董 欣，鄒云峰

(1. 同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團)有限公司，上海 200092；2. 上海防災(zāi)救災(zāi)研究所，上海 200092；3. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南，長沙 410075)

擾流板(spoiler)的起源最早可追溯至生物界，飛鳥落地前翅膀上表面小羽翼展開以減小升力。德國工程師觀察到此現(xiàn)象，將其衍生并應(yīng)用于飛機機翼，以削弱或推遲流體的分離運動，避免飛機產(chǎn)生失速。由于擾流板的輕質(zhì)、小體積、簡易等特點[1]，后續(xù)學(xué)者繼續(xù)將該裝置推廣至結(jié)構(gòu)風工程領(lǐng)域。對于低矮建筑，擾流板可減小有組織的旋渦(如分離泡和錐形渦)在建筑物表面誘導(dǎo)產(chǎn)生的強風吸力[2]；對于高層建筑，擾流板可破壞脫落旋渦的相干性，從而減小建筑物的橫風向荷載[3?4]。

本文的研究載體為低矮建筑。就低矮建筑而言，擾流板同時適用于平屋蓋、雙坡屋蓋和曲面屋蓋的抗風設(shè)計。Wu[5]在低矮建筑平屋蓋周邊設(shè)置了擾流板。通過風洞測壓試驗，給出了擾流板長度對于屋蓋表面面積平均風壓的影響。結(jié)果表明，擾流板可有效減小迎風角附近的強風吸力，并抑制風壓脈動。Trung 等[6]研究了擾流板對于低矮建筑頂部多孔遮陽屋面板風壓、風壓概率密度函數(shù)以及上、下表面風壓相關(guān)系數(shù)的影響。指出，相比于固體護墻和透孔護墻，擾流板對于減小多孔遮陽屋面板表面風壓的效用更為顯著；當擾流板高度增加，其效用減弱。Kopp 等[7]在雙坡屋蓋(坡度4∶12)周邊設(shè)置了擾流板，發(fā)現(xiàn)此時屋蓋所有區(qū)域(角部、邊緣、內(nèi)部)的風吸力均有所減小?？紤]到雙坡屋蓋屋脊附近可能產(chǎn)生的強吸力，Ozmen 等[8]沿雙坡屋蓋(坡度3∶12)邊緣和屋脊兩側(cè)設(shè)置不同高度的擾流板。指出當擾流板高度合宜，屋蓋中心線、迎風角附近和屋脊端部的極值風吸力均有所降低；當擾流板高度減小，屋面吸力的降幅將更為顯著。Franchini 等[9]沿不同曲率曲面屋蓋的迎風邊緣設(shè)置擾流板，以分析其對曲面屋蓋表面風吸力的影響。指出擾流板下部為高壓力區(qū)，上部和后部為低壓力區(qū)，如此壓力梯度催生了與屋蓋表面平行的射流。該射流促使錐形渦遠離屋蓋表面，以減小其誘導(dǎo)下的平均吸力。為了探究擾流板形狀參數(shù)的影響，Li 等[10]在雙坡屋蓋(坡度7∶12)邊緣和屋脊處分別設(shè)置擾流板，研究屋面風吸力隨擾流板高度、寬度和傾角的變化。結(jié)果表明，當擾流板設(shè)置在山墻上部時，可顯著減小屋面風吸力，擾流板較優(yōu)傾角為10°～25°；而設(shè)置在屋脊上部的擾流板對于屋面風吸力的影響并不顯著[11]。上述研究表明，擾流板可用于減小低矮建筑表面風荷載，但其缺點在于來流作用下，擾流板表面可能出現(xiàn)較大風吸力，進而對其產(chǎn)生一定的破壞性[5,7,10]。對此，Khodakarami 等[12]提出并論證了一種構(gòu)想——在建筑頂部邊緣安放倒置的機翼型擾流板，如此擾流板表面形成向下的風壓力，可減小結(jié)構(gòu)側(cè)移和基底傾覆力矩。

