劉 奕，陳水福

(浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，杭州 31005)

0 引 言

風(fēng)荷載是高層建筑的主要控制荷載，而風(fēng)的湍流特性是影響風(fēng)荷載分布特性尤其是脈動(dòng)與極值特性的重要因素。探討來(lái)流湍流特性對(duì)建筑風(fēng)荷載的影響一直是學(xué)術(shù)界和工程界十分關(guān)注的課題。

湍流度和湍流積分尺度是表征風(fēng)的湍流特性的兩個(gè)主要參數(shù)，現(xiàn)有研究也主要從這兩個(gè)方面出發(fā)研究其對(duì)建筑風(fēng)荷載及周?chē)@流特性的影響。文獻(xiàn)[1-3]研究了湍流特性對(duì)二維矩形棱柱繞流的影響，其中Lee[1]發(fā)現(xiàn)湍流度增大使側(cè)風(fēng)面風(fēng)壓恢復(fù)提前、背風(fēng)面負(fù)壓（均指絕對(duì)值）減小；Laneville[2]發(fā)現(xiàn)湍流度增大使平均剪切層曲率半徑減小，從而使阻力系數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的深寬比減?。籒akamura和Ohya[3]發(fā)現(xiàn)湍流強(qiáng)度和湍流積分尺度均對(duì)背風(fēng)面負(fù)壓有較大影響。文獻(xiàn)[4-9]研究了湍流特性對(duì)二維平板鈍體周?chē)蛛x再附流的影響，其中Hillier和Cherry[4]發(fā)現(xiàn)湍流度對(duì)平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓均有很大影響，而湍流積分尺度對(duì)平均風(fēng)壓影響不大，對(duì)脈動(dòng)風(fēng)壓影響很大；Nakamura和Ozono[5]發(fā)現(xiàn)分離泡內(nèi)平均風(fēng)壓分布在湍流積分尺度比（即湍流積分尺度與模型特征尺寸之比）小于2時(shí)變化不大，而超過(guò)2時(shí)逐漸趨近均勻流下的分布；Li和Melbourne[8-9]發(fā)現(xiàn)平均風(fēng)壓在尺度比大于3.6時(shí)受湍流積分尺度影響明顯，脈動(dòng)風(fēng)壓和極值負(fù)壓隨湍流度和湍流積分尺度增大而增大，湍流積分尺度對(duì)極值負(fù)壓的影響程度隨湍流度增大而提高。顧明和葉豐[10-11]研究了不同風(fēng)場(chǎng)下不同體型高層建筑的氣動(dòng)力幅值和頻域特性，發(fā)現(xiàn)隨地面粗糙度增加，脈動(dòng)升力、阻力系數(shù)增大，升力系數(shù)譜頻帶變寬、能量減??；蘇萬(wàn)林[12]研究了湍流對(duì)高層建筑表面風(fēng)壓的影響，發(fā)現(xiàn)在湍流強(qiáng)度很大時(shí)，背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面可能出現(xiàn)小正壓；Akon和Kopp[13]通過(guò)粒子圖像測(cè)速試驗(yàn)，研究了湍流度和湍流積分尺度對(duì)低矮房屋屋頂分離再附流的影響，發(fā)現(xiàn)湍流強(qiáng)度增大會(huì)使流動(dòng)更早再附，且影響風(fēng)壓恢復(fù)速率，而湍流積分尺度對(duì)再附長(zhǎng)度影響不大?？傮w而言，目前國(guó)內(nèi)外湍流特性研究主要針對(duì)深寬比較小的矩形截面鈍體或建筑，或是深寬比無(wú)限大的二維平板，但對(duì)于介于二者之間的有限深寬比的鈍體研究較少。但是，這類鈍體隨著深寬比的變化，其表面風(fēng)壓是否會(huì)因流動(dòng)分離再附的改變而表現(xiàn)得顯著不同，其中來(lái)流湍流特性的影響程度如何，目前并不明確。

