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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生的，這個薄層就是邊界層。根據上述特點，可以借助流體的相關參數將流體的傳熱規律和阻力大小推斷出來[1]。

1.2邊界層理論的分析方法

大雷諾數的流動區域被流體邊界層劃分成兩個不同的區域，其中，外部區域不存在粘性問題，因此可以將其稱之為無粘性流動區；而另一區域處于流體粘性的作用下，因此其分析難度相對較高。對此，可以將該區域（或粘性流體）的分析方法確定為：在不考慮大雷諾數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、壓力參數以及速度參數等估算出來。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據參考。

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生回流現象。該現象的原理為：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流體動量的變化（逐漸降低）。此時，當邊界層出現分離變化時，將會在物體表面形成一定尺寸的漩渦，同時引發能量耗散（能量耗散參數大小與漩渦有關）。

2建筑結構風致內壓理論分析

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壓理論進行分析：

2.1建筑內壓的變化原理方面

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。當外界環境中出現強風時，建筑內會產生風致內壓，這種因素會引發建筑總風荷載的變化。在強風作用下，外部環境中的氣流通過建筑結構的各個開孔進行流通，此時，建筑內壓將會產生極為明顯的變化。當強風達到一定程度時，建筑物可能會出現玻璃幕墻破碎、建筑物倒塌等事故。

2.2建筑結構風致內壓的分析工具

通過對以往學者研究的分析可知：大多數學者利用非定常伯努利方程作為分析建筑結構風致內壓的工具[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境中。而就建筑結構風致內壓而言，氣流在建筑內部的流通會產生旋流氣體，且這種流體具有一定的粘性。為了保證建筑結構風致內壓分析結果的準確性，這里將邊界層理論作為風致內壓的分析工具（邊界層理論的適用范圍與風致內壓的特點相符）。

2.3邊界層理論下的建筑結構風致內壓

無論湍流強度大小如何，當其進入存在開孔的建筑內部之后，會在開孔的作用下轉化成湍流。在建筑結構中，可以將其開孔位置的氣流特性描述為：在建筑內部結構中，氣流的流通不會與建筑壁面產生接觸[3]。從這個角度來講，可以認為氣流在建筑結構內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。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。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壓。

2.4基于風致內壓的建筑能量損失

部分學者在分析建筑結構風致內壓的過程中指出：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，可以作出如下分析：將邊界層理論引入建筑結構風致內壓的分析過程之后，可以判斷出：基于強風產生的氣流流動至建筑結構的開孔位置時，會產生相應的湍流應力，而來自氣流粘性的黏性剪切應力參數顯著低于湍流應力參數。當氣流通過建筑表面的開孔進入建筑內部的瞬間，建筑表面開孔位置的周圍會產生旋渦。在旋渦的作用下，建筑結構開孔位置處于靜止狀態的流體會被旋渦產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大于能量耗散參數。此外，邊界層理論的應用還可以將能量耗散的產生原因分析出來：在建筑結構風致內壓中，開孔位置的能量耗散是由不同流體（分別處于不同狀態）各自的湍流剪切應力、流經建筑表面開孔的主流流體中的旋渦破碎引發的[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無關。

3結束語

通過對現有研究資料的分析可以發現：大部分學者在分析建筑結構風致內壓的過程中，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生了一定干擾。為了更好地分析風致內壓，可以利用邊界層理論替換原本的工具。結果表明：建筑結構縫制內壓中的能量耗散與建筑開孔位置的黏性剪切應力無關。

作者:張文倩 單位:泰山學院

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.開孔結構風致內壓及屋蓋風振響應的數值模擬研究[D].重慶大學,2012.

[3]熊捷.建筑結構風致瞬態內壓響應及內外壓相關性研究[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場實測和風洞試驗及理論分析研究[D].湖南大學,2011.