仿生學(xué)啟發(fā)高層建筑：在雷諾數(shù)為10^4風(fēng)力作用下仙人球形建筑的響應(yīng)分析

1、仿生學(xué)啟發(fā)高層建筑：在雷諾數(shù)為104風(fēng)力作用下仙人球形建筑的響應(yīng)摘要：研究高寬比較大的高層建筑的空氣動力學(xué)響應(yīng)時，應(yīng)用仿生技術(shù)不僅可以提高風(fēng)力承載能力，而且還可以減少材料用量和建筑物造價，通過提供自身遮陽和控制氣流以促進風(fēng)力發(fā)電和空氣流通。為此，通過風(fēng)洞實驗，模擬光滑和粗糙的大氣邊界層氣流，獲得高寬比為15：1圓柱體的順風(fēng)向和橫風(fēng)向的響應(yīng)。分別對扁平狀和穹頂狀頂部進行研究，確定頂部形式對實驗的影響。模仿樹形仙人球的圓柱體環(huán)繞有24個溝槽，該構(gòu)造在低紊流度的流場中，與光滑圓柱體相比順風(fēng)向振動引起的基底剪力和傾覆力矩有較大減少（20%）。穹頂狀頂部相比扁平狀頂部也可以有效減少剪切作用。橫風(fēng)向振動引

2、起的底部剪力和傾覆力矩沒有顯著變化。通過振動譜測定渦旋脫落附近的振幅一般是沒有變化的，但是仙人球形建筑有更高的斯特勞哈爾數(shù)表明其具有更高的振動頻率，可能歸結(jié)于一個斷面收縮的尾波。關(guān)鍵字：仿生學(xué)、高層建筑幾何、風(fēng)荷載1 引言城市化被視為未來40年人口數(shù)量變化的關(guān)鍵因素（聯(lián)合國，2012）。如果人類的通勤和工作依然保持在一個穩(wěn)定的水平，很明顯城市的密度就必須提高。這表明，在全球大城市的絕大多數(shù)地區(qū)，建筑物的平均高度必須提高，而不是僅僅在一些被選定的城市和確定大小的發(fā)達城市，建筑物不一定需要建的很高，但是需要有更大的高寬比，這往往引起氣動效應(yīng)。當(dāng)下一些典型的城市高層建筑高寬比一般不超過10:1，原來

3、的國際貿(mào)易中心雙子塔是7:1。隨著建筑技術(shù)的進步，現(xiàn)在高寬比接近20:1的高層建筑計劃被修建，當(dāng)務(wù)之急是對較大高寬比高層建筑進行一般性的研究。提高建筑密度不僅僅是建得更高，而且還要建的更快、更安全和更輕。新的建造技術(shù)例如工廠化模塊式建造導(dǎo)致細長的建筑物對風(fēng)的影響更加敏感，這是由于為了在人口稠密的城市地區(qū)建立細長，更輕的結(jié)構(gòu)，它們的重量有所減少，不通過減小建筑面積降低橫風(fēng)向的氣動響應(yīng)不失為一種有效的解決方案。對于這樣的情況，增大幾何尺寸，提高氣動響應(yīng)的傳統(tǒng)方法，如變?yōu)殄F形，倒角或改進建筑形狀，都可能導(dǎo)致大量的建筑面積損失和減少模塊化建筑的重復(fù)使用能力。在初步設(shè)計上做少量的修改，有可能會改變影響區(qū)

4、域的深度，這可以在保證空間利用率和可重復(fù)使用的前提下減少造價。城市增長一個的影響是城市內(nèi)能源的消耗和建筑物內(nèi)機械的使用效率，通過自身形狀和自然風(fēng)的空氣流通將越來越重要。為了確保這些更高、更細長的物體經(jīng)濟性的保持穩(wěn)定，自然界通過生物進化提供了很實用的例子。其中一個就是樹狀仙人球（德州油柱）。他們在美國西南部的沙漠中被發(fā)現(xiàn)，可以長到15米高而且高寬比可以超過20，這些仙人球具有典型的結(jié)構(gòu)形式，進化使他們具有一個有效的體系在不需要森林保護的情況下去抵御環(huán)境荷載。這種仙人球暗示了一個生物仿生方法去解決未來的城市化問題。帶有深槽近似圓形的樹干，這些仙人球已經(jīng)啟發(fā)了很多研究，有很多集中在基底剪力上（順風(fēng)向