鑒于此，本文以國(guó)內(nèi)廣泛存在的具有較大深寬比范圍的板式住宅高層建筑為背景，對(duì)4種不同地貌條件下9種深寬比的矩形截面高層建筑進(jìn)行了風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)，分析了湍流度與湍流積分尺度對(duì)不同深寬比建筑平均、脈動(dòng)與極值風(fēng)壓，以及橫風(fēng)向氣動(dòng)力譜和周?chē)@流特性的影響規(guī)律。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1 風(fēng)場(chǎng)模擬

本次試驗(yàn)在加拿大西安大略大學(xué)（University of Western Ontario，UWO）邊界層風(fēng)洞Ⅱ的高速試驗(yàn)段中進(jìn)行。該試驗(yàn)段長(zhǎng)30.0 m，寬3.4 m，高2.1 m，最大風(fēng)速可達(dá)40 m/s。試驗(yàn)段前端擁有全自動(dòng)的粗糙元控制系統(tǒng)，配合入口處可選放置的格柵、尖劈和擋板等湍流產(chǎn)生裝置，可以精確模擬各種地貌下的大氣邊界層。

本次試驗(yàn)共模擬了4種地貌，其中O1、O2地貌與S1、S2地貌使用了兩種不同的粗糙元配置，分別模擬開(kāi)闊地貌（Open terrain）與郊區(qū)地貌（Suburban terrain）風(fēng)場(chǎng)；O1、S1地貌較O2、S2地貌在風(fēng)洞入口處多使用了一塊0.38 m高的擋板。根據(jù)Holmes和Osonphasop[14]，擋板的存在可以產(chǎn)生更大尺度的湍流，實(shí)現(xiàn)對(duì)湍流強(qiáng)度和湍流積分尺度的同步控制。試驗(yàn)風(fēng)速采用Cobra Probe進(jìn)行測(cè)量，采樣頻率為1 250 Hz，采樣時(shí)間30 s。來(lái)流風(fēng)場(chǎng)縮尺比為1∶200。平均風(fēng)速剖面與湍流度剖面根據(jù)工程科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)（ESDU）[15-16]建議的對(duì)數(shù)率進(jìn)行模擬，試驗(yàn)值與理論值吻合良好。表1列出了各地貌的地表粗糙長(zhǎng)度z0（對(duì)應(yīng)對(duì)數(shù)率剖面）與粗糙度指數(shù)α（對(duì)應(yīng)指數(shù)率剖面）。圖1給出了4種地貌風(fēng)剖面的比較，圖中H為建筑頂部高度，和Iuz分別為高度z處的平均風(fēng)速和湍流強(qiáng)度。由圖可見(jiàn)，由于粗糙元配置的不同，O類地貌與S類地貌的風(fēng)剖面差異較大；由于擋板的存在，S1地貌較S2地貌的湍流強(qiáng)度有小幅提高，但O1地貌與O2地貌下的湍流度相差不大。

表1 各地貌下的風(fēng)場(chǎng)參數(shù)Table 1 Parameters for the upstream flow under different terrains

圖1 平均風(fēng)速剖面與湍流度剖面Fig. 1 Mean wind velocity and turbulence intensity profiles

來(lái)流風(fēng)場(chǎng)的湍流積分尺度按ESDU 74[17]建議的經(jīng)驗(yàn)式進(jìn)行模擬。湍流積分尺度試驗(yàn)值按下式計(jì)算：

式中，Lu為湍流積分長(zhǎng)度，Lt為湍流積分時(shí)間尺度，ρuu(τ)為脈動(dòng)風(fēng)速自相關(guān)系數(shù)，τ為時(shí)差，τ0為自相關(guān)系數(shù)收斂至0時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)差。各地貌下z= 0.762H（靠近駐點(diǎn)）高度處的湍流積分長(zhǎng)度試驗(yàn)值及ESDU 74結(jié)果可見(jiàn)表1，其中O1地貌下試驗(yàn)值與ESDU值較為接近。O1、S1地貌分別較O2、S2地貌具有更大的湍流積分長(zhǎng)度，可見(jiàn)擋板的存在能使湍流積分長(zhǎng)度顯著增大，增幅在50% ～ 100%左右。

