多孔女儿墙对低层建筑流场结构和屋顶风压的影响

《Journal of Fluids and Structures》：Flow structures and rooftop wind pressures altered by porous parapets over a low-rise building

　　

# 摘要

严重风暴日益频发，在美国各地造成重大人员伤亡和经济损失。灾后调查显示，非工程化低层建筑尤其脆弱，损坏通常起始于上风角和屋顶边缘——此处气流分离和涡旋生成会产生峰值吸力。为寻找有效的防风缓解策略，本研究评估了三种多孔女儿墙构型：一种受自然启发的分形设计，以及两种孔隙率为40%的均匀女儿墙。在佛罗里达国际大学（FIU）"风墙"（WOW）设施中，使用1:6比例的德克萨斯理工大学（TTU）风工程研究野外实验室（WERFL）建筑模型进行了大规模风洞实验，测量表面压力和流动结构。与常规风洞测试相比，这些实验实现了高雷诺数来流（基于屋顶高度H及对应风速，ReH = 0.46 × 10?和0.92 × 10?），接近全尺寸条件。值得注意的是，分形女儿墙和支柱厚度为t?的多孔女儿墙分别在30°、45°和60°风向时将局部峰值压力系数Cp,peak降低了89%、89%和86%。虽然三种设计在0°–90°范围内均有效，但分形和t?多孔女儿墙在角向风条件下产生的峰值吸力降低幅度最大。通过体积粒子图像测速（PIV）测量的流动结构表明，多孔女儿墙产生射流-尾流相互作用，促进强剪切层的形成，阻止锥形涡旋的形成（如裸屋顶上那样），从而降低表面峰值吸力。所产生的小尺度、均匀涡旋结构将较低压力向屋顶内部转移。本研究支持开发稳健的防风装置，以提高低层建筑在极端风事件中的韧性。

# 引言

每年，美国遭受大量破坏性风暴袭击，造成重大生命损失，并带来数十亿美元的重建和恢复费用。2017年，美国经历了18起天气和气候灾害事件，包括哈维、伊尔玛和玛利亚飓风，造成超过3000亿美元的经济损失。据报道，这些自然灾害造成的保险损失的80%单独归因于风暴（Tamura, 2012）。大部分损坏和随之产生的飙升费用是由民用结构造成的。在所有民用结构中，低层建筑在强风作用下最为脆弱（Simui和Miyata, 2006；Tieleman, 2003）。考虑到不断变化的气候条件、人口增长以及上升的建设和维修成本，强风事件数量及其造成的损失在不久的将来可能会继续增加。回顾国家海洋和大气管理局（NOAA）"十亿美元级天气和气候灾害"网页上报告的年度自然灾害频率时，这一趋势显而易见。灾后调查显示，低层建筑的损坏通常起始于上风角和屋顶边缘。已公认的最重要的空气动力学机制是尖角边缘上的气流分离以及角向风下的锥形涡旋形成（图1(a)）。对于典型的45°斜风，锥形涡旋在屋顶上风边缘形成，根据全尺寸德克萨斯理工大学（TTU）风工程研究野外实验室（WERFL）建筑试验（Banks等, 2000；Wu等, 2001），在屋顶上风角产生极低峰值压力系数（Cp,peak < ?20）。这些组织良好的涡旋在屋顶上风角和边缘处引发强烈的吸力，这些区域最容易失效（图1(b)）。在这些锥形涡旋作用下，屋顶角部面板的失效往往会引发建筑围护结构的连锁失效。鉴于风暴频率和强度预计增加，开发有效的策略以减轻风致损伤变得愈发关键。

研究工作已探索了多种缓解策略以减少屋顶气动升力。这些策略包括修改屋顶边缘几何形状和安装流量控制装置，如实心或多孔女儿墙和扰流板。表1中总结的风洞实验和经过验证的计算流体力学（CFD）研究表明，这些技术可以改变流动结构并有效降低屋顶吸力。

已知尖锐屋顶边缘会在正常风向条件下引发气流分离，导致分离流区域产生严重的风载荷。为缓解这一效应，研究人员已调查了多种改良的屋顶边缘设计。Robertson（1991）报告称，在正常风条件下，全尺寸弧形边缘低层建筑沿建筑中跨的平均压力系数降低了40%。然而，这一修改也导致屋脊刚外侧的风载荷增加了30%。对于角向或斜风，Surry和Lin（1995）发现圆角边缘型线在上风角的平均和峰值压力系数方面均实现了约60%的降低。Blessing等（2009）进一步考察了若干空气动力学边缘形状，包括一种成功抑制三角涡旋形成及相关峰值负压的圆角装置，从而防止砾石冲刷。最有效的配置是沿屋顶边缘安装的多孔L形板，使点压力降低74%，估算峰值吸力的面积平均降低50%。

