1邊界層理論

1.1邊界層理論的概念

物理學家朗普特認為邊界層具有如下特點：當流體處于大雷諾數(shù)條件中進行運動時，可以認為流體的導熱作用和粘性是在流體自身表面的薄層中發(fā)生的，這個薄層就是邊界層。根據(jù)上述特點，可以借助流體的相關參數(shù)將流體的傳熱規(guī)律和阻力大小推斷出來[1]。

1.2邊界層理論的分析方法

大雷諾數(shù)的流動區(qū)域被流體邊界層劃分成兩個不同的區(qū)域，其中，外部區(qū)域不存在粘性問題，因此可以將其稱之為無粘性流動區(qū)；而另一區(qū)域處于流體粘性的作用下，因此其分析難度相對較高。對此，可以將該區(qū)域（或粘性流體）的分析方法確定為：在不考慮大雷諾數(shù)條件中熱傳導和粘性的基礎上，確定出流場。利用流場因素將物體便面的溫度分布情況、壓力參數(shù)以及速度參數(shù)等估算出來。當上述計算過程結束之后，可以將物體速度、溫度分布情況等作為邊界層的外邊界條件，進而為粘性流體的分析提供數(shù)據(jù)參考。

1.3邊界層理論中的能量耗散

邊界層理論認為：當邊界層從物體表面分離出來時，其原本接觸位置會產(chǎn)生回流現(xiàn)象。該現(xiàn)象的原理為：如果邊界層的外流壓力逐漸增加，且方向與氣流流動方向相同時，黏性阻力的作用及反方向的逆向作用力會引發(fā)流體動量的變化（逐漸降低）。此時，當邊界層出現(xiàn)分離變化時，將會在物體表面形成一定尺寸的漩渦，同時引發(fā)能量耗散（能量耗散參數(shù)大小與漩渦有關）。

2建筑結構風致內(nèi)壓理論分析

這里主要從以下幾方面入手，對邊界層理論下的建筑結構風致內(nèi)壓理論進行分析：

2.1建筑內(nèi)壓的變化原理方面

出于通風、利用自然光線等原因，建筑結構中通常包含著多個開孔。當外界環(huán)境中出現(xiàn)強風時，建筑內(nèi)會產(chǎn)生風致內(nèi)壓，這種因素會引發(fā)建筑總風荷載的變化。在強風作用下，外部環(huán)境中的氣流通過建筑結構的各個開孔進行流通，此時，建筑內(nèi)壓將會產(chǎn)生極為明顯的變化。當強風達到一定程度時，建筑物可能會出現(xiàn)玻璃幕墻破碎、建筑物倒塌等事故。

2.2建筑結構風致內(nèi)壓的分析工具

通過對以往學者研究的分析可知：大多數(shù)學者利用非定常伯努利方程作為分析建筑結構風致內(nèi)壓的工具[2]。事實上，這種工具的適用于無旋流體流動、不可壓且流體沒有粘性的分析環(huán)境中。而就建筑結構風致內(nèi)壓而言，氣流在建筑內(nèi)部的流通會產(chǎn)生旋流氣體，且這種流體具有一定的粘性。為了保證建筑結構風致內(nèi)壓分析結果的準確性，這里將邊界層理論作為風致內(nèi)壓的分析工具（邊界層理論的適用范圍與風致內(nèi)壓的特點相符）。

2.3邊界層理論下的建筑結構風致內(nèi)壓

無論湍流強度大小如何，當其進入存在開孔的建筑內(nèi)部之后，會在開孔的作用下轉(zhuǎn)化成湍流。在建筑結構中，可以將其開孔位置的氣流特性描述為：在建筑內(nèi)部結構中，氣流的流通不會與建筑壁面產(chǎn)生接觸[3]。從這個角度來講，可以認為氣流在建筑結構內(nèi)部的流通不會受到建筑邊界約束作用的影響。與湍流應力相比，建筑開孔位置氣流的黏性應力相對較小。因此，在實際分析過程中，可以忽略氣流的黏性應力參數(shù)。除此之外，在開孔位于建筑墻面中間位置的情況下，當作用于建筑結構的來流域迎風面為垂直關系時，氣流流動方向的尺度遠遠高于與該方向垂直的尺度參數(shù)。因此可以做出如下判斷：建筑結構此時的氣流流動與邊界層流通特點完全一致，則可以利用邊界層理論分析建筑結構的風致內(nèi)壓。

2.4基于風致內(nèi)壓的建筑能量損失

部分學者在分析建筑結構風致內(nèi)壓的過程中指出：黏性剪切應力的存在會使得處于建筑結構開孔位置的流體產(chǎn)生能量耗散變化。為了更加精確地判斷出建筑結構開孔位置的能量耗散參數(shù)，可以作出如下分析：將邊界層理論引入建筑結構風致內(nèi)壓的分析過程之后，可以判斷出：基于強風產(chǎn)生的氣流流動至建筑結構的開孔位置時，會產(chǎn)生相應的湍流應力，而來自氣流粘性的黏性剪切應力參數(shù)顯著低于湍流應力參數(shù)。當氣流通過建筑表面的開孔進入建筑內(nèi)部的瞬間，建筑表面開孔位置的周圍會產(chǎn)生旋渦。在旋渦的作用下，建筑結構開孔位置處于靜止狀態(tài)的流體會被旋渦產(chǎn)生的湍流射流卷入旋渦中，并隨著這兩種氣流逐漸流通至建筑結構的下部位置[4]。為了判斷黏性剪切應力與能量耗散參數(shù)之間的關系，利用邊界層理論分析方法對二者進行詳細對比。對比結果表明：建筑結構開孔位置的黏性剪切應力參數(shù)大于能量耗散參數(shù)。此外，邊界層理論的應用還可以將能量耗散的產(chǎn)生原因分析出來：在建筑結構風致內(nèi)壓中，開孔位置的能量耗散是由不同流體（分別處于不同狀態(tài)）各自的湍流剪切應力、流經(jīng)建筑表面開孔的主流流體中的旋渦破碎引發(fā)的[5]。從這個角度來講，能量耗散與建筑結構開孔壁面的黏性剪切應力參數(shù)無關。

3結束語

通過對現(xiàn)有研究資料的分析可以發(fā)現(xiàn)：大部分學者在分析建筑結構風致內(nèi)壓的過程中，都會將非定常伯努利方程作為基本工具。建筑結構風致內(nèi)壓的特殊性（有旋、有黏性）對非定常伯努利方程所得研究結果的準確性產(chǎn)生了一定干擾。為了更好地分析風致內(nèi)壓，可以利用邊界層理論替換原本的工具。結果表明：建筑結構縫制內(nèi)壓中的能量耗散與建筑開孔位置的黏性剪切應力無關。

參考文獻：

[1]全涌,王軼翔,顧明.基于邊界層理論的建筑結構風致內(nèi)壓理論研究[J].同濟大學學報(自然科學版),2015,(3):332-336.

[2]趙民.開孔結構風致內(nèi)壓及屋蓋風振響應的數(shù)值模擬研究[D].重慶大學,2012.

[3]熊捷.建筑結構風致瞬態(tài)內(nèi)壓響應及內(nèi)外壓相關性研究[D].華南理工大學,2014.

[4]余世策,樓文娟,孫炳楠,等.背景孔隙對開孔結構風致內(nèi)壓響應的影響[J].土木工程學報,2006,(6):6-11.

[5]陳伏彬.大跨結構風效應的現(xiàn)場實測和風洞試驗及理論分析研究[D].湖南大學,2011.