脈動(dòng)風(fēng)速譜按ESDU 74[17]建議的Von Karman譜進(jìn)行模擬。圖2給出了試驗(yàn)值與理論值的擬合情況，圖中f為頻率，Suu為脈動(dòng)風(fēng)速功率譜密度，由圖可見(jiàn)二者吻合良好。圖3給出了4種地貌風(fēng)速譜的比較，圖中曲線在豎向的相對(duì)位置代表湍流度的相對(duì)大小，在水平向的相對(duì)位置代表湍流積分尺度的相對(duì)大小。由圖可見(jiàn)，由于S類地貌的湍流度總體大于O類地貌，故S類地貌曲線整體在O類地貌上方；由于1類地貌湍流積分尺度總體大于2類地貌，1類地貌曲線整體較2類地貌略微偏左。

圖2 O1地貌下脈動(dòng)風(fēng)速譜Fig. 2 Wind velocity spectrum under O1 terrain

圖3 各地貌脈動(dòng)風(fēng)速譜Fig. 3 Wind velocity spectra under different terrains

1.2 模型及試驗(yàn)參數(shù)

本次模型為一矩形截面高層建筑剛性模型，縮尺比為1∶200。模型共由11段組成，如圖4所示，其中段1～段6的深寬比為0.5（按圖中風(fēng)向），段7～段11的深寬比為1，通過(guò)拼接組合及調(diào)整擺放角度可獲得深寬比為0.125～8的模型工況。沿模型高度方向共布置了7個(gè)測(cè)點(diǎn)層，各層高度分別為0.1H、0.3H、0.5H、0.65H、0.8H、0.9H、0.98H，各層布置方式相同。深寬比為8的工況的模型參數(shù)如表2給出，平面測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。測(cè)壓孔通過(guò)測(cè)壓管道系統(tǒng)接入至掃描閥上，掃描閥最終通過(guò)2048通道全自動(dòng)測(cè)壓掃描系統(tǒng)被接入至PC機(jī)上，關(guān)于測(cè)壓管道與掃描系統(tǒng)的詳細(xì)信息可參見(jiàn)文獻(xiàn)[18]。本次試驗(yàn)對(duì)深寬比為1/8、1/5、1/3、1/2、1、2、3、5、8的共計(jì)9種深寬比工況進(jìn)行了4種不同地貌下的同步風(fēng)壓測(cè)試，風(fēng)洞試驗(yàn)照片如圖5所示。試驗(yàn)風(fēng)壓采樣頻率為400 Hz，采樣時(shí)長(zhǎng)為90 s，相當(dāng)于足尺1H以上。風(fēng)洞內(nèi)邊界層高度以上的參考風(fēng)速為14.0 m/s。對(duì)于每個(gè)深寬比工況，進(jìn)行了不同風(fēng)向的測(cè)試，本文僅針對(duì)正交風(fēng)向情況進(jìn)行研究。

圖4 模型平面測(cè)壓點(diǎn)布置Fig. 4 Plan layout of pressure taps on the testing model

表2 D /B = 8工況模型參數(shù)Table 2 Model parameters for the configuration of D /B = 8

圖5 模型及風(fēng)洞試驗(yàn)照片F(xiàn)ig. 5 Photos of the models in the wind tunnel

1.3 數(shù)據(jù)處理

風(fēng)壓系數(shù)按風(fēng)工程界慣例，采用建筑頂部高度H作為歸一化高度，定義如下：

式中，pi為測(cè)點(diǎn)i的風(fēng)壓值，p∞為靜壓值，ρ為空氣密度。

為考察建筑某一表面的整體風(fēng)壓系數(shù)CpA或風(fēng)荷載合力系數(shù)CF的大小，將其定義如下：

式中：Cpi為測(cè)點(diǎn)i的風(fēng)壓系數(shù)，Ai為測(cè)點(diǎn)i的控制面積，A為進(jìn)行計(jì)算的建筑表面的面積。由上式可見(jiàn)，整體風(fēng)壓系數(shù)即為測(cè)壓點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)在整個(gè)表面上的面積加權(quán)平均值。

