性。样本为不同屋面坡度低矮建筑刚性模型，风场来自边界层风洞模拟的大气边界层流。

研究结果

1. 1.
   Introduction
   综述QS矢量模型起源（Cook, 1990）及既有局限，明确垂直风攻角β作为独立变量在C_p,mean(θ,β)中的物理意义，指出当前模型对β响应建模的缺失。
2. 2.
   垂直攻角与屋面坡度的等效性建立
   研究人员推导B_v(θ)与B_r(θ)表达式，前者度量条件平均C_p随β偏移的变化率，后者度量随屋面坡度α偏移的变化率。通过滤波速度序列提取大尺度准定常分量，发现对于屋盖背风分离泡及檐口分离区等强流动分离区域，B_v(θ)与B_r(θ)在θ定义域内近似相等。
3. 3.
   条件平均压力系数响应
   在固定θ下扫描β，结果显示：当β偏离零攻角时，变坡屋面迎风坡C_p,mean随等效坡度改变而单调偏移；强分离区（如屋面转角吸力峰值区）的C_p,mean(θ,β)可通过以β反算等效坡度α_eq后代入原QS的C_p,mean(θ,α)表值重构，误差较忽略β的QS模型显著降低。
4. 4.
   模型校验
   利用独立风洞工况校验，B_v(θ)?B_r(θ)在|β|≤15°、屋面坡度10°–30°范围内成立，覆盖低矮建筑常见几何与来流条件。

讨论与结论翻译

讨论部分指出，将垂直风攻角转化为等效屋面坡度修正，可令传统QS模型在无需增加二维查表维度的情况下吸纳三维攻角效应，特别适用于强流动分离主导的屋面转角与背风区。该方法受限于附着流区（此处B_v与B_r非线性解耦），且依赖大尺度湍流滤波前提。

研究结论：建模垂直风攻角对低矮建筑变坡屋面压力的影响可等效为屋面有效坡度变化；通过修正项B_v(θ)?B_r(θ)可将垂直攻角效应嵌入准定常框架，在强流动分离区准确预测条件平均压力系数，从而提升QS模型对三维风攻角下建筑表面荷载的估计精度。该成果发表于《Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics》。