城市建筑群不均匀性对大气动力特性影响的风洞实验研究

摘要

城市化是全世界最为普遍的社会发展势态，不均匀的建筑群形态是城市的根本构成，其对大气运动的作用是城市气候形成的主要因素之一。本文建立了建筑群不均匀性表达的形态学参数化方法，完成了基于二次回归正交旋转组合设计的风洞实验方案，对所建立的形态学参数进行了初步的风洞实验研究。
　　本文基于在现有城市冠层模型的基础上进行优化的思想，讨论了构建多层城市动力冠层模型的方案。针对冠层模式中关于建筑不均匀性缺乏系统的研究方法以及多数处于定性研究的现状，从建筑几何结构的形态学角度出发，建立了描述城市建筑不均匀性的形态学参数化方法，形成了一组可以较为系统地表达建筑的迎风面积、分布密度、形状、布局、风向、高度等因素的参数化方案，具体包括迎风面积指数（λf）、分布密度指数（λp）、形状指数（SBC）和综合非直线系数（R）四个参数，并给出了相应的计算方法。
　　为了深入了解所采用的建筑群不均匀性描述参数与大气动力特性之间的关系，在所建立的形态学参数方案的基础上，本课题创新性地采用了二次回归正交旋转组合设计的试验设计方法，将所研究参数作为试验因素，设计了全面的风洞实验，通过准确的实验设计，把握各参数之间的交互关系以及对大气动力特性的作用效果，以此对建筑形态学参数影响大气动力特性的机理进行精确的实验研究。
　　在完成基于二次回归正交旋转组合设计方法的全面风洞实验基础上，为了解所建立形态学参数的具体性能及其它因素的影响，本文进行了工况对比的风洞实验研究。实验结果表明，周围环境地貌粗糙度改变对拖曳力系数影响不显著；迎风面积指数是风向变化引起拖曳力系数变化的主要作用因素；模型表面风压差系数的分布具有一般性的规律，且在模型表面约0.5H附近最可能出现最大值或最小值区域；分布在较大平面区域内各建筑的单体拖曳力系数沿风向的变化趋势近似为一条衰减曲线，具有较为统一的拟合公式；基于压力测量的平均拖曳力系数一般较基于拖曳力测量的平均拖曳力系数大10％~20%。在本实验的工况之间进行对比研究发现，分别在迎风面积指数增大、分布密度指数增大、形状指数增大、综合非直线系数减小的单因素变化情况下拖曳力系数会显著增大。

目录

城市建筑群不均匀性对大气动力特性影响的风洞实验研究

Experimental Study in Wind Tunnel on the Effect of the Aerodynamic Parameters Influenced by Non-Uniform Buildings

摘 要

Abstract

符号表

目 录

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.1.1 课题来源

1.1.2 城市气候问题及其危害

1.1.3 城市热气候问题的特点

1.1.4 城市建筑群对城市热气候的影响

1.2 拟解决的关键问题及研究意义

1.2.1 本课题拟解决的关键问题

1.2.2 本课题研究的意义

1.3 城市下垫面对城市热气候影响的国内外研究概述

1.3.1 实验研究概述

1.3.2 数值模拟研究概述

1.3.3 城市建筑群上均匀性影响的研究

1.4 本论文的构成

第2章 风洞实验相似律与实验设计方法的选择

2.1 风洞实验相似律

2.1.1 风洞实验相似准则的导出

2.1.2 风洞实验相似律的选择

2.2 实验设计方法

2.2.1 试验设计的理论基础

2.2.2 二次回归正交旋转组合试验设计

2.3 本章小结

第3章 建筑群上均匀性对大气动力特性影响的参数化方法及风洞实验方案

3.1 考虑建筑群上均匀性的冠层模型的参数化方法

3.1.1 引入建筑群上均匀性影响的多层冠层模型

3.1.2 表达建筑群上均匀性影响的动力冠层模型

3.2 表达建筑群上均匀性的形态学参数化方案

3.2.1 建筑物迎风面积及建筑物密度

3.2.2 建筑布局

3.2.3 建筑物形状

3.2.4 建筑群形态学参数总结

3.3 基于二次回归正交旋转组合设计的实验方案

3.4 风洞实验方案

3.5 本章小结

第4章 建筑群上均匀性对大气动力特性影响的大气边界层风洞实验内容

4.1 实验用仪器设备

4.1.1 大气边界层风洞

4.1.2 实验平台

4.1.3 实验模型

4.1.4 测试仪器

4.2 实验概要

4.2.1 仪器测试方法

4.2.2 实验工况及步骤

4.3 数据处理方法

4.3.1 直接测量拖曳力数据的处理方法

4.3.2 风速数据的处理方法

4.3.3 表面压力数据的处理方法

4.4 本章小结

第5章 实验结果及分析

5.1 风洞实验稳定性分析

5.2 两种测量方法所得拖曳力系数对比

5.2.1 基于拖曳力测量的拖曳力系数

5.2.2 基于压力测量的拖曳力系数

5.3 地貌的影响分析

5.3.1 风速结果对比

5.3.2 拖曳力系数对比

5.3.3 风压差系数分布

5.4 形态学参数对大气动力学特性的影响

5.4.1 建筑迎风面积的影响

5.4.2 建筑密度的影响分析

5.4.3 建筑布局的影响

5.4.4 建筑形状的影响

5.4.5 形态学参数影响总结

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致 谢