使用PIV（粒子图像测速）和POD（粒子轨道检测）技术对低层至高层建筑群周围气流的風洞研究

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Wind tunnel study of wind flow over low- to high-rise building arrays using PIV and POD analysis

城市建筑高度对边界层湍流的影响研究：通过风洞实验结合热线风速仪（HWA）与粒子图像测速（PIV）技术，分析了LCZ4-6对应建筑高度（h/2h/3h/4h）下湍流结构及动量再分配规律，发现POD分解揭示水平速度能量集中于低阶模态（累计55%），垂直速度能量分布更广（22%）。建筑升高导致高动量区扩大但强度减弱，低动量区压缩，显著改变湍流模态分布。研究成果为城市形态优化与低空飞行安全评估提供理论支撑。

　　

张云明|莫子伟|李飞|王瑞琦|陈国亮|刘世云|刘奕迅|刘春浩

中山大学大气科学学院与南方海洋科学与工程广东实验室（珠海），中国珠海

摘要

阐明建筑高度对城市边界层湍流的影响对于改善城市气候和低空飞行安全至关重要。然而，湍流的模态结构尚未得到充分研究。本研究在具有四种特征高度的建筑阵列上进行了风洞实验，这些高度对应于局部气候区（LCZ）4-6类。采用热线风速计（HWA）和粒子图像测速法（PIV）来量化流动统计量和相干结构，两种方法得到的速度剖面具有很好的一致性（均方根误差（RMSE）≤0.27，相关系数（R2）≥0.79）。通过高阶矩分析、象限分析和适当正交分解（POD）来表征湍流动力学。喷射和扫掠作用共同主导了动量传输（约占60%），且随着建筑高度的增加，它们的作用增强。POD显示，顺流向波动速度的能量集中在少数低阶模态中（前四个模态合计占55%以上），而垂直波动速度的能量分布更为广泛（仅占22%）。随着建筑高度的增加，高动量区域扩大且强度减弱，而低动量区域被压缩，导致动量的空间再分布增强。在靠近建筑冠层的区域，需要大量高阶模态来解析复杂的小尺度结构；而在建筑冠层上方，相对较少的低阶模态就足以捕捉主导动力学。本研究为理想化城市环境中的高度诱导湍流调制提供了证据，并加深了对相干结构的理解。这些发现为城市形态优化提供了宝贵的见解，并推进了对城市环境中湍流发展的理解。

引言

快速城市化进程导致建筑密度和高度的增加，极大地改变了城市表面的几何形态[27]，并对城市边界层（UBL）的结构和动力学产生了显著影响[3,53]。在城市边界层内，大气表层起着关键作用，可进一步划分为粗糙度亚层和惯性亚层，两者共同调节城市冠层与上层大气之间的动量传递和湍流[48]。由建筑密度增加和高层建筑增多驱动的城市形态演变深刻改变了湍流结构、尾流动力学和表层通风效率，这些因素又对城市风环境的特性起着决定性作用[30,34,54]。因此，评估形态变化对表层动力学的影响对于阐明UBL的演变过程至关重要，合理优化城市形态对于改善城市风环境至关重要。

计算流体动力学（CFD）模拟和风洞实验是大气流动研究中最广泛采用的方法[3,4,38,62]。风洞实验通过提供物理可控的环境并为CFD模拟提供重要验证，发挥了重要作用[6,11]。因此，许多研究通过风洞实验研究了城市形态（包括建筑布局和高度变化）的影响。例如，Cheng和Castro[9,10]的风洞实验揭示了建筑密度和高度变化对粗糙度亚层内湍流结构的影响。Hagishima等人[19]和Zaki等人[66]研究了不同几何形状的城市建筑阵列的空气动力学参数。Placidi和Ganapathisubramani等人[43,44]使用乐高积木阵列研究了正面面积指数和平面面积指数对空气动力学参数和粗糙度亚层湍流的影响。Makedonas等人[33]探讨了具有均匀和非均匀建筑高度的高层建筑冠层上的边界层流动特性。Mo和Liu[35]进行了一系列风洞实验，研究了理想化城市配置下与粗糙度亚层动力学相关的平均流动和湍流统计量。在这些研究的基础上，最近的研究使用先进的信号处理技术（如经验模态分解、动态模态分解和振幅调制[17,26,59,65]进一步研究了湍流尺度和结构。总体而言，这些研究为了解建筑布局和形态如何塑造城市区域的近地表流动和湍流提供了宝贵的数据集和有趣见解。

