張洪福，劉婷婷，周蕾

(1. 東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱，150040；2. 香港科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，中國(guó) 香港，999077)

風(fēng)災(zāi)一直是自然界最常見的災(zāi)害之一，極端風(fēng)天氣每年都會(huì)給經(jīng)濟(jì)造成巨大的破壞。其中，對(duì)住宅、商業(yè)和工業(yè)結(jié)構(gòu)等大跨建筑的破壞造成的損失占風(fēng)災(zāi)總損失的較大部分[1]。研究大跨建筑的抗風(fēng)是十分必要的。然而對(duì)于大跨建筑來說，屋蓋是建筑發(fā)生破壞的起始部位，風(fēng)敏感性較強(qiáng)，總是受到很強(qiáng)的風(fēng)吸力。

由于屋蓋邊緣的幾何突變，流動(dòng)分離總是發(fā)生在屋頂前緣附近，并伴隨著各種流動(dòng)結(jié)構(gòu)的形成，其中最著名的是柱狀渦和錐狀渦[2]。這兩種流動(dòng)結(jié)構(gòu)在高風(fēng)速下會(huì)導(dǎo)致屋蓋上的強(qiáng)風(fēng)吸力，使得屋蓋遭受破壞[3-5]，且相對(duì)柱狀渦而言，錐狀渦的作用形態(tài)更為復(fù)雜，破壞性更強(qiáng)[6]。一方面，屋蓋破壞形式主要是負(fù)風(fēng)壓吸力導(dǎo)致的掀翻破壞，進(jìn)而使得建筑的整體結(jié)構(gòu)損壞，所以，降低相應(yīng)部位的極值負(fù)風(fēng)壓是提高大跨屋蓋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)能力的關(guān)鍵。另一方面，風(fēng)向角對(duì)風(fēng)荷載的影響較大，在不同風(fēng)向角下，屋蓋的分離氣泡和錐形旋渦的作用特性不同[7-8]，屋蓋常在最不利風(fēng)向角下遭受破壞。

氣動(dòng)措施是控制流動(dòng)分離和漩渦脫落的有效方法。氣動(dòng)控制分為主動(dòng)氣動(dòng)控制和被動(dòng)氣動(dòng)控制兩種。主動(dòng)氣動(dòng)控制是借助外界輔助能量，在建筑物附近局部流場(chǎng)中施加適當(dāng)?shù)臄_動(dòng)形式來控制邊界層流動(dòng)，進(jìn)而改善建筑物全局流場(chǎng)。馬冬[9]通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬將等離子體流動(dòng)控制應(yīng)用于低矮房屋上，發(fā)現(xiàn)等離子體射流能對(duì)屋面的平均風(fēng)壓系數(shù)產(chǎn)生明顯的影響。被動(dòng)氣動(dòng)控制往往是通過改變建筑結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)外形來實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)控制的目的，過程中不需要任何輔助能量的輸入。例如，在屋蓋處添加擾流板，多孔護(hù)欄及修建特殊形狀的女兒墻等被動(dòng)控制方式改變屋蓋風(fēng)場(chǎng)。被動(dòng)控制技術(shù)較主動(dòng)控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需添加額外的能量消耗裝置，節(jié)省能源。KOPP等[10]研究了在屋頂安裝各種護(hù)欄來減少角部面積平均荷載方面的效果。其中，擾流板和多孔連續(xù)護(hù)欄表現(xiàn)最好，在屋頂拐角處的峰值壓力系數(shù)分別減少了44%和56%。BANKS[11]在風(fēng)洞中對(duì)模型采用了幾種改造緩解技術(shù)，包括在屋頂安裝擾流板、多孔網(wǎng)狀護(hù)欄、圓孔多孔護(hù)欄、板柵多孔護(hù)欄、和實(shí)心護(hù)欄等，發(fā)現(xiàn)這些裝置通過抑制氣流分離，可以減緩屋頂上的旋渦作用，其中擾流板產(chǎn)生的效果較好。由此可見，相較于傳統(tǒng)的被動(dòng)裝置，擾流板的減壓效果更好，且安裝簡(jiǎn)便，是優(yōu)先選擇的被動(dòng)裝置。周顯鵬[12]通過采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)及CFD 數(shù)值模擬的方法研究了擾流板高度和寬度對(duì)典型低矮建筑雙坡屋面風(fēng)壓的影響。甘石等[13]利用風(fēng)洞試驗(yàn)研究了擾流板寬度，高度和角度對(duì)雙坡房屋屋面風(fēng)壓的影響，發(fā)現(xiàn)擾流板能有效地降低屋面的平均風(fēng)壓和峰值負(fù)壓。WU[14]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)試驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了擾流板對(duì)與平坡屋頂房屋的影響。然而，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)擾流板的研究多以改進(jìn)傳統(tǒng)的建筑構(gòu)件為主，難免造成材料的浪費(fèi)。考慮到部分節(jié)能型建筑的平屋頂上安裝光伏板等集能裝置，在屋蓋上安裝傳統(tǒng)的擾流板對(duì)太陽能的收集有很大影響，需要開發(fā)一種實(shí)用的新型擾流裝置來滿足現(xiàn)代住房的需求。