綜上，國內(nèi)外學(xué)者均通過風洞試驗，驗證了擾流板對于減小不同類型屋蓋表面風壓的有效性。然而，研究較多針對錐形渦作用工況，其對于分離泡誘導(dǎo)的風壓特性影響尚不明確。此外，上述文獻中已有關(guān)于擾流板長度和高度影響的研究；實質(zhì)上，擾流板傾角也將顯著影響屋蓋表面的風壓特性。因此，本文考察了分離泡作用下，設(shè)置不同傾角擾流板前后，平屋蓋表面風壓特性及結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)的變化；基于此，分析了擾流板作用機理，并給出了所考察工況范圍內(nèi)的擾流板推薦傾角。

1 風洞試驗

1.1 風場模擬

本文風洞試驗是在湖南大學(xué)風工程試驗研究中心HD-2 大氣邊界層風洞中完成的。試驗段寬3 m、高2.5 m、長17 m。參考點設(shè)置在屋蓋高度處，該處風速為10 m/s。試驗地貌為B 類，相應(yīng)的風速剖面、湍流度分布及參考點處的脈動風速譜模擬結(jié)果見圖1。

圖1 風洞中對大氣邊界層的模擬(B 類地貌)Fig. 1 Simulation of Terrain B in wind tunnel

1.2 模型設(shè)計

試驗?zāi)Ｐ蜑槠轿萆w(圖2)，邊長D為600 mm，高H為200 mm，幾何縮尺比1∶200。分別在3 個試驗?zāi)Ｐ捅砻嬖O(shè)置不同幾何參數(shù)的擾流板，另保持1 個試驗?zāi)Ｐ捅砻鏌o擾流板。擾流板幾何參數(shù)如表1 所示。平屋蓋表面測點布置如圖3 所示。試驗風向角為0°～45°，間隔5°。由于分離泡的產(chǎn)生工況為垂直風向[13?15]，故文中研究均針對0°風向展開。

表1 試驗?zāi)Ｐ图皵_流板設(shè)置Table 1 Experimental models and settings of spoilers

圖2 試驗?zāi)Ｐ虵ig. 2 Experimental model

圖3 測點布置圖 /mmFig. 3 Tap locations

試驗中，采用電子壓力掃描閥對模型表面風壓進行同步測量。采樣頻率為325 Hz，每個測點采集6600 個數(shù)據(jù)，采樣時長20.3 s。

2 試驗結(jié)果和討論

2.1 風壓統(tǒng)計值

2.1.1 平均和脈動風壓分布

圖4 和圖5 分別給出了FM1、FRL1、FRL2和FRL3 表面的平均和脈動風壓分布?？梢姺蛛x泡誘導(dǎo)下，四種模型表面較強風吸力(脈動)均位于屋蓋前半部分[16]。相比而言，F(xiàn)M1 表面強吸力(脈動)所占區(qū)域面積較大；設(shè)置擾流板后，強吸力(脈動)集中在迎風前緣附近。在四種屋蓋的后半部分，風吸力(脈動)分布趨于均勻。

圖4 平均風壓分布Fig. 4 Distribution of mean pressure

圖5 脈動風壓分布Fig. 5 Distribution of fluctuating pressure

2.1.2 平均和脈動風壓剖面

本節(jié)進一步量化對比設(shè)置擾流板前后，分離泡誘導(dǎo)下平屋蓋表面風壓數(shù)值的變化。考慮到分離泡誘導(dǎo)的順風向風壓具有統(tǒng)一特性[17?18]，故以圖3 中的Column1 為研究對象，繪制該列測點的平均和脈動風壓剖面，如圖6 所示。圖中采用FM1 表面分離泡再附長度0.5D對橫坐標進行無量綱化處理。需要說明的是，分離泡再附長度的確定參考了Akon 等[19]和Kim 等[20]的PIV(particle image velocimetry)風洞試驗結(jié)果。

由圖6 可見，設(shè)置擾流板前后，平屋蓋表面平均和脈動風壓剖面均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。所不同的是，設(shè)置擾流板后，風壓剖面峰值更加靠近迎風前緣，這預(yù)示著分離泡縱向尺寸減小。對比圖中的風壓數(shù)值可見，在y<0.05D范圍內(nèi)(迎風前緣附近)，F(xiàn)RL1、FRL2 和FRL3 表面平均和脈動風壓將大于無氣動措施的工況(FM1)；這就是說擾流板可能增大平屋蓋迎風前緣附近風壓。除此范圍之外的平均和脈動風壓均減小。

