模拟飓风边界层中房屋上的湍流流动

每年，飓风和其他极端风暴在全球造成数十亿美元的损失。对于住宅建筑而言，此类破坏通常与承受最大气动载荷的屋顶有关。然而，由于北美木结构屋顶缺乏清晰的传力路径以及非线性载荷分担，确定其不同部位的气动载荷变得复杂。这一流固耦合问题需要同时进行风洞试验和全尺寸结构试验。我们在模拟大气边界层（ABL）中对一栋房屋进行了一系列风洞试验，并将由此产生的风致压力施加到全尺寸结构上。该ABL是针对开阔乡村地形上的流动进行模拟的，其速度和湍流强度廓线以及谱均与此类地形的可用全尺寸测量数据相匹配。第一组测量是在整个房屋上同时进行的600个表面压力测量。表面压力场的一个关键特征是屋顶上出现大的、高度非高斯分布的峰值升力（吸力）。为了更好地理解哪些流动特征导致了这一现象，我们在风洞模型上进行了粒子图像测速（PIV）实验。这些实验采用时间分辨PIV（采样率500 Hz）进行，持续时间为30秒。从PIV数据生成的流体动力学视频（低分辨率和高分辨率）中可以清楚地看到，在屋顶迎风边缘产生了强烈的环流。这些涡旋最终脱落并沿屋顶迁移。正是这种集中环流的存在导致了所观察到的峰值载荷。