旋渦發(fā)生器(PVG)是一種高效的邊界層分離控制裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。在來流風(fēng)的作用下，PVG 可生成一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)的流向渦，該類渦結(jié)構(gòu)可有效擾亂或破壞大尺度渦[15]，因此PVG 具有削弱引發(fā)極值風(fēng)壓的錐形渦和柱狀渦的潛質(zhì)， 進(jìn)而可減小平屋蓋風(fēng)吸力。MANOLESOS 等[16]將旋渦發(fā)生器安裝在風(fēng)力渦輪機(jī)葉片機(jī)翼上進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)旋渦發(fā)生器可以有效地延遲或抑制機(jī)翼上的分離現(xiàn)象。高峰等[17]利用數(shù)值模擬的方法研究了安裝在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)隔離段的多種微型旋渦發(fā)生器的流動(dòng)控制性能，發(fā)現(xiàn)隨著微型渦流發(fā)生器后緣寬度增加，隔離段的抗反壓能力有較大提升，流場(chǎng)質(zhì)量有所改善。XIN等[18]通過風(fēng)洞試驗(yàn)的方法將旋渦發(fā)生器安裝在橋梁下表面來抑制橋梁的渦激振動(dòng)，發(fā)現(xiàn)旋渦發(fā)生器在合適的尺寸和展向安裝間距下，可以完全抑制橋梁的豎向渦激振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。鑒于此，本文作者通過風(fēng)洞試驗(yàn)方法，將被動(dòng)式旋渦發(fā)生器(PVG)安裝在大跨平屋蓋建筑的屋檐上，研究旋渦發(fā)生器(PVG)對(duì)屋蓋負(fù)風(fēng)壓的抑制效果。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

風(fēng)洞試驗(yàn)在東北林業(yè)大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，風(fēng)洞試驗(yàn)段截面寬×高×長(zhǎng)為0.8 m×1.0 m×5.0 m。風(fēng)洞試驗(yàn)采用尖劈、地毯、粗糙元來模擬大氣邊界層流場(chǎng)。大氣邊界層流場(chǎng)參考GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[19]規(guī)定的B 類地貌，地面粗糙度指數(shù)α=0.16，模型頂部的紊流度I約為11.2%，風(fēng)洞試驗(yàn)的參考速度U0為8.6 m/s。圖1 所示為風(fēng)洞試驗(yàn)布置圖。試驗(yàn)中大氣邊界層模擬試驗(yàn)測(cè)得的平均風(fēng)速曲線和湍流強(qiáng)度曲線與中國(guó)規(guī)范規(guī)定的參考曲線擬合良好，如圖2所示。

