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建筑結(jié)構(gòu)風致內(nèi)壓理論
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(guān)參數(shù)將流體的傳熱規(guī)律和阻力大小推斷出來。

  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(guān)參數(shù)將流體的傳熱規(guī)律和阻力大小推斷出來。

  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(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(guān))。

  2建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)風致內(nèi)壓分析結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中,可以將其開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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的來流域迎風面為垂直關(guān)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)。

  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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guān)系,利用邊界層理論分析方法對二者進行詳細對比。對比結(jié)果表明:建筑結(jié)構(gòu)開孔位置的黏性剪切應力參數(shù)大于能量耗散參數(shù)。

  3結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)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(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孔位置的黏性剪切應力無關(guān)。

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