改變建筑物結(jié)構(gòu)處的氣流的方法及系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】改變建筑物結(jié)構(gòu)處的氣流的方法及系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)主張于2012年11月30日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第61/731，889號(hào)的優(yōu)先權(quán)，上 述美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文。
[000引彩色附圖
[0004]本專(zhuān)利或申請(qǐng)文件包括至少一幅彩色附圖。提出請(qǐng)求并交納必要的費(fèi)用后，可由 專(zhuān)利局提供本專(zhuān)利或?qū)＠暾?qǐng)的帶有彩色附圖的公布文獻(xiàn)的副本。
[00化]關(guān)于聯(lián)邦資助研究的聲明
[0006]本發(fā)明是在__的政府支持下完成的，獲得___的嘉獎(jiǎng)。美國(guó)政府在本發(fā)明中 可W具有某些權(quán)利。
【背景技術(shù)】
[0007]當(dāng)代的用于高層建筑物建造的方法代表了現(xiàn)代主流范例，在現(xiàn)代主流范例中，通 過(guò)使建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能量傳遞最小化來(lái)最大程度地使室內(nèi)空間與氣候環(huán)境相隔離。結(jié) 果，他們趨向于全面依賴(lài)能源密集型機(jī)械系統(tǒng)來(lái)提供充足的空氣供給。此外，高層建筑物通 常導(dǎo)致在建筑業(yè)中消耗非再生性材料，W通過(guò)基于固體的空氣動(dòng)力學(xué)修正（"SAM")來(lái)滿足 與風(fēng)相關(guān)的應(yīng)用（例如，減少斜風(fēng)響應(yīng)或者綜合風(fēng)能發(fā)電）的期望的空氣動(dòng)力學(xué)性能基準(zhǔn)， 其中，基于固體的空氣動(dòng)力學(xué)修正通過(guò)改變諸如建筑物的形狀之類(lèi)的結(jié)構(gòu)或幾何特征來(lái)實(shí) 現(xiàn)，或者通過(guò)材料的使用和輔助阻尼的添加來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[000引當(dāng)我們的環(huán)境主要包括流體時(shí)，常見(jiàn)的建造方法主要限制于通過(guò)使用固體建模來(lái) 調(diào)查研究建筑物與它們周?chē)h(huán)境之間的相互作用。結(jié)果，高層建筑物的設(shè)計(jì)既依賴(lài)于基于 固體的空氣動(dòng)力學(xué)修正(SAM)方法W滿足期望的空氣動(dòng)力學(xué)性能基準(zhǔn)，還依賴(lài)于改變建筑 物的幾何形狀或者結(jié)構(gòu)性質(zhì)的技術(shù)(基于幾何學(xué)的空氣動(dòng)力學(xué)修正或"GAM")，例如憑借材 料W及輔助阻尼系統(tǒng)的使用來(lái)改變硬度。盡管運(yùn)些技術(shù)確實(shí)提供了一條狹窄的成功之路， 但是運(yùn)些技術(shù)不能適應(yīng)變動(dòng)的環(huán)境條件并且還伴隨著實(shí)用樓層面積的減少W及總能量消 耗的增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]考慮到前述問(wèn)題，發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)和意識(shí)到積極地控制氣流W操控建筑物邊界層 來(lái)獲得期望的性能水平的系統(tǒng)和方法的優(yōu)勢(shì)。
[0010] 因此，在一種實(shí)施方式中，提供了一種在建筑物結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)位置處改變氣流 的方法，該方法包括:在所述建筑物結(jié)構(gòu)的所述至少一個(gè)位置處產(chǎn)生第一氣流；W及利用所 述產(chǎn)生的第一氣流改變?cè)谒鼋ㄖ锝Y(jié)構(gòu)的外部的第二氣流。