極值分析方法對(duì)極值估計(jì)結(jié)果有很大影響。本文采用Gumbel擬合法進(jìn)行極值估計(jì)，其中Gumbel分布參數(shù)應(yīng)用Lieblein BLUE法確定，由文獻(xiàn)[19]可知，該方法具有較高的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。關(guān)于該方法的細(xì)節(jié)可參見(jiàn)文獻(xiàn)[20-22]。

2 平均風(fēng)荷載

2.1 迎風(fēng)面

圖6給出了各地貌下建筑迎風(fēng)面整體風(fēng)壓系數(shù)的平均值隨深寬比的變化情況。為降低不同地貌風(fēng)速剖面的差別產(chǎn)生的影響，該值由以測(cè)壓點(diǎn)高度作為歸一化高度的局部風(fēng)壓系數(shù)計(jì)算獲得，以CpLA表示。由圖可見(jiàn)，各深寬比工況迎風(fēng)面上的整體風(fēng)壓系數(shù)差別較小，這是由于對(duì)于除邊緣附近的迎風(fēng)面區(qū)域，氣動(dòng)力受建筑本身引起的非定常流的作用很小，基本僅受來(lái)流的湍流特性影響。1類地貌下整體風(fēng)壓系數(shù)的平均值較2類地貌要大，可見(jiàn)迎風(fēng)面上平均風(fēng)壓系數(shù)與湍流積分尺度呈正相關(guān)。湍流度對(duì)迎風(fēng)面上平均風(fēng)壓系數(shù)的影響規(guī)律不明確。

圖6 迎風(fēng)面整體風(fēng)壓系數(shù)平均值隨深寬比的變化情況Fig. 6 Variation of the mean area-averaged pressure coefficients with the depth-to-width ratio on the windward surface

2.2 側(cè)風(fēng)面

Ruderich和Fernholz[23]通過(guò)對(duì)二維鈍體分離再附流下的平均風(fēng)壓分布的研究，發(fā)現(xiàn)在均勻來(lái)流下，無(wú)論鈍體體型及雷諾數(shù)是否改變，在距鈍體前緣的流向距離d被平均再附長(zhǎng)度Xr歸一化時(shí)，分離再附流下的約化風(fēng)壓系數(shù)沿 流向的分布具有相同的分布曲線。其中約化風(fēng)壓系數(shù)如下式定義：

上述研究基于的流場(chǎng)為均勻來(lái)流，即低湍流度來(lái)流。Akon和Kopp[14]基于低矮建筑頂部繞流的粒子圖像測(cè)速（PIV）試驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)有文獻(xiàn)中針對(duì)二維矩形棱柱側(cè)邊繞流結(jié)果，給出了平均再附點(diǎn)處值 隨湍流度變化的線性擬合公式：

通過(guò)上式即可根據(jù)來(lái)流某高度處的的湍流度獲得平均再附點(diǎn)處的約化風(fēng)壓系數(shù)值 ，再結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)并根據(jù)式(4)獲得平均再附點(diǎn)處的平均風(fēng)壓系數(shù)值，進(jìn)而獲得平均再附長(zhǎng)度。盡管鈍體體型可能對(duì)周?chē)@流產(chǎn)生一定影響，但鑒于分離再附流及其下風(fēng)壓分布特性的相似性，本文在估算高層建筑側(cè)邊繞流的平均再附長(zhǎng)度時(shí)采用文獻(xiàn)[14]給出的方法是合理的。

圖7給出了D/B= 5、2、1的建筑在各地貌下側(cè)風(fēng)面上的平均風(fēng)壓系數(shù)分布，這三個(gè)工況分別對(duì)應(yīng)再附、部分再附與近乎完全分離3種不同的繞流特性，由圖可以非常直觀地看到地貌對(duì)側(cè)風(fēng)面風(fēng)壓分布的影響。為了更準(zhǔn)確地進(jìn)行考察，圖8同時(shí)給出了平均和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)沿水平方向的分布曲線。此外，表3對(duì)平均流動(dòng)再附的情況給出了按Akon和Kopp[14]方法估算的平均再附長(zhǎng)度。

圖7 側(cè)風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)分布Fig. 7 Mean pressure coefficient distributions on the side surface