圖1 風(fēng)洞試驗(yàn)布置圖Fig. 1 Layout of wind tunnel test

圖2 風(fēng)速和湍流強(qiáng)度剖面與中國(guó)規(guī)范對(duì)比Fig. 2 Comparison of wind speed and turbulence intensity profiles with Chinese code

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

在強(qiáng)風(fēng)作用下，迎風(fēng)前緣屋檐處由于流動(dòng)分離產(chǎn)生柱狀渦和錐形渦，使得屋面受到巨大的負(fù)壓，導(dǎo)致屋蓋被掀翻。本文將旋渦發(fā)生器放置在發(fā)生流動(dòng)分離的屋檐位置。試驗(yàn)中大跨建筑長(zhǎng)×寬×高為36 m×36 m×36 m，如圖3所示。將屋蓋處的高度作為試驗(yàn)的參考高度，屋蓋類型為平屋蓋。本試驗(yàn)中建筑模型的幾何比例為1∶244，同時(shí)滿足風(fēng)洞阻塞率。屋蓋的測(cè)點(diǎn)編號(hào)布置及來流方向如圖4 所示，在屋面上共設(shè)置96 個(gè)測(cè)點(diǎn)，在迎風(fēng)前緣和角部區(qū)域適度加密。試驗(yàn)中風(fēng)向角的間隔取15°，從0°～90°分別測(cè)量7 個(gè)不同風(fēng)向角下屋蓋表面的風(fēng)壓。風(fēng)壓的采樣頻率為500 Hz，采樣時(shí)間為30 s。圖5所示為旋渦發(fā)生器的幾何參數(shù)，如旋渦發(fā)生器長(zhǎng)度L，旋渦發(fā)生器高度H，旋渦發(fā)生器安裝間距R以及旋渦發(fā)生器的安裝角度β，旋渦發(fā)生器工作原理圖見圖6。

圖3 模型幾何尺寸示意圖Fig. 3 Model geometry diagram

圖4 測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig. 4 Schematic layout of measurement points

圖5 旋渦發(fā)生器幾何參數(shù)示意圖Fig. 5 Schematic diagram of geometric parameters of PVGs

圖6 旋渦發(fā)生器工作機(jī)理Fig. 6 PVG working mechanism

2 數(shù)據(jù)處理與驗(yàn)證

2.1 數(shù)據(jù)處理方法

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的正確性，將不加旋渦發(fā)生器(PVG)屋蓋試驗(yàn)數(shù)據(jù)與東京工藝大學(xué)(TPU)測(cè)壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比[21]。TPU 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c本試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨?，為邊長(zhǎng)16 cm的立方體平屋蓋模型，縮尺比為1∶100。TPU 試驗(yàn)?zāi)M日本規(guī)范中Ⅲ類地貌條件，粗糙度指數(shù)為0.2。本試驗(yàn)?zāi)Ｐ臀萆w平均風(fēng)壓系數(shù)和極值壓力系數(shù)與TPU試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比如圖7所示。

圖7 本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ团cTPU試驗(yàn)?zāi)Ｐ臀萆w平均壓力系數(shù)對(duì)比Fig. 7 Comparison of mean pressure coefficient of current test model and TPU test model roof

由圖7可見：0°風(fēng)向角下模型屋蓋平均風(fēng)壓分布與TPU 試驗(yàn)結(jié)果相似，全屋蓋受負(fù)壓作用，其中迎風(fēng)前緣所受負(fù)壓最大，由迎風(fēng)前緣向屋蓋內(nèi)側(cè)遞減，這符合平屋蓋風(fēng)壓分布規(guī)律[22]。0°風(fēng)向角下模型屋蓋迎風(fēng)前緣所受負(fù)壓略小于TPU 模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這一方面是由于本試驗(yàn)?zāi)Ｐ吐孕∮赥PU試驗(yàn)?zāi)Ｐ停硪环矫姹驹囼?yàn)?zāi)M地貌曲線也與日本規(guī)范略有差異。總體來說，本次風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)研究學(xué)者的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果基本一致，證明本次風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果是可靠的。