[0011] 在另一種實(shí)施方式中，提供了一種用于在建筑物結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)位置處改變氣流 的裝置，所述裝置包括:裝置外殼；W及在所述外殼中的流發(fā)生器，所述流發(fā)生器配置為在 所述至少一個(gè)位置處產(chǎn)生第一氣流。產(chǎn)生的第一氣流可W改變?cè)谒鼋ㄖ锝Y(jié)構(gòu)的外部的 第二氣流。
[0012] 在又一種實(shí)施方式中，提供了一種建筑物結(jié)構(gòu)，該建筑物結(jié)構(gòu)包括在所述建筑物 結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)位置處的裝置，所述裝置包括:裝置外殼；W及在所述外殼中的流發(fā)生器， 所述流發(fā)生器配置為在所述至少一個(gè)位置處產(chǎn)生第一氣流。產(chǎn)生的第一氣流可W在所述建 筑物結(jié)構(gòu)的所述至少一個(gè)位置處改變?cè)谒鼋ㄖ锝Y(jié)構(gòu)的外部的第二氣流。
[0013] 應(yīng)理解，前述概念W及在W下進(jìn)行更為詳細(xì)地描述的其他概念(假設(shè)運(yùn)些概念之 間不相矛盾)的組合視為本文公開(kāi)的本發(fā)明的主題的一部分。特別地，出現(xiàn)在本文結(jié)尾處的 聲明的主題的所有組合視為本文公開(kāi)的本發(fā)明的主題的一部分。還應(yīng)理解，在此明確使用 的術(shù)語(yǔ)(也可能出現(xiàn)在通過(guò)引用而并入的任何公開(kāi)文獻(xiàn)中），應(yīng)當(dāng)符合與本文公開(kāi)的特定概 念最為一致的意思。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 技術(shù)人員要理解附圖主要用于舉例說(shuō)明的目的，而不是用于限制在此描述的本發(fā) 明的主題的范圍。附圖不是必然成比例的；在某些情況下，可W在附圖中夸大或者放大顯示 本文描述的本發(fā)明的主題的各個(gè)方面，W幫助理解不同的特征。在附圖中，相似的附圖標(biāo)記 通常指代相似的特征(即，功能上相似和/或結(jié)構(gòu)上相似的元素）。
[0015] 圖1提供的示意圖示出了在一種實(shí)施方式中SAM與基于流體的空氣動(dòng)力學(xué)修正 ("FAM")的對(duì)照；
[0016] 圖2提供的示意圖示出了在一種實(shí)施方式中通過(guò)憑借對(duì)邊界層的操作來(lái)影響建筑 物的側(cè)風(fēng)的力譜，可W使用流體來(lái)實(shí)現(xiàn)期望的阻尼；
[0017] 圖3示出了在一種實(shí)施方式中的煙流顯形：（a)原始情況，（b)激勵(lì)丫 =60°,(C)丫 = 180°，并且(d) 丫 =180°W及目= 120° ;
[0018] 圖4提供了在一種實(shí)施方式中的平均壓力系數(shù)的圖表，其中，未施壓(灰色），施壓 (澄色），U?==12m/s;
[0019] 圖5(a)-5(b)提供的示意圖示出了在一個(gè)實(shí)施方式中，圓筒體的（a)幾何改變和 (b)流體改變W及運(yùn)些改變的=維風(fēng)速分布圖；
[0020] 圖6(a)-6(b)示出了，在一個(gè)實(shí)施方式中，具有水平噴口W及壓力孔的FAM主體(a) 和GAM主體(b)的照片；
[0021] 圖7示出了在一種實(shí)施方式中，壓力系數(shù)作為FAM和GAM的范圍（靠近吸氣峰值的位 置)的函數(shù)而變化，其中，（a)為具有頂部圍護(hù)結(jié)構(gòu)，（b)為不帶有頂部圍護(hù)結(jié)構(gòu)，Cb=O.6,0j = 113° ,0 = 75%其中，0J是人造射流相對(duì)于自由氣流速度的方位角位置，而0是模式的方位 角位置；
[0022] 圖8提供的示意圖示出了在一種實(shí)施方式中，F(xiàn)AM如何影響室內(nèi)環(huán)境的一種可能方 案；
[0023] 圖9提供了的示意圖示出了在一種實(shí)施方式中，改變后的氣流如何重新界定建筑 物圍護(hù)結(jié)構(gòu)；
[0024] 圖10示出了在一種實(shí)施方式中，與未施壓的原始情況相比在阻力減少過(guò)程中施加 相對(duì)沖擊的FAM模型，減阻率達(dá)45% ;
