1邊界層理論

1.1邊界層理論的概念

物理學(xué)家朗普特認(rèn)為邊界層具有如下特點(diǎn)：當(dāng)流體處于大雷諾數(shù)條件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以認(rèn)為流體的導(dǎo)熱作用和粘性是在流體自身表面的薄層中發(fā)生的，這個(gè)薄層就是邊界層。根據(jù)上述特點(diǎn)，可以借助流體的相關(guān)參數(shù)將流體的傳熱規(guī)律和阻力大小推斷出來(lái)[1]。

1.2邊界層理論的分析方法

大雷諾數(shù)的流動(dòng)區(qū)域被流體邊界層劃分成兩個(gè)不同的區(qū)域，其中，外部區(qū)域不存在粘性問(wèn)題，因此可以將其稱之為無(wú)粘性流動(dòng)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(duì)較高。對(duì)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(dǎo)和粘性的基礎(chǔ)上，確定出流場(chǎng)。利用流場(chǎng)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(lái)。當(dāng)上述計(jì)算過(guò)程結(jié)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(jìn)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(rèn)為：當(dāng)邊界層從物體表面分離出來(lái)時(shí)，其原本接觸位置會(huì)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(dòng)方向相同時(shí)，黏性阻力的作用及反方向的逆向作用力會(huì)引發(fā)流體動(dòng)量的變化（逐漸降低）。此時(shí)，當(dāng)邊界層出現(xiàn)分離變化時(shí)，將會(huì)在物體表面形成一定尺寸的漩渦，同時(shí)引發(fā)能量耗散（能量耗散參數(shù)大小與漩渦有關(guān)）。

2建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)致內(nèi)壓理論分析

這里主要從以下幾方面入手，對(duì)邊界層理論下的建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)致內(nèi)壓理論進(jìn)行分析：

2.1建筑內(nèi)壓的變化原理方面

出于通風(fēng)、利用自然光線等原因，建筑結(jié)構(gòu)中通常包含著多個(gè)開(kāi)孔。當(dāng)外界環(huán)境中出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)時(shí)，建筑內(nèi)會(huì)產(chǎn)生風(fēng)致內(nèi)壓，這種因素會(huì)引發(fā)建筑總風(fēng)荷載的變化。在強(qiáng)風(fēng)作用下，外部環(huán)境中的氣流通過(guò)建筑結(jié)構(gòu)的各個(gè)開(kāi)孔進(jìn)行流通，此時(shí)，建筑內(nèi)壓將會(huì)產(chǎn)生極為明顯的變化。當(dāng)強(qiáng)風(fēng)達(dá)到一定程度時(shí)，建筑物可能會(huì)出現(xiàn)玻璃幕墻破碎、建筑物倒塌等事故。

2.2建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)致內(nèi)壓的分析工具

通過(guò)對(duì)以往學(xué)者研究的分析可知：大多數(shù)學(xué)者利用非定常伯努利方程作為分析建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)致內(nèi)壓的工具[2]。事實(shí)上，這種工具的適用于無(wú)旋流體流動(dòng)、不可壓且流體沒(méi)有粘性的分析環(huán)境中。而就建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)致內(nèi)壓而言，氣流在建筑內(nèi)部的流通會(huì)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(jié)構(gòu)風(fēng)致內(nèi)壓分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，這里將邊界層理論作為風(fēng)致內(nèi)壓的分析工具（邊界層理論的適用范圍與風(fēng)致內(nèi)壓的特點(diǎn)相符）。

2.3邊界層理論下的建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)致內(nèi)壓

無(wú)論湍流強(qiáng)度大小如何，當(dāng)其進(jìn)入存在開(kāi)孔的建筑內(nèi)部之后，會(huì)在開(kāi)孔的作用下轉(zhuǎn)化成湍流。在建筑結(jié)構(gòu)中，可以將其開(kāi)孔位置的氣流特性描述為：在建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，氣流的流通不會(huì)與建筑壁面產(chǎn)生接觸[3]。從這個(gè)角度來(lái)講，可以認(rèn)為氣流在建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的流通不會(huì)受到建筑邊界約束作用的影響。與湍流應(yīng)力相比，建筑開(kāi)孔位置氣流的黏性應(yīng)力相對(duì)較小。因此，在實(shí)際分析過(guò)程中，可以忽略氣流的黏性應(yīng)力參數(shù)。除此之外，在開(kāi)孔位于建筑墻面中間位置的情況下，當(dāng)作用于建筑結(jié)構(gòu)的來(lái)流域迎風(fēng)面為垂直關(guān)系時(shí)，氣流流動(dòng)方向的尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)此時(shí)的氣流流動(dòng)與邊界層流通特點(diǎn)完全一致，則可以利用邊界層理論分析建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)致內(nèi)壓。

2.4基于風(fēng)致內(nèi)壓的建筑能量損失

部分學(xué)者在分析建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)致內(nèi)壓的過(guò)程中指出：黏性剪切應(yīng)力的存在會(huì)使得處于建筑結(jié)構(gòu)開(kāi)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(jié)構(gòu)開(kāi)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(jié)構(gòu)風(fēng)致內(nèi)壓的分析過(guò)程之后，可以判斷出：基于強(qiáng)風(fēng)產(chǎn)生的氣流流動(dòng)至建筑結(jié)構(gòu)的開(kāi)孔位置時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的湍流應(yīng)力，而來(lái)自氣流粘性的黏性剪切應(yīng)力參數(shù)顯著低于湍流應(yīng)力參數(shù)。當(dāng)氣流通過(guò)建筑表面的開(kāi)孔進(jìn)入建筑內(nèi)部的瞬間，建筑表面開(kāi)孔位置的周圍會(huì)產(chǎn)生旋渦。在旋渦的作用下，建筑結(jié)構(gòu)開(kāi)孔位置處于靜止?fàn)顟B(tài)的流體會(huì)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(jié)構(gòu)的下部位置[4]。為了判斷黏性剪切應(yīng)力與能量耗散參數(shù)之間的關(guān)系，利用邊界層理論分析方法對(duì)二者進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明：建筑結(jié)構(gòu)開(kāi)孔位置的黏性剪切應(yīng)力參數(shù)大于能量耗散參數(shù)。此外，邊界層理論的應(yīng)用還可以將能量耗散的產(chǎn)生原因分析出來(lái)：在建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)致內(nèi)壓中，開(kāi)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(yīng)力、流經(jīng)建筑表面開(kāi)孔的主流流體中的旋渦破碎引發(fā)的[5]。從這個(gè)角度來(lái)講，能量耗散與建筑結(jié)構(gòu)開(kāi)孔壁面的黏性剪切應(yīng)力參數(shù)無(wú)關(guān)。

3結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有研究資料的分析可以發(fā)現(xiàn)：大部分學(xué)者在分析建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)致內(nèi)壓的過(guò)程中，都會(huì)將非定常伯努利方程作為基本工具。建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)致內(nèi)壓的特殊性（有旋、有黏性）對(duì)非定常伯努利方程所得研究結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生了一定干擾。為了更好地分析風(fēng)致內(nèi)壓，可以利用邊界層理論替換原本的工具。結(jié)果表明：建筑結(jié)構(gòu)縫制內(nèi)壓中的能量耗散與建筑開(kāi)孔位置的黏性剪切應(yīng)力無(wú)關(guān)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]熊捷.建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)致瞬態(tài)內(nèi)壓響應(yīng)及內(nèi)外壓相關(guān)性研究[D].華南理工大學(xué),2014.

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