女儿墙因其在建筑中的普遍性及其抑制涡旋的能力而长期受到研究。文献认识到，女儿墙适用于灾害频发区域现有建筑的改造和新建筑的建设（Al-Chalabi和Elshaer, 2023；Suaris和Irwin, 2010）。多孔女儿墙的性能由相对于建筑高度的高度、孔隙率、几何图案和长度（周长或角部或屋脊特定）的综合效应决定。女儿墙高度h是最关键的参数；早期研究表明，超过约1.0 m的高度可以显著抑制角部吸力，特别是在96 m以上的高层建筑上，而低于0.5–0.75 m的高度可能通过增强分离剪切层而加剧峰值载荷（Baskaran和Stathopoulos, 1988；Stathopoulos等, 2002b）。女儿墙高度比的范围可以从很短（h/H < 0.02）到相对较高（h/H > 0.31）（Ahsanullah和Kaye, 2025；Azzi等, 2020；Banks等, 2001；Carter和Smith, 2009；Kind, 1988；Kopp等, 2005a；Pindado和Meseguer, 2003；Surry和Lin, 1995）。此外，孔隙率是影响涡旋衰减的另一主导因素。实验和数值研究一致表明，中等孔隙率（30–50%）产生最有效的压力降低（Kopp等, 2005a；Teixeira和De Campos, 2022）。总体而言，参数化女儿墙在缓解角部压力系数方面比单侧或孤立配置更有效。Teixeira和De Campos（2022）近期的一项系统综述总结了数十年的研究结果，确认多孔女儿墙和悬臂设计在缓解屋顶吸力方面始终优于实心女儿墙。根据具体的女儿墙参数，与裸屋顶情况相比，峰值吸力降低范围从30%到70%不等。

虽然女儿墙对屋顶压力、吸力降低和锥形涡旋的影响已有详细记录（Kawai, 1997；Marwood, 1996），但多孔女儿墙产生的流动结构仍未得到充分探索。最近的研究主要使用风洞测试和CFD分析实心墙或广告牌型女儿墙上的屋顶气流，特别是在城市空中交通和户外环境应用背景下（Lin等, 2025；Yang等, 2025）。此外，定性砾石追踪可视化技术已展示了各种女儿墙配置的缓解效果（Blessing, 2007）。然而，对多孔女儿墙如何改变周围流场的详细理解仍然缺乏，这对于屋顶压力重新分布至关重要。本研究通过研究压力系数分布、修改后的涡旋结构和屋顶上的流动模式来解决这一空白。

此外，大多数先前的研究使用了小比例建筑模型（1:100–1:200）和小女儿墙，使其结果容易受到已知尺度效应的影响。佛罗里达国际大学（FIU）"风墙"（WOW）团队使用五个WERFL建筑模型（1:100至1:6，无女儿墙）研究尺度效应，覆盖的雷诺数范围为3.65 × 10?至2.43 × 10?（Moravej等, 2024）。他们的研究发现，1:6模型的尺度偏差最小，峰值压力系数与全尺寸（FS）实地测量结果紧密吻合。事实上，Banks等（2001）建议使用大规模测试来评估缓解装置，因为这类装置相对于建筑尺寸非常小。这些发现共同支持使用大规模风洞实验来评估多孔女儿墙在高雷诺数条件下的性能。

本研究旨在评估三种多孔女儿墙在近全尺寸雷诺数来流条件下降低低层建筑屋顶吸力的性能。在FIU WOW设施中进行大规模风洞测试，针对四种情况：一种受自然启发的十字网格分形女儿墙（见第2.2.2节）、两种支柱厚度均匀的多孔女儿墙，以及裸屋顶基准情况，使用1:6比例的TTU WERFL建筑。分析屋顶压力统计以研究每种女儿墙相对于基准情况降低吸力的有效性及其对风向的依赖性。本研究通过三个主要贡献与先前的多孔女儿墙研究区分开来：(1) 使用装有女儿墙的1:6比例TTU WERFL建筑模型实现接近全尺寸条件的高雷诺数，从而最小化尺度效应；(2) 评估一种受自然启发的多尺度分形女儿墙几何形状，作为传统设计的进步；(3) 详细测量流动结构以阐明这些多孔构型抑制锥形涡旋形成的物理机制。本研究推进了高性能被动气动装置的开发以控制屋顶流动结构，最终目标是减轻极端风事件中低层建筑的风致损伤。

## 模拟边界层来流特性

使用FIU的NHERI 12风扇WOW EF设施模拟开阔地形上的大气边界层（ABL）来流。WOW EF可以在6.10 m（宽）× 4.27 m（高）的大型试验段中产生最高达71.5 m/s（160 mph）的ABL风。湍流由试验段上游的尖塔和三角形粗糙度元素的组合产生（Chen等, 2025；Gan Chowdhury等, 2017；Moravej等, 2024）。测试了两个参考风速。

## 屋顶压力系数与先前研究的比较

在分析女儿墙对屋顶压力系数的影响之前，将裸屋顶的平均压力系数（C?p）与现有文献进行比较。使用通过公开NIST空气动力学数据库（NIST, 2017）可获取的加拿大滑铁卢大学（UWO）风洞中1:100低层建筑模型（测试5，ox2）的屋顶压力数据进行比较和验证。UWO数据库存档了在大量测压孔上的压力系数时间序列。

## 结论

本研究调查了受自然启发的分形女儿墙和两种多孔女儿墙在佛罗里达国际大学"风墙"（WOW）实验设施中近全尺寸雷诺数（ReH = 0.46 × 10?和0.92 × 10?）下降低1:6比例TTU建筑屋顶吸力的性能。大规模风洞测试研究了四种测试情况的屋顶压力和涡旋流动结构：裸屋顶（无女儿墙）、分形女儿墙，以及支柱厚度为t?和t?的两种多孔女儿墙配置。

## CRediT作者贡献声明

Erick Shelley：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，验证，方法论，调查，正式分析。

Wei Zhang：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，验证，监督，资源，方法论，调查，资金获取，正式分析，数据管理，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，这些可能影响本论文所报告工作的内容。

Erick Shelley | Wei Zhang