圖8 側(cè)風(fēng)面z/H = 0.65處平均與脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布Fig. 8 Mean and fluctuating pressure coefficient distributions at z/H = 0.65 on the side surface

表3 側(cè)風(fēng)面z/H = 0.65處平均再附長(zhǎng)度Table 3 Mean reattachment lengths at z/H = 0.65 on the side surface

對(duì)于D/B= 5和D/B= 2的建筑，即平均流動(dòng)再附和部分再附（O1地貌下）的情況，S類地貌較O類地貌下分離泡內(nèi)負(fù)壓更?。ň附^對(duì)值），風(fēng)壓恢復(fù)更為提前。由表3可見(jiàn)，對(duì)D/B= 5的情況建筑，S1地貌下平均再附點(diǎn)出現(xiàn)位置較O1地貌下提前約30%。對(duì)于D/B= 2的建筑，隨著湍流度的增大，平均流動(dòng)狀態(tài)已從O1地貌下的未再附，轉(zhuǎn)變?yōu)镾1地貌下的再附。值得注意的是，在平均再附點(diǎn)處，風(fēng)壓尚未完全恢復(fù)。這些規(guī)律與諸多針對(duì)二維平板鈍體的研究（如文獻(xiàn)[4]）結(jié)果相似，但本文明確給出了三維棱柱尤其是側(cè)邊繞流部分再附情況的風(fēng)壓分布。對(duì)于D/B= 1的建筑，即平均流動(dòng)近乎完全分離的情況，與上述兩種情況相似，S類地貌下分離流下負(fù)壓更?。籓類地貌下整個(gè)側(cè)風(fēng)面上均呈現(xiàn)較大負(fù)壓，而S類地貌下在靠近尾緣處已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)風(fēng)壓恢復(fù)的趨勢(shì)。由以上可見(jiàn)，湍流度增大使分離流下平均負(fù)壓減小、風(fēng)壓恢復(fù)提前、平均再附長(zhǎng)度減小。另外，對(duì)于深寬比介于1到2的情況，即平均流動(dòng)近乎完全分離及部分再附的情況，湍流度對(duì)平均風(fēng)壓分布影響較大。

對(duì)于脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)，由圖8可見(jiàn)，對(duì)于D/B= 5和D/B= 2的建筑，在分離泡內(nèi)，S類地貌下的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)較O類地貌明顯要大，且曲線峰值出現(xiàn)位置較O類地貌明顯靠前。許多針對(duì)均勻流下二維棱柱周?chē)@流的研究表明，最大脈動(dòng)風(fēng)壓出現(xiàn)于Kelvin-Helmholtz渦卷起、配對(duì)并分解成湍流之后，一般該位置剛好出現(xiàn)在平均再附點(diǎn)前[4,24]。而由圖8可見(jiàn)，O1地貌下最大脈動(dòng)風(fēng)壓出現(xiàn)在0.59Xr處，顯著提前于平均再附點(diǎn)，S1地貌下則更為提前，出現(xiàn)在0.44Xr處，該規(guī)律與文獻(xiàn)[4，24]發(fā)現(xiàn)相似。此外，在風(fēng)壓恢復(fù)過(guò)程中，對(duì)于平均流動(dòng)再附情況，S類地貌的平均風(fēng)壓系數(shù)仍較O類地貌偏小，但二者之間的差距明顯減小，兩類地貌下脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)的差距也明顯減小，分布曲線幾乎趨于一致。對(duì)于平均流動(dòng)部分再附情況，兩類地貌下脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)在建筑尾緣處均略微增大，O類地貌增幅較S類地貌略微偏大。對(duì)于D/B= 1的建筑，流動(dòng)近乎完全分離，即整個(gè)側(cè)風(fēng)面均處于分離泡下，故S類地貌下整個(gè)側(cè)風(fēng)面上的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)均較O類地貌要大。由以上可見(jiàn)，湍流度增大會(huì)使分離再附流下脈動(dòng)風(fēng)壓增大，脈動(dòng)風(fēng)壓峰值出現(xiàn)位置更靠近前緣。

