仿生学启发高层建筑：在雷诺数为10^4风力作用下仙人球形建筑的响应分析

1、仿生学启发高层建筑：在雷诺数为104风力作用下仙人球形建筑的响应摘要：研究高宽比较大的高层建筑的空气动力学响应时，应用仿生技术不仅可以提高风力承载能力，而且还可以减少材料用量和建筑物造价，通过提供自身遮阳和控制气流以促进风力发电和空气流通。为此，通过风洞实验，模拟光滑和粗糙的大气边界层气流，获得高宽比为15：1圆柱体的顺风向和横风向的响应。分别对扁平状和穹顶状顶部进行研究，确定顶部形式对实验的影响。模仿树形仙人球的圆柱体环绕有24个沟槽，该构造在低紊流度的流场中，与光滑圆柱体相比顺风向振动引起的基底剪力和倾覆力矩有较大减少（20%）。穹顶状顶部相比扁平状顶部也可以有效减少剪切作用。横风向振动引

2、起的底部剪力和倾覆力矩没有显著变化。通过振动谱测定涡旋脱落附近的振幅一般是没有变化的，但是仙人球形建筑有更高的斯特劳哈尔数表明其具有更高的振动频率，可能归结于一个断面收缩的尾波。关键字：仿生学、高层建筑几何、风荷载1 引言城市化被视为未来40年人口数量变化的关键因素（联合国，2012）。如果人类的通勤和工作依然保持在一个稳定的水平，很明显城市的密度就必须提高。这表明，在全球大城市的绝大多数地区，建筑物的平均高度必须提高，而不是仅仅在一些被选定的城市和确定大小的发达城市，建筑物不一定需要建的很高，但是需要有更大的高宽比，这往往引起气动效应。当下一些典型的城市高层建筑高宽比一般不超过10:1，原来

3、的国际贸易中心双子塔是7:1。随着建筑技术的进步，现在高宽比接近20:1的高层建筑计划被修建，当务之急是对较大高宽比高层建筑进行一般性的研究。提高建筑密度不仅仅是建得更高，而且还要建的更快、更安全和更轻。新的建造技术例如工厂化模块式建造导致细长的建筑物对风的影响更加敏感，这是由于为了在人口稠密的城市地区建立细长，更轻的结构，它们的重量有所减少，不通过减小建筑面积降低横风向的气动响应不失为一种有效的解决方案。对于这样的情况，增大几何尺寸，提高气动响应的传统方法，如变为锥形，倒角或改进建筑形状，都可能导致大量的建筑面积损失和减少模块化建筑的重复使用能力。在初步设计上做少量的修改，有可能会改变影响区

4、域的深度，这可以在保证空间利用率和可重复使用的前提下减少造价。城市增长一个的影响是城市内能源的消耗和建筑物内机械的使用效率，通过自身形状和自然风的空气流通将越来越重要。为了确保这些更高、更细长的物体经济性的保持稳定，自然界通过生物进化提供了很实用的例子。其中一个就是树状仙人球（德州油柱）。他们在美国西南部的沙漠中被发现，可以长到15米高而且高宽比可以超过20，这些仙人球具有典型的结构形式，进化使他们具有一个有效的体系在不需要森林保护的情况下去抵御环境荷载。这种仙人球暗示了一个生物仿生方法去解决未来的城市化问题。带有深槽近似圆形的树干，这些仙人球已经启发了很多研究，有很多集中在基底剪力上（顺风向

5、响应），忽视了横风向响应的研究，他是更有可能决定高层建筑的设计因素。本论文提供一个近期风洞试验的结果，使人更好的理解环绕有深槽的细长圆柱体在一些典型风荷载作用下得气动响应。下一段中，会对仙人球状物体的气动特性研究背景进行介绍。然后会详细介绍实验方案和结果，并讨论响应和振动荷载。在内力作用和减少阻力方面将与前人的研究进行对比。最终的结论是通过仿生学的高效性去解决城市化的急迫需求。除此之外，我们从大自然学到的能力应该延伸向整体性的设计，他可以不仅可以处理高层建筑抗风的问题，而且同时用于热力作用的影响、风力发电、自然光的利用和通风策略。2研究背景在空气动力学和水动力学方面运用生物仿生学并不新奇。风荷

6、载作用下的振动减阻和静力学作用引发了很多关于能量损耗的研究。重新提及这个主题，Bushnell和Moore（1991）详细介绍了利用大自然成功的案例通过改变表面粗糙度发明了低阻尼装置，紊流特征通过流体过羽毛模拟。Bushnell表明仙人掌形可以减小阻力但是没有量化他的观点。Hodge（1991）报道了在西南沙漠地区树状仙人球可以在高宽比超过20的情况下生长，它按照生长年限的不同具有10-30个，典型的深槽深度约为直径的7%。有一个纵向的实验（Pierson和Turner，1998），每个月对树形仙人掌进行风力作用，其期限承载能力为22m/s，表明了这种仙人球的空气动力效应方面的潜力。表-1总结