圖6 平均和脈動風壓剖面Fig. 6 Profiles of mean and fluctuating pressure

2.1.3 風壓偏度和峰度分布

為了量化設(shè)置擾流板前后，平屋蓋表面風壓高階矩的變化特征，仍以Column1(圖3)作為研究對象，繪制該列測點風壓時程的偏度和峰度剖面，如圖7 所示。

根據(jù)圖7，在FM1 表面，風壓時程偏度和峰度絕對值在順風向呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢；FRL1、FRL2 和FRL3 表面風壓偏度和峰度變化明顯趨于平緩。與FM1 相比，在靠近迎風前緣的局部范圍內(nèi)(y<0.1D)，F(xiàn)RL1、FRL2 和FRL3 表面風壓偏度和峰度絕對值顯著降低。從y=0.2D開始，四個模型表面風壓高階矩趨于接近。

作為判別風壓非高斯特性的量化指標[21?23]，Kumar 指出當風壓時程偏度和峰度的絕對值分別大于0.5 和3.5 時，可認為風壓服從非高斯分布；否則，則認為風壓服從高斯分布[21,24]。由圖7 可見，當平屋蓋周邊設(shè)置擾流板，且擾流板傾角為10°和20°時，分離區(qū)內(nèi)風壓趨于高斯分布。

圖7 風壓時程偏度和峰度剖面Fig. 7 Profiles of skewness and kurtosis of wind pressures

2.2 風壓互相關(guān)性

2.2.1 順風向風壓互相關(guān)性

根據(jù)本文2.1.2 節(jié)中的風壓剖面，推測設(shè)置擾流板后，平屋蓋表面分離泡縱向長度可能減小。本節(jié)通過順風向風壓互相關(guān)系數(shù)，進一步考察擾流板對于分離泡縱向長度的影響。以Column1(圖3)中迎風前緣處的測點為參考點，繪制其余測點與參考點的風壓互相關(guān)系數(shù)，如圖8 所示。圖中橫坐標采用分離泡的再附長度0.5D進行無量綱化處理。

圖8 順風向風壓相關(guān)系數(shù)曲線Fig. 8 Longitudinal correlation coefficients

為便于比較，采用Saathoff 等[25]提出的式(1)量化順風向風壓相關(guān)長度，計算結(jié)果如表2 所示：

表2 順風向風壓相關(guān)長度對比Table 2 Longitudinal correlation length

式中：Rpp為順風向風壓相關(guān)系數(shù)；l為積分范圍(0.5D)。

由圖8 可見，在FM1 表面，順風向風壓相關(guān)系數(shù)隨著與參考點距離的增加而減??；從測點列的中點開始，相關(guān)系數(shù)轉(zhuǎn)為負值，這可能與分離泡誘導(dǎo)下風壓脈動的駐波特性和反饋機制有關(guān)[26?27]。對于FRL1、FRL2 和FRL3，順風向風壓相關(guān)性在y<0.1D范圍內(nèi)加速衰減；其中，F(xiàn)RL3 表面順風向風壓相關(guān)性的衰減速率最快。風壓相關(guān)性的衰減速率直接體現(xiàn)為相關(guān)長度的數(shù)值：FM1 表面順風向風壓相關(guān)長度最大；設(shè)置擾流板后，該相關(guān)長度隨著擾流板傾角的增大而減小。據(jù)此可以推測，當擾流板傾角增大，分離泡縱向尺寸減小，且強度也可能減弱。

2.2.2 橫風向風壓互相關(guān)性

Kiya 等[27]指出分離泡在橫風向呈現(xiàn)發(fā)卡渦的形狀，即其誘導(dǎo)下的風壓在橫風向亦具有一定的相關(guān)特性[28]?？紤]到分離區(qū)內(nèi)不同部位風壓橫風向相關(guān)特性可能各異，本節(jié)在平屋蓋表面隨機選取6 行測點(圖3)，以每行右側(cè)端部首個測點為參考點，計算其余點與其風壓互相關(guān)系數(shù)，并采用式(1)量化各測點行的橫風向風壓相關(guān)長度，如圖9所示。

