建筑结构风致内压理论分析

 1边界层理论

1.1边界层理论的概念

物理学家朗普特认为边界层具有如下特点：当流体处于大雷诺数条件中进行运动时，可以认为流体的导热作用和粘性是在流体自身表面的薄层中发生的，这个薄层就是边界层。根据上述特点，可以借助流体的相关参数将流体的传热规律和阻力大小推断出来[1]。

1.2边界层理论的分析方法

大雷诺数的流动区域被流体边界层划分成两个不同的区域，其中，外部区域不存在粘性问题，因此可以将其称之为无粘性流动区；而另一区域处于流体粘性的作用下，因此其分析难度相对较高。对此，可以将该区域（或粘性流体）的分析方法确定为：在不考虑大雷诺数条件中热传导和粘性的基础上，确定出流场。利用流场因素将物体便面的温度分布情况、压力参数以及速度参数等估算出来。当上述计算过程结束之后，可以将物体速度、温度分布情况等作为边界层的外边界条件，进而为粘性流体的分析提供数据参考。

1.3边界层理论中的能量耗散

边界层理论认为：当边界层从物体表面分离出来时，其原本接触位置会产生回流现象。该现象的原理为：如果边界层的外流压力逐渐增加，且方向与气流流动方向相同时，黏性阻力的作用及反方向的逆向作用力会引发流体动量的变化（逐渐降低）。此时，当边界层出现分离变化时，将会在物体表面形成一定尺寸的漩涡，同时引发能量耗散（能量耗散参数大小与漩涡有关）。

2建筑结构风致内压理论分析

这里主要从以下几方面入手，对边界层理论下的建筑结构风致内压理论进行分析：

2.1建筑内压的变化原理方面

出于通风、利用自然光线等原因，建筑结构中通常包含着多个开孔。当外界环境中出现强风时，建筑内会产生风致内压，这种因素会引发建筑总风荷载的变化。在强风作用下，外部环境中的气流通过建筑结构的各个开孔进行流通，此时，建筑内压将会产生极为明显的变化。当强风达到一定程度时，建筑物可能会出现玻璃幕墙破碎、建筑物倒塌等事故。

2.2建筑结构风致内压的分析工具

通过对以往学者研究的分析可知：大多数学者利用非定常伯努利方程作为分析建筑结构风致内压的工具[2]。事实上，这种工具的适用于无旋流体流动、不可压且流体没有粘性的分析环境中。而就建筑结构风致内压而言，气流在建筑内部的流通会产生旋流气体，且这种流体具有一定的粘性。为了保证建筑结构风致内压分析结果的准确性，这里将边界层理论作为风致内压的分析工具（边界层理论的适用范围与风致内压的特点相符）。

2.3边界层理论下的建筑结构风致内压

无论湍流强度大小如何，当其进入存在开孔的建筑内部之后，会在开孔的作用下转化成湍流。在建筑结构中，可以将其开孔位置的气流特性描述为：在建筑内部结构中，气流的流通不会与建筑壁面产生接触[3]。从这个角度来讲，可以认为气流在建筑结构内部的流通不会受到建筑边界约束作用的影响。与湍流应力相比，建筑开孔位置气流的黏性应力相对较小。因此，在实际分析过程中，可以忽略气流的黏性应力参数。除此之外，在开孔位于建筑墙面中间位置的情况下，当作用于建筑结构的来流域迎风面为垂直关系时，气流流动方向的尺度远远高于与该方向垂直的尺度参数。因此可以做出如下判断：建筑结构此时的气流流动与边界层流通特点完全一致，则可以利用边界层理论分析建筑结构的风致内压。

2.4基于风致内压的建筑能量损失

部分学者在分析建筑结构风致内压的过程中指出：黏性剪切应力的存在会使得处于建筑结构开孔位置的流体产生能量耗散变化。为了更加精确地判断出建筑结构开孔位置的能量耗散参数，可以作出如下分析：将边界层理论引入建筑结构风致内压的分析过程之后，可以判断出：基于强风产生的气流流动至建筑结构的开孔位置时，会产生相应的湍流应力，而来自气流粘性的黏性剪切应力参数显著低于湍流应力参数。当气流通过建筑表面的开孔进入建筑内部的瞬间，建筑表面开孔位置的周围会产生旋涡。在旋涡的作用下，建筑结构开孔位置处于静止状态的流体会被旋涡产生的湍流射流卷入旋涡中，并随着这两种气流逐渐流通至建筑结构的下部位置[4]。为了判断黏性剪切应力与能量耗散参数之间的关系，利用边界层理论分析方法对二者进行详细对比。对比结果表明：建筑结构开孔位置的黏性剪切应力参数大于能量耗散参数。此外，边界层理论的应用还可以将能量耗散的产生原因分析出来：在建筑结构风致内压中，开孔位置的能量耗散是由不同流体（分别处于不同状态）各自的湍流剪切应力、流经建筑表面开孔的主流流体中的旋涡破碎引发的[5]。从这个角度来讲，能量耗散与建筑结构开孔壁面的黏性剪切应力参数无关。

3结束语

通过对现有研究资料的分析可以发现：大部分学者在分析建筑结构风致内压的过程中，都会将非定常伯努利方程作为基本工具。建筑结构风致内压的特殊性（有旋、有黏性）对非定常伯努利方程所得研究结果的准确性产生了一定干扰。为了更好地分析风致内压，可以利用边界层理论替换原本的工具。结果表明：建筑结构缝制内压中的能量耗散与建筑开孔位置的黏性剪切应力无关。

参考文献：

[1]全涌,王轶翔,顾明.基于边界层理论的建筑结构风致内压理论研究[J].同济大学学报(自然科学版),2015,(3):332-336.

[2]赵民.开孔结构风致内压及屋盖风振响应的数值模拟研究[D].重庆大学,2012.

[3]熊捷.建筑结构风致瞬态内压响应及内外压相关性研究[D].华南理工大学,2014.

[4]余世策,楼文娟,孙炳楠,等.背景孔隙对开孔结构风致内压响应的影响[J].土木工程学报,2006,(6):6-11.

[5]陈伏彬.大跨结构风效应的现场实测和风洞试验及理论分析研究[D].湖南大学,2011.