3 結(jié)果與討論

3.1 旋渦發(fā)生器(PVG)的氣動(dòng)控制效果

由于屋頂轉(zhuǎn)角區(qū)域所受的負(fù)壓高于其內(nèi)部的壓力，所以劃分出屋蓋一側(cè)角部區(qū)域，如圖4 所示。為了研究PVG 在不同風(fēng)向角下的氣動(dòng)控制效果，將PVG 安裝在平屋頂模型屋檐處，其中PVG長(zhǎng)L=1.5 cm，高H=1.0 cm，間距R=2 cm，在屋蓋4 個(gè)轉(zhuǎn)角附近對(duì)稱布置，安裝角度β=60°和120°，共安裝24個(gè)PVG，觀察屋頂?shù)臉O值風(fēng)壓變化情況。圖8 所示為安裝PVG 和未安裝PVG 情況下的極值壓力系數(shù)和角部面積平均極值風(fēng)壓系數(shù)的變化，風(fēng)向角范圍為0°～90°(間隔15°)。從圖8 可以看出：未安裝PVG 時(shí)，屋蓋大部分極值風(fēng)壓發(fā)生在轉(zhuǎn)角區(qū)域。屋頂在0°風(fēng)向和90°風(fēng)向下受到的風(fēng)吸力小于其他風(fēng)向角下受到的風(fēng)吸力，這說明屋頂對(duì)傾斜風(fēng)向更為敏感。極值壓力系數(shù)曲線呈對(duì)稱分布，在45°風(fēng)向角下測(cè)點(diǎn)11 位置處的極值壓力系數(shù)最小，此時(shí)極值壓力系數(shù)為-4.72，45°風(fēng)向角為最不利風(fēng)向角。角部面積平均極值風(fēng)壓系數(shù)在30°～60°風(fēng)向角下所受的風(fēng)吸力較大，均超過-2.78。

圖8 極值壓力系數(shù)和角部面積平均極值風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角的變化Fig. 8 Variation of extreme pressure coefficient and corner average extreme wind pressure coefficient with wind direction

在安裝PVG 后，屋蓋在傾斜風(fēng)向角下的極值風(fēng)壓有明顯的降低，極值壓力系數(shù)控制在-2.00 以下，最大減小幅度可達(dá)59%，角部面積平均極值風(fēng)壓系數(shù)在傾斜風(fēng)向角下也明顯降低，最大減小幅度達(dá)到57%。這是由于在30°～60°傾斜風(fēng)向角下，屋蓋迎風(fēng)角部區(qū)域受錐形旋渦的影響較大，使得此處產(chǎn)生了較大的風(fēng)吸力，而安裝在角部區(qū)域的PVG產(chǎn)生的順流向渦干擾了錐形旋渦的形成，摻混了迎風(fēng)前緣邊界層內(nèi)的氣流，減小了該區(qū)域的風(fēng)壓?？梢娦郎u發(fā)生器(PVG)可以有效減小平屋蓋的極值風(fēng)壓。

3.2 旋渦發(fā)生器(PVG)幾何因素的影響

為了研究PVG 的幾何因素對(duì)平屋蓋風(fēng)壓的影響，測(cè)量在最不利風(fēng)向角下(45°)，不同參數(shù)的PVG 安裝在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕蠒r(shí)屋蓋的風(fēng)壓，試驗(yàn)具體工況見表1。