相較湍流度的影響，湍流積分尺度對(duì)平均風(fēng)壓分布的影響較小，但仍對(duì)平均繞流有一定的效應(yīng)?？傮w上2類地貌較1類地貌平均負(fù)壓略微偏小。在靠近前緣處，約0.33Xr（O1地貌）內(nèi)，2類地貌則明顯較1類地貌要小。對(duì)于平均流動(dòng)再附或部分再附的情況，在風(fēng)壓恢復(fù)過(guò)程中，二者之間差距明顯減??；對(duì)于流動(dòng)近乎完全分離的情況，在整個(gè)側(cè)風(fēng)面上，1類地貌下的平均負(fù)壓均較2類地貌要大。對(duì)于D/B= 5情況風(fēng)壓恢復(fù)過(guò)程及恢復(fù)后的平均風(fēng)壓系數(shù)，S2地貌較S1地貌偏大可能是由于S2地貌下的湍流度較小導(dǎo)致的。由以上分析可知，湍流積分尺度減小使總體平均負(fù)壓減小、靠近前緣區(qū)域平均負(fù)壓明顯減小。

同時(shí)，由圖8可見(jiàn)，O2、S2地貌下的脈動(dòng)風(fēng)壓分布曲線形狀分別與O1、S1地貌相似，但前者脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)值總體上均分別小于后者，說(shuō)明湍流積分尺度減小會(huì)使總體脈動(dòng)風(fēng)壓減小，但對(duì)脈動(dòng)風(fēng)壓分布曲線形狀影響不大。

由圖3可見(jiàn)，在湍流度相同的情況下，湍流積分尺度較小的風(fēng)場(chǎng)的脈動(dòng)風(fēng)速譜，通常在高頻區(qū)具有更多的能量分布，即含有較少的大尺度湍流成分、而含有更多的小尺度湍流成分。這些分析表明，大尺度湍流使分離流下平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓值增大，而小尺度湍流促使分離流更早再附，且使分離流下的平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓值減小、峰值出現(xiàn)位置更靠近前緣。

需要說(shuō)明的是，上述分析大多基于側(cè)風(fēng)面z/H=0.65高度處，在該高度處建筑側(cè)風(fēng)面繞流狀態(tài)較為接近二維鈍體。而由圖7可見(jiàn)，建筑側(cè)風(fēng)面風(fēng)壓分布沿高度方向變化明顯，呈現(xiàn)明顯的三維效應(yīng)。各地貌下側(cè)風(fēng)面最大平均負(fù)壓均出現(xiàn)在建筑前緣頂角處。

2.3 背風(fēng)面

背風(fēng)面上平均風(fēng)壓分布較為非常均勻，故本節(jié)僅給出了各地貌下背風(fēng)面整體風(fēng)壓系數(shù)隨深寬比的變化情況，如圖9所示。由圖可見(jiàn)，背風(fēng)面上的整體風(fēng)壓基本均在深寬比為0.5至1時(shí)達(dá)到最不利。S類地貌下背風(fēng)面上的平均風(fēng)壓系數(shù)均小于O類地貌，對(duì)于平均流動(dòng)再附的情況及在深寬比非常小時(shí)，兩類地貌下的差距較小。但對(duì)于流動(dòng)近乎完全分離及部分再附的情況該規(guī)律非常明顯，該深寬比范圍內(nèi)的建筑的湍流度效應(yīng)較大。1類與2類地貌下的平均風(fēng)壓系數(shù)差距較小，通常1類地貌略微大于2類地貌。由此可見(jiàn)，背風(fēng)面上的負(fù)壓大小與湍流度通常呈負(fù)相關(guān)，而與湍流積分尺度呈正相關(guān)。

圖9 背風(fēng)面整體風(fēng)壓系數(shù)平均值隨深寬比的變化情況Fig. 9 Variation of the mean area-averaged pressure coefficients with the depth-to-width ratio on the leeward surface

