时间：2026-05-03 点击量：
“室内空气环境质量控制”天津市重点实验室建造环境（BERL）课题组刘炜教授团队在高水平期刊《Sustainable Cities and Society》（JCR Q1，IF=12）发表关于短试验段风洞大气边界层构建的研究成果，为城市风环境、建筑风荷载、污染物扩散等风工程研究提供低成本、高效率、高精度的实验新方案。
一、题目
A Multi-stage Optimization Framework for Creating Atmospheric Boundary Layer in Wind Tunnels with a Short Test Section
短试验段风洞大气边界层构建的多阶段优化框架
二、作者
Shaofang Xu（徐绍芳），Giovanni Calzolari，Jilong Wang（王纪龙），Jianlin Ren（任键林），Bin Lu（路宾），Qiang Li（李强），Fei Liu（刘飞），Tengfei Zhang（张腾飞），Junjie Liu（刘俊杰），Wei Liu（刘炜，通讯作者）
三、研究亮点
提出了用于风洞中尖劈和粗糙元设计的多阶段优化框架。
采用3D打印制作尖劈和粗糙元并开展风洞实验验证。
在仅3倍水力直径的试验段内，准确构建符合城市地貌的大气边界层。
完整设计流程仅需5天计算时间。
四、摘要
在短试验段风洞中高效构建与目标地貌特征相一致的大气边界层（ABL）始终是一项具有挑战性的研究问题，传统的被动方法通常要求风洞试验段长度超过五倍风洞水力直径（Dh），且高度依赖经验试错。为克服这些局限性，本研究提出了一种多阶段优化框架，将风洞中尖劈和粗糙元的尺寸设计从依赖实验经验的人工调试转变为以设计目标为导向的算法优化。该框架以Irwin经验公式作为初始设计，随后采用支持向量回归加速的多目标遗传算法进行全局优化，最后通过伴随形状优化实现局部形状的精细调节。该框架成功在长度仅为3Dh 的试验段内构建了代表密集建筑群的城市C类地貌大气边界层（幂律指数=0.22），整个计算流程耗时约五天。优化后的尖劈和粗糙元通过3D打印制作，并在回流式风洞中使用恒温热线风速仪进行了验证实验。实验结果表明，与仅采用Irwin公式的初始设计相比，优化的几何使速度的平均绝对误差从0.588降至0.185（降低68.5%），湍流强度的平均绝对误差从0.039 降至0.0177（降低54.5%），同时保持了良好的横向均匀性。本研究提出的框架在空间适应性、时间效率和优化精度方面均展现出显著优势，为短试验段风洞中的ABL构建提供了一种系统化且鲁棒性强的方法。
五、主要结果
图1. 短试验段风洞大气边界层构建的多阶段优化框架
图2. 伴随优化过程中尖劈与粗糙元形状及其速度场、湍动能云图的演化
图3. 三个设计阶段的速度云图与风洞几何对比
图4. 三个设计阶段在三个测孔处的（a）OU 和（b）OTI，CFD与目标值对比
图5. 三个设计阶段风洞中尖劈和粗糙元的实际布置图
图6. 三个设计阶段在三个测孔处的实验风剖面与目标风剖面对比
六、结论
（1）该框架实现了尖劈与粗糙元尺寸的高效设计，在仅约3Dh的短试验段内成功构建了C类地貌大气边界层。整个设计流程的计算时间约为5天。
（2）风洞实验验证了该框架的准确性与可行性。相较于基于Irwin公式的初始设计，优化后实验值与目标值之间的平均风速误差（OU）和湍流强度误差（OTI）分别降低了68.5% 和54.5%。同时，优化结果在测量截面上呈现出良好的横向均匀性。
（3）该框架表现出良好的通用性和鲁棒性。其对尖劈和粗糙元的初始几何参数及空间布置无严格限制。通过引入多目标遗传算法，有效降低了基于梯度的伴随方法对初始设计的敏感性，避免优化结果陷入局部最优。
七、致谢
本研究得到中国科学技术部国家重点研发计划“国家质量基础设施体系（NQI）”专项的资助（批准号：2023YFF0613101）。
文章引用格式：S. Xu, G. Calzolari, J. Wang, J. Ren, B. Lu, Q. Li, F. Liu, T. Zhang, J. Liu, & W. Liu. A multi-stage optimization framework for creating atmospheric boundary layer in wind tunnels with a short test section. Sustainable Cities and Society (2026), doi: https://doi.org/10.1016/j.scs.2026.107385.
稿件编辑：徐绍芳
稿件审核：刘俊杰、田媛