表1 旋渦發(fā)生器(PVG)工況Table1 Case of PVG

3.2.1 高度H的影響

PVG高度H對(duì)屋蓋風(fēng)壓系數(shù)影響的工況見表1中工況1，其結(jié)果如圖9 所示。由圖9 可見：加入PVG 后，迎風(fēng)前緣測(cè)點(diǎn)行Row 1 內(nèi)風(fēng)吸力急劇降低，最大降低幅度達(dá)59%(測(cè)點(diǎn)2)，相應(yīng)地風(fēng)壓脈動(dòng)也急劇減弱。測(cè)點(diǎn)列Column 2 內(nèi)存在很大的風(fēng)吸力突變(測(cè)點(diǎn)48位置平均風(fēng)壓系數(shù)達(dá)到-2.0)，加入PVG 后風(fēng)壓突變得到抑制。這是由于角部的氣流遇PVG 后在其附近產(chǎn)生大量漩渦，這些漩渦對(duì)分離氣流產(chǎn)生強(qiáng)烈干擾，同時(shí)抑制了前緣錐形漩渦的形成。平均風(fēng)壓系數(shù)對(duì)PVG 高度比較敏感，隨PVG高度增加，其減壓效果越來越好。

圖9 PVG高度H對(duì)屋蓋風(fēng)壓系數(shù)的影響Fig. 9 Effect of PVG height H on wind pressure coefficient of roof model

3.2.2 長(zhǎng)度L的影響

PVG長(zhǎng)度L對(duì)屋蓋風(fēng)壓系數(shù)影響的工況見表1中工況2，其結(jié)果如圖10 所示。由圖10(a)和10(b)可見：改變PVG長(zhǎng)度對(duì)迎風(fēng)前緣(Row 1)氣流的干擾效果與其高度相比不那么明顯。相對(duì)于另一側(cè)迎風(fēng)前緣而言(Column 2)，L=1.5 cm的減壓效果與L=1.3 cm 的相比差別不大，然而當(dāng)L＜1.3 cm 時(shí)，PVG 對(duì)平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓的抑制效果減弱。由此可見，在進(jìn)行PVG 設(shè)計(jì)時(shí)，為達(dá)到近似的減壓效果，PVG 的長(zhǎng)度可以考慮在一定范圍內(nèi)有所調(diào)整。

圖10 PVG長(zhǎng)度L對(duì)屋蓋風(fēng)壓系數(shù)的影響Fig. 10 Effect of PVG length L on wind pressure coefficient of roof model

3.2.3 間距R的影響

PVG 安裝間距R對(duì)屋蓋風(fēng)壓系數(shù)影響的工況見表1 中工況3，其結(jié)果如圖11 所示。由圖11 可見：安裝間距對(duì)屋蓋前緣的風(fēng)壓影響顯著，特別是對(duì)于脈動(dòng)風(fēng)壓而言。在接近角部附近，R的影響作用更加明顯，即隨安裝間距增加，PVG 對(duì)負(fù)風(fēng)壓即風(fēng)壓脈動(dòng)的抑制作用逐漸降低。這是由于在迎風(fēng)轉(zhuǎn)角區(qū)域是錐形渦的形成區(qū)，較密的布置更有利于干擾分離流，抑制錐形渦的形成。

圖11 PVG安裝間距R對(duì)屋蓋風(fēng)壓系數(shù)的影響Fig. 11 Effect of PVG installation pitch R on wind pressure coefficient of roof model

3.2.4 安裝角度β的影響

PVG安裝角度β對(duì)屋蓋風(fēng)壓系數(shù)影響的工況見表1 中工況4，其結(jié)果如圖12 所示。由圖12 可見：3種安裝角度的PVG均能對(duì)分離流產(chǎn)生干擾，減小屋蓋迎風(fēng)前緣的風(fēng)吸力。然而，對(duì)比不同安裝角度可以發(fā)現(xiàn)，β=90°時(shí)，PVG對(duì)前緣兩側(cè)靠近角部位置的減壓效果不如PVG 傾斜時(shí)的效果顯著，其原因是：PVG傾斜時(shí)，不僅能夠?qū)饬鳟a(chǎn)生干擾，而且傾斜的角度對(duì)撞向鈍體邊緣的氣流起到疏導(dǎo)的作用，使得分離流沿著PVG 傾斜方向偏轉(zhuǎn)，從而弱化了來流風(fēng)的分離作用，進(jìn)而抑制了錐形渦的形成。