3 極值風(fēng)荷載

3.1 迎風(fēng)面

迎風(fēng)面上，各深寬比建筑迎風(fēng)面上的極值風(fēng)壓分布非常相似，故圖10僅給出D/B= 1工況迎風(fēng)面豎直中心線處極大值風(fēng)壓系數(shù)分布。由圖可見(jiàn)，1類地貌、S類地貌極值風(fēng)壓系數(shù)分別較2類地貌、O類地貌要大?？梢?jiàn)，迎風(fēng)面上的極值正風(fēng)壓系數(shù)是由湍流度和湍流積分尺度綜合決定的，其中極值風(fēng)壓系數(shù)與湍流積分尺度明顯呈正相關(guān)關(guān)系。

圖10 D/B = 1工況迎風(fēng)面豎直中心線處極大值風(fēng)壓系數(shù)分布Fig. 10 Maximum pressure coefficient distributions along the windward vertical centerline for D/B = 1

3.2 背風(fēng)面

背風(fēng)面上的極值風(fēng)壓分布較為均勻，湍流特性對(duì)極值風(fēng)壓的影響規(guī)律也較為簡(jiǎn)單。由圖11給出的豎直中心線上的極小值風(fēng)壓系數(shù)分布曲線容易看到，1類地貌下的極值負(fù)壓普遍較2類地貌要大；但S類地貌與O類地貌下的差別未呈現(xiàn)明顯的規(guī)律。這可能是由于S類地貌來(lái)流湍流脈動(dòng)較大、但因分離流更早在側(cè)邊再附而使尾流有所減弱這兩種因素相互作用導(dǎo)致的。

圖11 背風(fēng)面豎直中心線上的極小值風(fēng)壓系數(shù)分布Fig. 11 Minimum pressure coefficient distributions along the leeward vertical centerline

3.3 側(cè)風(fēng)面

圖12 側(cè)風(fēng)面z/H = 0.65處極小值風(fēng)壓系數(shù)分布Fig. 12 Minimum pressure coefficient distributions at z/H = 0.65 on the side surface

圖12給出了側(cè)風(fēng)面z/H= 0.65處的極小值風(fēng)壓系數(shù)分布曲線。由圖可見(jiàn)，對(duì)于D/B= 5和D/B= 2的建筑，S1類地貌分離泡內(nèi)的極值負(fù)壓較O類地貌明顯要大，尤其是在靠近前緣位置處，這與湍流度對(duì)平均風(fēng)壓分布的影響規(guī)律相反。但相似的是，S類地貌下最大極值負(fù)壓出現(xiàn)的位置較O類地貌更為提前，但最大極值負(fù)壓一般均出現(xiàn)在0.2Xr～0.3Xr處，這與文獻(xiàn)[6]的結(jié)果基本相符。對(duì)于平均流動(dòng)完全再附的情況，極值負(fù)壓在達(dá)到最大值后一般隨到前緣距離的增大而減??；但對(duì)于平均流動(dòng)部分再附或近乎完全分離情況，極值負(fù)壓則在尾緣突然顯著增大，不同地貌對(duì)尾緣處較大負(fù)壓值的影響規(guī)律不明顯。由此可見(jiàn)，湍流度與分離再附流下的極值負(fù)壓呈正相關(guān)關(guān)系。

湍流積分尺度對(duì)側(cè)風(fēng)面極值風(fēng)壓分布也有一定影響。由圖12可見(jiàn)，1類地貌下極值風(fēng)壓系數(shù)總體上較2類地貌下要大，說(shuō)明湍流積分尺度減小會(huì)使總體極值負(fù)壓減小。對(duì)于湍流積分尺度對(duì)分離再附流下的最大極值負(fù)壓的影響，考慮到湍流積分尺度較大的風(fēng)場(chǎng)通常在低頻區(qū)具有更多的能量分布，即含有較多的大尺度湍流成分，可以發(fā)現(xiàn)更大尺度的湍流可能是產(chǎn)生更大的極值負(fù)壓峰值的原因。故本文也部分驗(yàn)證了文獻(xiàn)[6]中提到的“最大極值負(fù)壓由分離剪切流在鈍體表面附近卷起而形成的較大旋渦引起”。