[0025] 圖11示出了在一種實(shí)施方式中，在風(fēng)桐中進(jìn)行測(cè)試的圓筒體模型的內(nèi)部視圖，其 中，圓盤(pán)是用于提供人造射流的人造射流主動(dòng)式流控制（"AFC'）激勵(lì)器，所述激勵(lì)器可W用 于產(chǎn)生不穩(wěn)定的射流，在一種實(shí)施方式中，該射流W相對(duì)較小的能量投入改變經(jīng)過(guò)主體表 面的氣流；
[0026] 圖12示出了在一種實(shí)施方式中，針對(duì)有限圓柱體的原始情況(baseline)和兩種施 壓情況，在下游的一直徑的流向位置或者距圓筒體軸線10.16厘米(4英寸）的位置收集的立 體粒子圖像測(cè)速（"Pir)數(shù)據(jù)，圖中的顏色表示板外的速度，向量為板內(nèi)的速度分量；
[0027]圖13示出在一種實(shí)施方式中施加的人造射流，其吹氣比為0.6,與自由氣流速度呈 113度，左邊的圖顯示了中部的方位角的無(wú)量綱壓力分布，該分布為角度的函數(shù)，其中黑線 表示未施壓情況，藍(lán)色棱形圖表示施壓的結(jié)果，紅線表示的是人造射流的位置；
[0028] 圖14顯示在一種實(shí)施方式中，表示縮小比例尺（1:200)的20層高的建筑物的模型， 模型頂部的楠圓形是5個(gè)由壓縮空氣(穩(wěn)定施壓)供給的噴射器，孔陣列是用于測(cè)量被射流 影響的表面壓力的壓力孔；
[0029] 圖15示出了圖14(著色前)所示的模型的頂端，其顯示用于將壓縮空氣供給至噴射 器的軟管；
[0030] 圖16示出了在一種實(shí)施方式中，當(dāng)未應(yīng)用射流時(shí)圖14所示的模型的頂部:氣流(用 煙顯影出的)在棱柱頂部的迎風(fēng)邊緣(從左向右流動(dòng))分離；
[0031] 圖17示出了在一種實(shí)施方式中，當(dāng)應(yīng)用射流時(shí)圖14所示的模型的頂部:氣流(用煙 顯影出的)貼附于棱柱頂部；
[0032] 圖18示出了一張(非標(biāo)準(zhǔn)化的）圖表，顯示了在一種實(shí)施方式中射流的流速變化， 如該圖表所示，隨著射流的流速的增加，表面壓力逐漸減小直到其到達(dá)、朝向模型頂端的背 風(fēng)面，與完全不應(yīng)用射流的值(如圖例中的原始情況所示)相同；
[0033] 圖19提供了在一種實(shí)施方式中，在401pm(升/分鐘）下浮質(zhì)流的速度矢量場(chǎng)的全局 視圖，其中（a)原始情況，W及在(b)拉動(dòng)模式，（C)推送模式，（d)拉-推模式下激活的D4V 4150的人造射流；
[0034] 圖20(a)-20(b)示出了在一種實(shí)施方式中（a)矩形建筑物周?chē)暮?jiǎn)化的流型與(b) 具有集成流控制系統(tǒng)的建筑物的流型之間的對(duì)比；
[0035]圖21提供了示出在一種實(shí)施方式中產(chǎn)生人造空氣射流的設(shè)備的示意圖；
[0036] 圖22提供了示出在一種實(shí)施方式中的流場(chǎng)顯影的示意圖，所述流場(chǎng)顯影示出了人 造射流和圓筒體模型周?chē)牧鲌?chǎng)之間的相互作用；
[0037]圖23提供了示出在一種實(shí)施方式中具有集成人造射流的擴(kuò)散器的示意圖；
[0038] 圖24提供了示出了在另一種實(shí)施方式中具有集成人造射流的擴(kuò)散器的示意圖；
[0039] 圖25(a)-25(b)分別顯示在一種實(shí)施方式中，進(jìn)氣導(dǎo)管在具有和不具有用于減緩 分離的主動(dòng)式流控制的不同情況下速度矢量場(chǎng)的示意圖；
[0040] 圖26提供的示意圖示出了在一種實(shí)施方式中，建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的軸側(cè)投影的示意 圖，其中，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括主動(dòng)式流控制激勵(lì)器，W控制建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳遞來(lái)平衡 波動(dòng)的氣候條件和室內(nèi)的機(jī)械環(huán)境；