5、響應(yīng)），忽視了橫風(fēng)向響應(yīng)的研究，他是更有可能決定高層建筑的設(shè)計因素。本論文提供一個近期風(fēng)洞試驗的結(jié)果，使人更好的理解環(huán)繞有深槽的細長圓柱體在一些典型風(fēng)荷載作用下得氣動響應(yīng)。下一段中，會對仙人球狀物體的氣動特性研究背景進行介紹。然后會詳細介紹實驗方案和結(jié)果，并討論響應(yīng)和振動荷載。在內(nèi)力作用和減少阻力方面將與前人的研究進行對比。最終的結(jié)論是通過仿生學(xué)的高效性去解決城市化的急迫需求。除此之外，我們從大自然學(xué)到的能力應(yīng)該延伸向整體性的設(shè)計，他可以不僅可以處理高層建筑抗風(fēng)的問題，而且同時用于熱力作用的影響、風(fēng)力發(fā)電、自然光的利用和通風(fēng)策略。2研究背景在空氣動力學(xué)和水動力學(xué)方面運用生物仿生學(xué)并不新奇。風(fēng)荷

6、載作用下的振動減阻和靜力學(xué)作用引發(fā)了很多關(guān)于能量損耗的研究。重新提及這個主題，Bushnell和Moore（1991）詳細介紹了利用大自然成功的案例通過改變表面粗糙度發(fā)明了低阻尼裝置，紊流特征通過流體過羽毛模擬。Bushnell表明仙人掌形可以減小阻力但是沒有量化他的觀點。Hodge（1991）報道了在西南沙漠地區(qū)樹狀仙人球可以在高寬比超過20的情況下生長，它按照生長年限的不同具有10-30個，典型的深槽深度約為直徑的7%。有一個縱向的實驗（Pierson和Turner，1998），每個月對樹形仙人掌進行風(fēng)力作用，其期限承載能力為22m/s，表明了這種仙人球的空氣動力效應(yīng)方面的潛力。表-1總結(jié)

7、了近期對仙人球狀物體的研究，一些個人研究將在下文進行詳細介紹。3實驗步驟風(fēng)洞試驗在加拿大Western Ontario大學(xué)Alan G. Davenport 風(fēng)工程中心的 BLTW 1 風(fēng)洞進行。這個開放式風(fēng)洞寬2.4m，高2m，并在預(yù)留了33m用于制造邊界層。兩次模擬，以1:500的比例分別模擬一個光滑的鄉(xiāng)村地形和一個粗糙的城市地形，用于本次研究。平均速度和湍流強度分布如圖-1和圖-2所示，它們分別代表開闊地帶和城市。被證實，其與目標值具有良好的一致性。我們通過3D打印制作兩個高寬比為15（高度比直徑）的輕質(zhì)模型。模型直徑是60mm（+/-0.2mm）厚度為1mm。一個模型為光滑圓形，另一個

8、有樹狀仙人掌式深槽，圓柱形上環(huán)繞有24個深度為5.9mm的垂直深槽。每個模型在底部和總高度的2/3處設(shè)置鋁加勁缸。模型有兩個可更換的端部，扁平狀頂部或穹頂狀頂部。對于鋸齒狀的圓柱體深槽以錐形上升到穹頂中點。圖-3有鋸齒形模型的詳細介紹。光滑的模型經(jīng)過試驗它將被00.5mm（通過篩選80%通過0.84mm，20%通過0.42mm）大小的砂粒以020顆/平方厘米的密度打磨粗糙。概念性的相對粗糙度k/d為8.3×10-3。高頻力平衡（HFFB）是用來測量底剪力和彎矩。光滑圓柱體普遍頻率HFFB系統(tǒng)為36Hz，鋸齒形的圓柱體因為稍重頻率為26Hz。綜合考慮數(shù)據(jù)收集、分析和演示，所有試驗采集的

9、數(shù)據(jù)都在150Hz。數(shù)據(jù)采用頻率為18-20Hz的低通濾波排除HFFB系統(tǒng)自然振動頻率的干擾。70Hz的低通濾波的“原始數(shù)據(jù)”也被記錄下來。三個模型分別進行了兩次模形和兩種頂部造型，而對于鋸齒型，測試了2個風(fēng)向（0°和7.5°）對應(yīng)與前端或上游山谷的中心線。每次試驗風(fēng)洞中風(fēng)速以0.5m/s為階梯從2.5m/s升至5m/s。這意味著實驗的雷諾數(shù)范圍為1-2×104。眾所周知往往實際情況要高100-1000倍，將限制最終的結(jié)果，但是仙人球具有鋸齒狀研究表明它通常不受雷諾數(shù)的影響。記錄數(shù)據(jù)是順風(fēng)向和側(cè)風(fēng)向的矩系數(shù)包括均值，標準差和波譜?；准袅蛷澗叵禂?shù)在順風(fēng)向（x）和