圖13 橫風(fēng)向氣動(dòng)力譜Fig. 13 Cross-wind aerodynamic force spectra

4 橫風(fēng)向氣動(dòng)力譜

圖13給出了深寬比D/B= 0.33、1、2和5的建筑在4種地貌下的橫風(fēng)向氣動(dòng)力譜的比較。對(duì)于D/B=1工況，盡管S類地貌來(lái)流脈動(dòng)風(fēng)速譜較O類地貌要高，但對(duì)于氣動(dòng)力譜，O類地貌下譜峰所含能量較S類地貌要大，這可能是由于S類地貌湍流度更大、分離流已開(kāi)始部分再附于建筑側(cè)面導(dǎo)致的。相比之下，D/B= 0.33工況的建筑尾體較短，氣流在各地貌下均完全分離并脫落于尾流中，S類地貌下氣動(dòng)力譜則整體高于O類地貌。對(duì)于D/B= 2工況，各地貌下分離流均開(kāi)始再附，橫風(fēng)向氣動(dòng)力譜則呈現(xiàn)更寬的譜峰。對(duì)于D/B= 5工況，各地貌下分離流均近乎完全再附，譜在高頻區(qū)的峰消失?？傮w而言，湍流度對(duì)深寬比介于1到2的建筑、即流動(dòng)近乎完全分離及部分再附的情況影響較大。

圖14給出了4種地貌下建筑斯托羅哈數(shù)St隨深寬比的變化曲線及與文獻(xiàn)結(jié)果的比較。文獻(xiàn)[25]數(shù)據(jù)較本文數(shù)據(jù)明顯要小，且其給出了深寬比直至4的斯托羅哈數(shù)結(jié)果，而本文對(duì)于深寬比大于2的工況（S類地貌下則對(duì)于深寬比大于1的工況）的斯托羅哈數(shù)因譜峰過(guò)寬已很難由譜峰位置確定出來(lái)。但是對(duì)于深寬比為1的工況，本文數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[26]非常接近。由圖14可見(jiàn)，整體上各地貌下的St相差不大。

圖14 斯托羅哈數(shù)St隨深寬比變化情況Fig. 14 Strouhal number variation with the depth-to-width ratio

5 結(jié) 論

本文對(duì)4種不同風(fēng)場(chǎng)下9種深寬比的矩形截面高層建筑各立面的平均、脈動(dòng)、極值風(fēng)壓與橫風(fēng)向氣動(dòng)力譜進(jìn)行了考察，獲得了如下結(jié)論：

1）隨湍流度增大，分離流更早再附于側(cè)風(fēng)面上，其中郊區(qū)地貌下較開(kāi)闊地貌再附提前約30%。湍流度增大使分離流下平均負(fù)壓（均指絕對(duì)值）減小、極值負(fù)壓增大，最不利脈動(dòng)風(fēng)壓與極值負(fù)壓出現(xiàn)位置較再附點(diǎn)更為提前。隨湍流度增大，背風(fēng)面上平均負(fù)壓減小，但極值負(fù)壓變化不明顯。對(duì)于方形建筑，旋渦脫落頻率處的橫風(fēng)向氣動(dòng)力譜能量隨湍流度增大有所降低。

2）隨湍流積分尺度減小，迎風(fēng)面上、背風(fēng)面的平均風(fēng)壓與極值風(fēng)壓絕對(duì)值均減小，側(cè)風(fēng)面分離流下平均負(fù)壓、脈動(dòng)風(fēng)壓與極值負(fù)壓均減小。湍流積分尺度對(duì)分離再附流形態(tài)及分離流下的風(fēng)壓分布形狀影響不大。

3）不同深寬比建筑分離再附流下的平均、脈動(dòng)與極值風(fēng)壓分布形狀相似，但背風(fēng)面平均風(fēng)壓值以及橫風(fēng)向氣動(dòng)力譜形狀差別較大?？傮w而言，湍流特性對(duì)深寬比介于1到2的建筑，也即流動(dòng)近乎完全分離及部分再附的情況影響較大。

4）大尺度湍流使分離流下平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓值增大，而小尺度湍流促使分離流更早再附，且使分離流下的平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓值減小，峰值出現(xiàn)位置更靠近前緣。更大尺度的湍流可能是產(chǎn)生更大極值負(fù)壓峰值的原因。