7、了近期对仙人球状物体的研究，一些个人研究将在下文进行详细介绍。3实验步骤风洞试验在加拿大Western Ontario大学Alan G. Davenport 风工程中心的 BLTW 1 风洞进行。这个开放式风洞宽2.4m，高2m，并在预留了33m用于制造边界层。两次模拟，以1:500的比例分别模拟一个光滑的乡村地形和一个粗糙的城市地形，用于本次研究。平均速度和湍流强度分布如图-1和图-2所示，它们分别代表开阔地带和城市。被证实，其与目标值具有良好的一致性。我们通过3D打印制作两个高宽比为15（高度比直径）的轻质模型。模型直径是60mm（+/-0.2mm）厚度为1mm。一个模型为光滑圆形，另一个

8、有树状仙人掌式深槽，圆柱形上环绕有24个深度为5.9mm的垂直深槽。每个模型在底部和总高度的2/3处设置铝加劲缸。模型有两个可更换的端部，扁平状顶部或穹顶状顶部。对于锯齿状的圆柱体深槽以锥形上升到穹顶中点。图-3有锯齿形模型的详细介绍。光滑的模型经过试验它将被00.5mm（通过筛选80%通过0.84mm，20%通过0.42mm）大小的砂粒以020颗/平方厘米的密度打磨粗糙。概念性的相对粗糙度k/d为8.3×10-3。高频力平衡（HFFB）是用来测量底剪力和弯矩。光滑圆柱体普遍频率HFFB系统为36Hz，锯齿形的圆柱体因为稍重频率为26Hz。综合考虑数据收集、分析和演示，所有试验采集的

9、数据都在150Hz。数据采用频率为18-20Hz的低通滤波排除HFFB系统自然振动频率的干扰。70Hz的低通滤波的“原始数据”也被记录下来。三个模型分别进行了两次模形和两种顶部造型，而对于锯齿型，测试了2个风向（0°和7.5°）对应与前端或上游山谷的中心线。每次试验风洞中风速以0.5m/s为阶梯从2.5m/s升至5m/s。这意味着实验的雷诺数范围为1-2×104。众所周知往往实际情况要高100-1000倍，将限制最终的结果，但是仙人球具有锯齿状研究表明它通常不受雷诺数的影响。记录数据是顺风向和侧风向的矩系数包括均值，标准差和波谱。基底剪力和弯矩系数在顺风向（x）和

10、侧风向（y）可定义为：其中，Fx，Fy，Mx和My是x，y方向上的基底剪力和弯矩，为气体的密度，U代表顶部风速，D为直径，H为高度。4结果风洞试验的结果通过基底剪力、弯矩与雷诺数的函数表示。平均值和振幅考虑了外部条件（开阔地带或城市）、形状（光滑，粗糙或仙人球形）和顶部造型（扁平或穹顶状）。4.1平均数据图-4显示了顺风向平均基底剪力和倾覆弯矩。主要特征是有锯齿模型的基底剪力和倾覆弯矩显著的低于（20-30%）光滑的和粗糙的圆柱体。同样这样的影响还表现在较大紊流和平均剪切速度相关的参数上，表明城市边界层可以减小顺风向的平均剪力。值得一提的是八种圆柱体的配置具有一定的延续性，粗糙的模型在雷诺数相

11、同的情况下阻力和弯矩将减小。同时还表明穹顶屋顶较扁平状屋顶具有更小的阻力和弯矩。最终，图-4和随后的结果证明仙人球的角度对结果影响不大。4.2振动数据图-5提供了顺风向基底剪力、横风向剪力和倾覆弯矩（CMD和CML）。类似平均结果，仙人球状相对于光滑和粗糙的圆柱体在顺风向振动引起的基底剪力和弯矩也具有更好的空气动力学特性。变雷诺数的实验和外部环境为开阔乡村或城市的试验数据详见图-5a和图-5c。任何配置和外部环境下，雷诺数的改变在顺风向对结果没有影响。一个光滑的圆柱体在雷诺数为104-105的均匀流中也是一致的（Williamson, 1996）。此外，扁平状顶部和穹顶状的顶部在顺风向振动参数

12、上没有表现出不同。有趣的是光滑和粗糙的圆柱体在顺风向振动荷载上只有一些细微的差别。横风向振动引起的基底剪力和倾覆弯矩参数（图-5b和d）数据根据不同外部条件成组，在任意雷诺数下外部环境为城市时横风向剪力和弯矩都大于开阔环境时的数据。在两组数据（城市和开阔乡村）中，对于光滑和粗糙圆柱体参数随雷诺数变化不明显，然而对于仙人球状的圆柱体奇怪的是在从雷诺数最低时加载，参数开始会随之增长，到雷诺数大于1.2×104时其保持稳定。在城市环境下，雷诺数大于104时仙人球状在横风向风荷载表现稍好，但是当雷诺数大于1.2×104，光滑和粗糙的圆柱体表现更好。顶部形状（扁平状或穹顶状）对横风向