圖9 橫風向風壓相關(guān)長度Fig. 9 Transverse correlation length

對于FM1，當y<300 mm 時，橫風向風壓相關(guān)長度基本接近；這就是說，在分離泡作用范圍內(nèi)，風壓在橫風向具有相似的相關(guān)特性。在再附點處(y=300 mm)，橫風向相關(guān)長度顯著減??；此時，剪切層中高頻、小尺度湍流成分增多[26]，旋渦脫落進程加快，風壓橫風向相關(guān)性減弱。

對于FRL1、FRL2 和FRL3，其迎風前緣附近的橫風向相關(guān)長度小于FM1(降幅約27%)；在50 mm

2.3 屋面整體合力(矩)及結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)

2.3.1 整體合力和傾覆力矩

如2.1 節(jié)所述，設(shè)置擾流板后，平屋蓋迎風前緣附近風壓增大，其余部位平均和脈動風壓均減??；綜合作用下，其對平屋蓋表面整體合力和傾覆力矩的影響尚不得知。本節(jié)即考察設(shè)置擾流板后，平屋蓋表面整體合力和傾覆力矩的變化。

分別采用式(2)和式(3)計算整體合力和傾覆力矩(圖10)[29](由于來流風向為0°，故本節(jié)僅考察繞x′軸的力矩Mx)。

圖10 整體合力和傾覆力矩示意圖Fig. 10 Schematic of total uplift force and overturning moment

式中：CF(t)為整體合力系數(shù)；Cpi(t)為測點i的風壓系數(shù)時程；Ai為測點i的附屬面積(采用Voronoi法進行劃分[30])；n為目標區(qū)域內(nèi)的測點總數(shù)；CMx為整體傾覆力矩系數(shù)；dy為合力作用點與x′軸的距離。

圖11 給出了FM1、FRL1、FRL2 和FRL3 表面整體合力CF、傾覆力矩CMx的均值和標準差。

圖11 平屋蓋表面整體合力(矩)的均值和標準差Fig. 11 Mean and standard deviation of total uplift force and overturning moment

在整體合力方面，相比于FM1，當擾流板傾角為0°、10°和20°時，平屋蓋整體合力均值分別減小6.3%、8.2%和6.6%，標準差變化較小。在傾覆力矩方面，相比于FM1，當擾流板傾角為0°、10°和20°時，平屋蓋傾覆力矩均值分別減小18.2%、21.9%和23.3%，標準差分別減小8.0%、9.9%和16.3%。這就是說，平屋蓋傾覆力矩將隨著擾流板傾角的增大而減小。

建立健全越商信息員制度，及時掌握越商創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新工作情況，撰寫反映越商創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新工作的信息和簡報，通過各類媒體，多種形式報道在反哺家鄉(xiāng)建設(shè)、捐助慈善公益事業(yè)等方面有重大貢獻的越商的先進事例，宣傳越商的非凡成就，彰顯越商社會責任，擴大越商發(fā)展影響，提升越商品牌價值。

2.3.2 主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)

2.3.1 節(jié)量化了設(shè)置擾流板后，平屋蓋整體合力和傾覆力矩的變化。該變化將通過屋蓋結(jié)構(gòu)傳遞至主體結(jié)構(gòu)。本節(jié)即建立足尺平屋蓋結(jié)構(gòu)三維模型(圖12)，設(shè)置一組假設(shè)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件參數(shù)；根據(jù)測壓試驗結(jié)果，在各附屬面積內(nèi)分別施加經(jīng)換算后的風荷載，對結(jié)構(gòu)進行靜力響應(yīng)分析，以考察結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)的變化。

圖12 平屋蓋結(jié)構(gòu)三維模型Fig. 12 Three dimensional model of flat roof

圖13 分別對比了靜力響應(yīng)分析所得四種模型柱底軸力、柱底彎矩My(柱底彎矩Mx的變化趨勢同My)和屋蓋跨中位移。為便于比較，圖中縱坐標均設(shè)置為增量：100%×(FRL1/FRL2/FRL3 響應(yīng)-FM1 響應(yīng))/FM1 響應(yīng)。