10、側(cè)風(fēng)向（y）可定義為：其中，F(xiàn)x，F(xiàn)y，Mx和My是x，y方向上的基底剪力和彎矩，為氣體的密度，U代表頂部風(fēng)速，D為直徑，H為高度。4結(jié)果風(fēng)洞試驗的結(jié)果通過基底剪力、彎矩與雷諾數(shù)的函數(shù)表示。平均值和振幅考慮了外部條件（開闊地帶或城市）、形狀（光滑，粗糙或仙人球形）和頂部造型（扁平或穹頂狀）。4.1平均數(shù)據(jù)圖-4顯示了順風(fēng)向平均基底剪力和傾覆彎矩。主要特征是有鋸齒模型的基底剪力和傾覆彎矩顯著的低于（20-30%）光滑的和粗糙的圓柱體。同樣這樣的影響還表現(xiàn)在較大紊流和平均剪切速度相關(guān)的參數(shù)上，表明城市邊界層可以減小順風(fēng)向的平均剪力。值得一提的是八種圓柱體的配置具有一定的延續(xù)性，粗糙的模型在雷諾數(shù)相

11、同的情況下阻力和彎矩將減小。同時還表明穹頂屋頂較扁平狀屋頂具有更小的阻力和彎矩。最終，圖-4和隨后的結(jié)果證明仙人球的角度對結(jié)果影響不大。4.2振動數(shù)據(jù)圖-5提供了順風(fēng)向基底剪力、橫風(fēng)向剪力和傾覆彎矩（CMD和CML）。類似平均結(jié)果，仙人球狀相對于光滑和粗糙的圓柱體在順風(fēng)向振動引起的基底剪力和彎矩也具有更好的空氣動力學(xué)特性。變雷諾數(shù)的實驗和外部環(huán)境為開闊鄉(xiāng)村或城市的試驗數(shù)據(jù)詳見圖-5a和圖-5c。任何配置和外部環(huán)境下，雷諾數(shù)的改變在順風(fēng)向?qū)Y(jié)果沒有影響。一個光滑的圓柱體在雷諾數(shù)為104-105的均勻流中也是一致的（Williamson, 1996）。此外，扁平狀頂部和穹頂狀的頂部在順風(fēng)向振動參數(shù)

12、上沒有表現(xiàn)出不同。有趣的是光滑和粗糙的圓柱體在順風(fēng)向振動荷載上只有一些細微的差別。橫風(fēng)向振動引起的基底剪力和傾覆彎矩參數(shù)（圖-5b和d）數(shù)據(jù)根據(jù)不同外部條件成組，在任意雷諾數(shù)下外部環(huán)境為城市時橫風(fēng)向剪力和彎矩都大于開闊環(huán)境時的數(shù)據(jù)。在兩組數(shù)據(jù)（城市和開闊鄉(xiāng)村）中，對于光滑和粗糙圓柱體參數(shù)隨雷諾數(shù)變化不明顯，然而對于仙人球狀的圓柱體奇怪的是在從雷諾數(shù)最低時加載，參數(shù)開始會隨之增長，到雷諾數(shù)大于1.2×104時其保持穩(wěn)定。在城市環(huán)境下，雷諾數(shù)大于104時仙人球狀在橫風(fēng)向風(fēng)荷載表現(xiàn)稍好，但是當(dāng)雷諾數(shù)大于1.2×104，光滑和粗糙的圓柱體表現(xiàn)更好。頂部形狀（扁平狀或穹頂狀）對橫風(fēng)向

13、振動荷載影響不大。4.3譜分析光滑的和仙人球狀的圓柱體，在開闊地帶和城市中順風(fēng)向和橫風(fēng)向基底剪力和彎矩的數(shù)據(jù)詳見圖-6和圖-7。實驗時，雷諾數(shù)為1.8×104而且是降頻繪制。順風(fēng)向和橫風(fēng)向基底彎矩的功率譜密度系數(shù)CM(f)，通過計算1500個×30組中的45000個數(shù)據(jù)點得到。每個塊都進行FFT系統(tǒng)分析，所得到的譜進行全體平均并平滑使用Hanning window重疊50%。最后，橫風(fēng)向數(shù)據(jù)均遵守以下規(guī)律：其中，SM(f)為頻率為f、基地彎矩信號的方差為2時的振幅。圖-6所示為順風(fēng)向譜，圓柱體和仙人球形幾乎沒有差別，而且開闊地帶和城市對其也沒有影響。這是因為順風(fēng)向阻力主要受