尽管对城市形态如何影响近地表流动特性有了深入的了解，但建筑高度的影响尚未得到充分研究[28,54,64]。特别是，高层住宅区的迅速扩张显著提高了整体建筑高度，将原本较浅的街道峡谷变成了深峡谷[68]。这种趋势不仅仅是单个高层建筑的结果，而是城市冠层高度的系统性上升[40]。此外，现有研究表明，即使在平面密度和建筑布局不变的情况下，平均建筑高度的增加也会显著增强机械湍流，从而改变湍流动力学[21,34,61]。这些发现表明，不同高度下的UBL动力学需要进一步研究，强调了跨越低层到高层建筑阵列的分析的必要性。

尽管包括热线风速计（HWA）、激光多普勒测速法（LDV）和粒子图像测速法（PIV）在内的风洞测量技术取得了快速进展[14,50]，但同时使用HWA和PIV来研究城市粗糙度上的湍流结构的研究相对较少[26]。HWA测量提供了高频时间统计量，有助于验证和补充PIV得到的结果[25,55]。此外，PIV提供了空间分辨的速度场，可以对流动进行模态分析，如适当正交分解（POD）[39,67]。多项风洞研究表明，POD在提取相干结构和量化模态能量分布方面非常有效[43,56]。因此，结合使用PIV数据和POD来分析不同高度建筑阵列上的湍流模态结构对于深入理解流动非常有用。

本研究在由乐高积木制成的具有四种不同特征高度（h=2h、3h和4h，h为参考建筑高度）的建筑阵列上进行了风洞实验，这些高度对应于局部气候区（LCZ）4-6类，代表了开放式、低层、中层和高层城市区域。在相同的入流条件下，通过HWA和PIV测量获得的速度剖面和空气动力学参数进行了比较，以评估这两种方法的一致性和互补性。通过高阶统计量（偏度和峰度）、象限分析和应用于空间PIV数据的POD详细研究了湍流结构。研究结果提供了关于建筑高度如何调节不同LCZ区域UBL湍流的新实用见解。它们阐明了建筑高度对开放型、低层、中层和高层城市区域风环境的影响，为优化建筑高度布局提供了指导，支持针对各种LCZ类型的气候响应型城市规划，以提高通风效率，并为复杂城市环境中的低空飞行安全评估提供了可靠的湍流数据。总之，本研究为城市形态的气候适应性优化和复杂城市环境中低空飞行操作的安全评估奠定了基础。

部分摘录

风洞设施

实验在香港大学机械工程系的开放式等温风洞中进行（图1a）[20,35,37]。该风洞由电机驱动的离心风扇提供动力（>2kW），能够产生0.5至15.0 m s?1的自由流速度，空测试段的背景湍流强度低于5%。测试段长6.0米，宽0.56米，高0.56米。

PIV和热线风速统计量的比较

在相同的配置（h:4l、2h:4l、3h:4l和4h:4l）下进行了PIV和HWA测量，以便直接比较，HWA因其更高的时间分辨率而作为补充参考。两个数据集都进行了归一化（使用μ∞和u*作为参考尺度），以消除实验条件引起的差异。比较结果表明，PIV和HWA在$u_{}$$u_{}$（图2a）和$u_{}$（图2）的垂直分布上表现出合理的一致性。

主要结论

本研究在具有四种特征高度（h=2h、3h和4h）的建筑阵列上进行了风洞实验，这些高度对应于LCZ 4-6类，使用了HWA和PIV测量方法。从PIV和HWA得到的平均速度、速度波动和湍流动量通量的垂直剖面显示出很强的一致性（RMSE≤0.27，R2≥0.79），证实了这两种测量方法的可靠性和互补性。表面附近的差异主要与...

未引用的参考文献

[36,60]

CRediT作者贡献声明

张云明：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念化。莫子伟：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法论、资金获取、概念化。李飞：撰写——审稿与编辑、方法论、调查、形式分析。王瑞琦：撰写——审稿与编辑、方法论。陈国亮：撰写——审稿与编辑。刘世云：撰写