圖13 結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)對比Fig. 13 Comparison of structural internal force

由圖13 可見，設(shè)置擾流板后，平屋蓋結(jié)構(gòu)柱底軸力、柱底彎矩和跨中位移均有所減小。相比而言，當擾流板傾角為10°時，其用于減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)的效用最為顯著。此時，柱底軸力、柱底彎矩My和跨中位移的最大降幅分別為13.1%、15.6%和10.1%。

2.4 關(guān)于擾流板效用的討論

2.4.1 擾流板作用機理分析

圖14 擾流板作用機理示意圖Fig. 14 Effect of spoiler on separation bubble

如此，分離泡誘導(dǎo)下的平屋蓋表面大部分區(qū)域風吸力減小。雖然迎風前緣附近的風吸力有所增大，但該區(qū)域風壓非高斯脈動特性減弱，風壓順風向和橫風向相關(guān)性衰退。這就是說，分離區(qū)風壓時程中出現(xiàn)瞬時強脈沖的概率減小，且個別點處發(fā)生的大幅值吸力脈動并不會帶動周邊點形成聯(lián)動效應(yīng)。分離泡誘導(dǎo)下平屋蓋表面風吸力的減小還進一步降低了屋蓋整體合力、傾覆力矩和主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)。

2.4.2 擾流板傾角影響分析

基于2.1 節(jié)～2.3 節(jié)的分析結(jié)果，表3 給出了不同傾角擾流板對于減小平屋蓋表面風荷載及結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)的效用。表中用圓點表示有效程度；圓點數(shù)量越多，則效用越突出。

表3 不同傾角的擾流板效用對比Table 3 Effect of spoilers with different inclinations

由表3 可見，擾流板用于減小平屋蓋表面風荷載及結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)的有效性并非與其傾角大小成正比。對比擾流板傾角0°、10°和20°三種工況，綜合平屋蓋表面風壓統(tǒng)計值、風壓相關(guān)性、屋面整體合力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)，得到擾流板推薦傾角為10°。

3 結(jié)論

通過剛性模型風洞測壓試驗，研究對比了不同傾角擾流板對于分離泡誘導(dǎo)下平屋蓋表面風壓特性的影響；分析了擾流板作用機理；并給出了所考察工況范圍內(nèi)的擾流板推薦傾角。所得主要結(jié)論如下：

(1)設(shè)置擾流板后，平屋蓋表面分離泡縱向尺寸減小，其作用區(qū)內(nèi)風吸力降低。值得注意的是，迎風前緣附近局部區(qū)域風吸力有所增大，但該區(qū)域風壓非高斯脈動特性顯著減弱。

(2)擾流板使得分離泡誘導(dǎo)的順風向風壓相關(guān)性減弱：當擾流板傾角為0°、10°和20°時，相關(guān)長度分別減小36.1%、64.8%和69.6%；橫風向風壓相關(guān)性的衰減僅體現(xiàn)在迎風前緣附近，相關(guān)長度降幅約27%。

(3)平屋蓋表面風吸力的減小降低了屋蓋整體合力(矩)。當擾流板傾角為0°、10°和20°時，整體合力均值分別減小6.3%、8.2%和6.6%。屋蓋傾覆力矩與擾流板傾角成反比，其均值和標準差的最大降幅分別為23.3%和16.3%。

(4)除風荷載外，擾流板還將進一步減小主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)。相比而言，當擾流板傾角為10°時，其影響最為顯著：柱底軸力、柱底彎矩My和跨中位移的最大降幅分別為13.1%、15.6%和10.1%。

(5)擾流板通過引導(dǎo)正向射流抵消貼近壁面的逆流，從而破壞分離泡真空狀態(tài)，減小其縱向尺寸，并削弱其作用強度。擾流板效用與其傾角密切相關(guān)。分離泡誘導(dǎo)下，所考察工況范圍內(nèi)的擾流板推薦傾角為10°。