- 波浪形外墙和屋顶可降低飓风风压高达 60%。
- 传统结构在飓风期间易受损，波浪设计提供被动解决方案。
- 气动力学原理在多个工程领域有广泛应用。
- 研究团队计划进一步优化波浪几何学设计。
具有波浪形外墙和屋顶的建筑在抵御飓风强风方面的表现远优于传统结构，峰值风压可降低高达 40% 至 60%。这一发现为建筑师和工程师提供了一种基于几何学的被动方法，能在不必增加更多材料或加固建筑的情况下提高结构的韧性。
风如何损坏建筑物当风吹向一个平面结构时，风会在表面上掠过并在锐利边缘分离，形成涡流，这些涡流在屋顶角落和边缘集中产生强烈的吸力。这些集中低压区域会产生强大的向上力，将屋顶面板向上拉起。在飓风期间，典型低层建筑中最高的吸力负荷恰好出现在这些角落和边缘。目前的减轻策略包括圆角、倾斜墙壁、退缩设计，以及单纯建造更厚、更强的墙壁。所有这些方法都会增加成本，并且往往不适合对现有结构进行改造。
波浪几何学的研究方法
波浪几何学方法由 Pedro Fernandez-Caban 领导的研究团队，FAMU-FSU 工程学院的土木工程助理教授，制作了波浪形外屋顶和墙壁的低层建筑 3D 打印风洞模型，以取代传统的平面设计。他们测试了波浪幅度范围从建筑高度的 5% 到 10% 的设计，并与标准平面设计进行比较。研究人员在风从多个方向吹来时，测量了模型表面上的风压数据。波浪深度最大的模型表现最佳。
在波浪幅度达到建筑高度的 10% 时，无论风向如何，屋顶和墙角附近的峰值风压下降了 40% 至 60%。
这一改善的机制是气动力学的。与其在平坦表面上平滑地掠过并在边缘处分离成一个大型连贯涡流，空气在波浪形表面上流动时，会遇到一系列山丘和谷地。气流越过波动的轮廓，打破成多个较小的分离区，而不是形成一个主导的涡流。这些较小的分散区域在任何单一产生的集中吸力远低于传统设计。Fernandez-Caban 描述了这一效果：“这些非常规建筑形状减少了最严重天气情况下的损害。
这是工程师和设计师防范风害的另一种工具。”
波浪几何学的广泛影响
更广泛的影响研究团队指出，波浪几何学背后的气动力学原理不仅仅局限于风工程。流体动力学如何影响空气与波纹表面的相互作用，与航空学、环境科学和物理海洋学等其他领域的基本物理学共享相同的原理。Fernandez-Caban 表示：“我们正在处理空气，其他工程师和科学家可能在处理波浪和水，但流体动力学的理解可以为各领域的设计和工程提供指导。”
研究团队目前正在进行额外的风洞实验，以更好地表征气流在波浪形包络系统周围的行为，而不仅仅是测量表面压力。他们还计划利用计算流体动力学建模进一步优化波浪几何学，并测试初步研究中未涵盖的表面轮廓。该研究由副教授 Qian Zhang、博士生 Arezoo Bakhshizadeh 和校友 Peter Tsouroukdissian 共同撰写，并得到了佛罗里达州立大学和 FAMU-FSU 工程学院的支持。
随着飓风强度因海洋温度上升而不断增强，依赖被动气动解决方案而非增加结构质量，代表着朝更具韧性的建筑设计迈出了一步。该研究发表于《工程结构》期刊。
波浪形设计对建筑安全的重要性
随着气候变化导致飓风强度增加，传统建筑设计面临更大挑战。波浪形外墙和屋顶的设计不仅能有效减少风压，还能在不增加材料成本的情况下提高结构韧性。这种基于气动力学的创新方法，为建筑师和工程师提供了新的思路，尤其是在现有结构改造上。未来，这一技术可能在其他工程领域中也会发挥重要作用，推动更广泛的设计创新。