圖12 PVG安裝角度β對(duì)屋蓋風(fēng)壓系數(shù)的影響Fig. 12 Effects of PVG installation angle β on wind pressure coefficient of roof model

3.3 最不利風(fēng)向角下的氣動(dòng)控制

由于在最不利風(fēng)向角下，屋蓋所受的極值風(fēng)壓最大，所以控制屋蓋在最不利風(fēng)向角下的極值風(fēng)壓是提高屋蓋抗風(fēng)能力的關(guān)鍵。由前面分析可得PVG 的最優(yōu)參數(shù)，選取L=1.5 cm，H=1.0 cm，R=2.0 cm，β=60°的PVG，將其安裝在模型屋檐處，探究在最不利風(fēng)向角下(45°)，PVG 的氣動(dòng)控制效果。圖13所示為45°風(fēng)向角下屋蓋風(fēng)壓系數(shù)的等值線圖。從圖13 可以看出：屋頂表面風(fēng)荷載以風(fēng)吸力為主，在靠近迎風(fēng)前緣位置風(fēng)吸力較大，靠近內(nèi)部風(fēng)吸力逐漸減弱。加入PVG 后，屋頂風(fēng)壓分布發(fā)生明顯的變化。與未安裝PVG 的情況相比，安裝PVG 時(shí)屋頂明顯表現(xiàn)出較低的極值壓力系數(shù)且位于邊緣和角部區(qū)域的壓力降幅高于內(nèi)部區(qū)域。角部的極值風(fēng)壓系數(shù)減少效果最為顯著，最大減小幅度可達(dá)73.3%(從-4.5 降低到-1.2)，平均壓力系數(shù)降低了64.0%(從-2.5 降低到-0.9)，脈動(dòng)壓力系數(shù)降低了77.8%(從0.9 降低到0.2)。與未安裝PVG 相比，屋頂轉(zhuǎn)角和邊緣的壓力梯度明顯減小，錐形旋渦影響區(qū)域減小，尤其是迎風(fēng)邊緣兩側(cè)的壓力分布基本平穩(wěn)均勻，其他區(qū)域并沒有出現(xiàn)風(fēng)壓增大等突變現(xiàn)象?？梢?，在最不利風(fēng)向角下，旋渦發(fā)生器(PVG)可以有效減小平屋蓋的極值風(fēng)壓。

圖13 45°風(fēng)向角下屋蓋風(fēng)壓系數(shù)的等值線圖Fig. 13 Contour of wind pressure coefficient of roof at 45° wind direction of roof model

3.4 脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜

圖14 所示為屋蓋極值風(fēng)吸力較大的風(fēng)向角下最不利測(cè)點(diǎn)在安裝PVG前后的脈動(dòng)風(fēng)功率譜變化。其中，f·H/U為量綱一頻率，f·S(f)/σ2為量綱一自功率譜，S(f)為測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓自譜，σ2為脈動(dòng)風(fēng)壓的方差。風(fēng)壓功率譜密度選用對(duì)數(shù)刻度，同時(shí)采取適當(dāng)?shù)钠骄幚砥交V估計(jì)的結(jié)果，這樣可以從整體上評(píng)價(jià)PVG 對(duì)屋蓋動(dòng)態(tài)脈動(dòng)風(fēng)壓的減緩效果。對(duì)于45°風(fēng)向角下測(cè)點(diǎn)1(圖14(a))，加入PVG 后，來流風(fēng)低頻部分(f·H/U≈0.1)能量占比大幅度減少，說明分離流中大尺度漩渦的占比減小，這對(duì)錐形旋渦的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)起著重要的作用。對(duì)于45°風(fēng)向角下測(cè)點(diǎn)2(圖14(b))，加入PVG后頻譜整體能量降低，并且中低頻部分能量降低較多，這說明大尺度漩渦攜帶的能量降低，脈動(dòng)強(qiáng)度減弱。由圖14(c)可見：量綱一頻率在10-2～10-1之間時(shí)，未安裝PVG的曲線為凸曲線，安裝PVG后，曲線呈凹曲線，這說明低頻部分整體脈動(dòng)能量的降低。在高頻區(qū)，屋蓋脈動(dòng)風(fēng)能量增加，這說明PVG 產(chǎn)生的小尺度漩渦攜帶高頻脈動(dòng)，與屋頂迎風(fēng)前緣部位的來流風(fēng)相互作用，消耗了一部分能量，同時(shí)擾亂和破壞了大尺度旋渦(見圖14(d))。