13、振动荷载影响不大。4.3谱分析光滑的和仙人球状的圆柱体，在开阔地带和城市中顺风向和横风向基底剪力和弯矩的数据详见图-6和图-7。实验时，雷诺数为1.8×104而且是降频绘制。顺风向和横风向基底弯矩的功率谱密度系数CM(f)，通过计算1500个×30组中的45000个数据点得到。每个块都进行FFT系统分析，所得到的谱进行全体平均并平滑使用Hanning window重叠50%。最后，横风向数据均遵守以下规律：其中，SM(f)为频率为f、基地弯矩信号的方差为2时的振幅。图-6所示为顺风向谱，圆柱体和仙人球形几乎没有差别，而且开阔地带和城市对其也没有影响。这是因为顺风向阻力主要受

14、自由紊流影响，纵向速度波动的频谱与峰值比减少约10-2。5.讨论5.1 平均值讨论均匀流中，圆柱体的阻力参数（Cd0.57-0.65）相对二位圆柱体（Cd=1.17）要更小。（Farivar，1981）图-4所示，在紊流边界层中，对于一个细长的圆柱体其参数和Kareem和Cheng（1999）的数据吻合。Talley和Mungal提出，在亚临界实验中，仙人球状对比光滑和粗糙的圆柱体具有更小的平均阻力。同时作者还提出粗糙的圆柱体比光滑的Cd值更高，结论同样和本文结果一致。这些发现采用了名义上的二维物体，对于平均阻力类似于无穷大的物体；但是，仙人球状比光滑圆柱体的表现要好大约20%，图-4a中有对

15、比的数据。Babu和Mahesh的数据分析实验提出见效表面压力的方法（尽管雷诺数很小），在低功力循环流中，沟槽可以减小表面压力和模型附近的压力。Liu et al.（2011）（同样是低雷诺数）仔细观察测量后提出一个二维的仙人掌，形成卡门漩涡位置向下移动18%。靠近地基范围被所谓的“剪切层模式”主导。促进相关延长涡流形成区域，倾向于减少负压力，这将降低风压引起的地基阻力。因此，可以假定在外部环境相同的情况下，圆柱体和仙人球状在阻力方面的不同取决于长度方向的沟槽和伴随唤醒涡流形成的伸长。更多的，边界层的存在在两方面减小了空气动力学荷载：潜在的平均剪力和通过激励和剪力层分离，紊流的内部作用。Par

16、k和Lee提出，边界层动力的阻抗对比均匀流，引起尾流宽度和尾长减小，同样减小物体宽度范围内涡旋脱落的连贯性。同时，在亚临界状态下，物体周围自由流提高紊流度有如下影响：（1）减少分离（Niemann and Hölscher,1990），（2）促使早期剪力层分离的过渡；该作用增大紊流度减小平均激振幅度。二者引起了顺风向平均风荷载的减小，如图-4a和b所示。穹顶和扁平状顶部模型的不同可以描述为流体从被激励到变为自由所用长度的不同。5.2振动的结论遗憾的是，在边界层中，对于细长圆柱体振动荷载的比较十分困难。过去的研究集中在二维“无限长”圆柱体，或者低高宽比物体，或者在均匀流中实验。同时，雷

17、诺数的控制也有显著的差别。事实上，近期的研究发现真正的标准差系数远低于论文所述。相比，Fox和Apelt（1993）测量了光滑圆柱体（高宽比控制在4-25）在低紊流度的均匀流中脉动截面升力系数，发现脉动截面升力系数从0.15变化到0.4（H/D=15时的地基处）。需要注意的是，超过悬臂长度的这些截面系数会降低整体脉动升力的大小，而在剪切湍测量中得到的数据比这个大五倍多并不奇怪。奇怪的是，由于Fox实验中缺失了自由湍流，有效截面阻力系数从0.06变化到0.15尖端附近（H/D=15时的地基处），这里是测量相同大小的有效截面阻力系数的基础。对于更多相关的流场，在开放地带和城市中分别曝光方形截面模型

18、的侧风基底弯矩系数是0.13/0.14相比于图5d中呈现的是0.03/0.055。有趣的是要注意周等（2003）观察到顺风基底弯矩标准差系数的一个下降趋势而相比于对应上升趋势的平方模型。 Kareem和Cheng（1999）在研究高层建筑的模型侧风加载时发现了相关统计模型的高度即''宽带''条件：包括整个频率范围以内，同时也发现了''窄带''相关涡脱落的影响。他们称宽窄带波动次侧风力量在高自由流湍流减弱说明自由流湍流是趋于减弱相关长度及相关涡。 5.3谱结果在二维均匀流中，光滑圆柱体涡旋脱落发生在降频和斯特劳哈数为0.2。然而，Fox和Alept，（1993）和Farivar（1981）提出，该模