14、自由紊流影響，縱向速度波動的頻譜與峰值比減少約10-2。5.討論5.1 平均值討論均勻流中，圓柱體的阻力參數(shù)（Cd0.57-0.65）相對二位圓柱體（Cd=1.17）要更小。（Farivar，1981）圖-4所示，在紊流邊界層中，對于一個細長的圓柱體其參數(shù)和Kareem和Cheng（1999）的數(shù)據(jù)吻合。Talley和Mungal提出，在亞臨界實驗中，仙人球狀對比光滑和粗糙的圓柱體具有更小的平均阻力。同時作者還提出粗糙的圓柱體比光滑的Cd值更高，結(jié)論同樣和本文結(jié)果一致。這些發(fā)現(xiàn)采用了名義上的二維物體，對于平均阻力類似于無窮大的物體；但是，仙人球狀比光滑圓柱體的表現(xiàn)要好大約20%，圖-4a中有對

15、比的數(shù)據(jù)。Babu和Mahesh的數(shù)據(jù)分析實驗提出見效表面壓力的方法（盡管雷諾數(shù)很?。诘凸αρh(huán)流中，溝槽可以減小表面壓力和模型附近的壓力。Liu et al.（2011）（同樣是低雷諾數(shù)）仔細觀察測量后提出一個二維的仙人掌，形成卡門漩渦位置向下移動18%?？拷鼗秶凰^的“剪切層模式”主導(dǎo)。促進相關(guān)延長渦流形成區(qū)域，傾向于減少負壓力，這將降低風(fēng)壓引起的地基阻力。因此，可以假定在外部環(huán)境相同的情況下，圓柱體和仙人球狀在阻力方面的不同取決于長度方向的溝槽和伴隨喚醒渦流形成的伸長。更多的，邊界層的存在在兩方面減小了空氣動力學(xué)荷載：潛在的平均剪力和通過激勵和剪力層分離，紊流的內(nèi)部作用。Par

16、k和Lee提出，邊界層動力的阻抗對比均勻流，引起尾流寬度和尾長減小，同樣減小物體寬度范圍內(nèi)渦旋脫落的連貫性。同時，在亞臨界狀態(tài)下，物體周圍自由流提高紊流度有如下影響：（1）減少分離（Niemann and Hölscher,1990），（2）促使早期剪力層分離的過渡；該作用增大紊流度減小平均激振幅度。二者引起了順風(fēng)向平均風(fēng)荷載的減小，如圖-4a和b所示。穹頂和扁平狀頂部模型的不同可以描述為流體從被激勵到變?yōu)樽杂伤瞄L度的不同。5.2振動的結(jié)論遺憾的是，在邊界層中，對于細長圓柱體振動荷載的比較十分困難。過去的研究集中在二維“無限長”圓柱體，或者低高寬比物體，或者在均勻流中實驗。同時，雷

17、諾數(shù)的控制也有顯著的差別。事實上，近期的研究發(fā)現(xiàn)真正的標準差系數(shù)遠低于論文所述。相比，F(xiàn)ox和Apelt（1993）測量了光滑圓柱體（高寬比控制在4-25）在低紊流度的均勻流中脈動截面升力系數(shù)，發(fā)現(xiàn)脈動截面升力系數(shù)從0.15變化到0.4（H/D=15時的地基處）。需要注意的是，超過懸臂長度的這些截面系數(shù)會降低整體脈動升力的大小，而在剪切湍測量中得到的數(shù)據(jù)比這個大五倍多并不奇怪。奇怪的是，由于Fox實驗中缺失了自由湍流，有效截面阻力系數(shù)從0.06變化到0.15尖端附近（H/D=15時的地基處），這里是測量相同大小的有效截面阻力系數(shù)的基礎(chǔ)。對于更多相關(guān)的流場，在開放地帶和城市中分別曝光方形截面模型

18、的側(cè)風(fēng)基底彎矩系數(shù)是0.13/0.14相比于圖5d中呈現(xiàn)的是0.03/0.055。有趣的是要注意周等（2003）觀察到順風(fēng)基底彎矩標準差系數(shù)的一個下降趨勢而相比于對應(yīng)上升趨勢的平方模型。 Kareem和Cheng（1999）在研究高層建筑的模型側(cè)風(fēng)加載時發(fā)現(xiàn)了相關(guān)統(tǒng)計模型的高度即''寬帶''條件：包括整個頻率范圍以內(nèi)，同時也發(fā)現(xiàn)了''窄帶''相關(guān)渦脫落的影響。他們稱寬窄帶波動次側(cè)風(fēng)力量在高自由流湍流減弱說明自由流湍流是趨于減弱相關(guān)長度及相關(guān)渦。 5.3譜結(jié)果在二維均勻流中，光滑圓柱體渦旋脫落發(fā)生在降頻和斯特勞哈數(shù)為0.2。然而，F(xiàn)ox和Alept，（1993）和Farivar（1981）提出，該模