圖14 屋蓋上測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜Fig. 14 Power spectrum density of wind pressure on roof model

3.5 旋渦發(fā)生器（PVG）對(duì)渦核的影響

在傾斜風(fēng)向角下屋蓋的極值風(fēng)吸力主要是由迎風(fēng)前緣的錐形旋渦引起的。因此，研究PVG 對(duì)錐形旋渦的渦核位置和再附區(qū)域的影響是十分必要的。KAWAI[23]通過垂直于迎風(fēng)面前緣各截面的最大平均風(fēng)壓和最大脈動(dòng)風(fēng)壓的位置來估計(jì)渦旋的軸線和錐形渦旋的再附范圍。本文采用文獻(xiàn)[23]中的方法來確定45°風(fēng)向角下錐形旋渦的位置參數(shù)。圖15 所示為45°風(fēng)向角下錐形旋渦的變化范圍。由圖15 可見：找到屋蓋每個(gè)橫截面(垂直于Y軸)和縱截面(垂直于X軸)的最大平均風(fēng)壓系數(shù)和最大脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)所在的測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)(X，Y)，對(duì)這些測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行曲線擬合(有95%的置信區(qū)間)，得到錐形渦旋的渦核曲線和再附曲線。從圖15可以看出：安裝PVG 后，前緣兩側(cè)錐形渦旋的再附區(qū)域明顯減小，左側(cè)渦核位置也向邊緣移動(dòng)。說明PVG 產(chǎn)生的反向渦流破壞了錐形旋渦的結(jié)構(gòu)。再附曲線和前緣之間的范圍逐漸減小，這意味著錐形旋渦的影響范圍逐漸減小，因此，PVG 具有削弱引發(fā)極值風(fēng)壓的錐形旋渦的作用。

圖15 45°風(fēng)向角下錐形旋渦的變化范圍Fig. 15 Variation range of conical vortex at 45° wind angle

4 結(jié)論

1) 在低矮平屋蓋屋檐位置安裝PVG，可以有效減少屋蓋的極值風(fēng)壓，特別對(duì)于傾斜風(fēng)向的氣動(dòng)控制效果最好。在最不利風(fēng)向角下，PVG 對(duì)于極值風(fēng)壓的控制程度最大可達(dá)73.3%。

2) 旋渦發(fā)生器的參數(shù)對(duì)屋蓋風(fēng)壓的影響較大，與長(zhǎng)度(L)相比，高度(H)的增加對(duì)錐形漩渦的干擾作用更強(qiáng)，為了更好地降低角部區(qū)域極值風(fēng)壓，PVG 宜緊密布置。在適宜傾斜角下，PVG 不僅能夠干擾分離流，而且對(duì)迎風(fēng)前緣的氣流起到疏導(dǎo)的作用。

3) 安裝旋渦發(fā)生器(PVG)后，來流風(fēng)中低頻部分能量占比大幅度減少，大尺度漩渦的脈動(dòng)能量減弱，原因是來流中由PVG 激發(fā)的小尺度的湍流成分大大削弱了大尺度湍流的能量。

4) 在45°風(fēng)向角下，旋渦發(fā)生器(PVG)破壞了錐形旋渦的結(jié)構(gòu)，改變了錐形旋渦的形成位置，從而減小的錐形旋渦的影響范圍。