[0041] 圖27提供了在一種實(shí)施方式中，所述系統(tǒng)對(duì)于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳遞的影響的示 意圖；
[0042] 圖28示出了在一種實(shí)施方式中在內(nèi)部應(yīng)用本發(fā)明的裝置和方法的一個(gè)實(shí)施方式 的效果；
[0043] 圖29提供了在一種實(shí)施方式中，用于控制建筑物周?chē)牧餍偷馁Y源和技術(shù)的簡(jiǎn) 圖；
[0044] 圖30提供了在一種實(shí)施方式中，用于提高建筑物集成風(fēng)力滿輪機(jī)功率輸出的策略 的簡(jiǎn)圖；
[0045] 圖31(a)-31(c)提供了在一種實(shí)施方式中，在屋頂條件下通過(guò)主動(dòng)式控制系統(tǒng)操 控風(fēng)流的示意圖，（a)顯示使用用于立式風(fēng)力滿輪機(jī)結(jié)構(gòu)的建筑物集成的主動(dòng)式和混合式 流控制系統(tǒng)（"BIHFCS" );(b)顯示使用用于邸式風(fēng)力滿輪機(jī)結(jié)構(gòu)的BIHFCS;(C)顯示使用用 于層疊的邸式風(fēng)力滿輪機(jī)結(jié)構(gòu)的BIHFCS;
[0046] 圖32提供了在另一種實(shí)施方式中，在屋頂條件下通過(guò)主動(dòng)式控制系統(tǒng)操控風(fēng)流的 示意圖；
[0047] 圖33提供的示意圖示出了在另一種實(shí)施方式中，基于風(fēng)力增強(qiáng)轉(zhuǎn)子平臺(tái)（"WARP") 的具有集成的風(fēng)力滿輪機(jī)的建筑物的截面；
[0048] 圖34提供的示意圖示出了在BIHFCS的一種實(shí)施方式中所述的集成化系統(tǒng)的幾個(gè) 部件。
【具體實(shí)施方式】
[0049] W下對(duì)一種具有創(chuàng)造性的系統(tǒng)和方法的各種相關(guān)的概念和實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行更為詳 細(xì)地描述，其中所述系統(tǒng)和方法用于積極控制氣流來(lái)操作建筑物邊界層W獲得預(yù)期的性能 水平。應(yīng)當(dāng)理解，由于披露的思想不限于任何特定的實(shí)施方式，因此上文引入的W及在W下 更為詳細(xì)地進(jìn)行討論的各種概念可W通過(guò)多種方式中的任意一種進(jìn)行實(shí)施。所提供的特定 的實(shí)施方式和應(yīng)用方式的示例主要用于說(shuō)明性的目的。
[00加]改變氣流的方法
[0051] 在一種實(shí)施方式中，提供了一種改變?cè)诮ㄖ锝Y(jié)構(gòu)中至少一個(gè)位置處的氣流的方 法，該方法包括:在所述建筑物結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)位置處產(chǎn)生第一氣流；W及利用所述產(chǎn)生 的第一氣流改變?cè)谒鼋ㄖ锝Y(jié)構(gòu)外面的第二氣流。
[0052] 該建筑物結(jié)構(gòu)可W包括任何類(lèi)型的建筑物結(jié)構(gòu)。例如，該建筑物可W是高層建筑 物、低層建筑物或者任何靜態(tài)體。在一些實(shí)施方式中，雖然該建筑物結(jié)構(gòu)是靜止的，但該結(jié) 構(gòu)可W在一個(gè)移動(dòng)的平臺(tái)上。在一種實(shí)施方式中，所述建筑物結(jié)構(gòu)可W包括至少一個(gè)阻流 體。
[0053] 在一種實(shí)施方式中，改變所述氣流的所述至少一個(gè)位置可W是所述建筑物結(jié)構(gòu)的 一個(gè)或者多個(gè)位置。在至少一種實(shí)施方式中，措詞"在位置處"（例如，在建筑物結(jié)構(gòu)的位置 處)可W指在所述建筑物結(jié)構(gòu)的內(nèi)部、在所述建筑物結(jié)構(gòu)上、和/或在所述建筑物結(jié)構(gòu)的外 部。在一種實(shí)施方式中，所述位置可W是所述建筑結(jié)構(gòu)的邊緣。例如，所述位置可W是所述 建筑物結(jié)構(gòu)的一個(gè)(或者多個(gè))側(cè)面、所述建筑物結(jié)構(gòu)的頂部或者運(yùn)兩者。在所述建筑物結(jié) 構(gòu)具有不含銳利邊緣的幾何結(jié)構(gòu)的