CN105431632A - 改变建筑物结构处的气流的方法及系统 - Google Patents

Abstract

在一种实施方式中，提供了一种在建筑物结构的至少一个位置处改变气流的方法，所述方法包括：在所述建筑物结构的至少一个位置处产生第一气流；以及利用所述产生的第一气流改变所述建筑物结构的外部的第二气流。还提供了一种配置成改变气流的装置。

Description

改变建筑物结构处的气流的方法及系统

相关申请的交叉引用

本申请主张于2012年11月30日提交的美国临时申请第61/731,889号的优先权，上述美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。

彩色附图

本专利或申请文件包括至少一幅彩色附图。提出请求并交纳必要的费用后，可由专利局提供本专利或专利申请的带有彩色附图的公布文献的副本。

关于联邦资助研究的声明

本发明是在______的政府支持下完成的，获得_____的嘉奖。美国政府在本发明中可以具有某些权利。

背景技术

当代的用于高层建筑物建造的方法代表了现代主流范例，在现代主流范例中，通过使建筑物围护结构的能量传递最小化来最大程度地使室内空间与气候环境相隔离。结果，他们趋向于全面依赖能源密集型机械系统来提供充足的空气供给。此外，高层建筑物通常导致在建筑业中消耗非再生性材料，以通过基于固体的空气动力学修正(“SAM”)来满足与风相关的应用(例如，减少斜风响应或者综合风能发电)的期望的空气动力学性能基准，其中，基于固体的空气动力学修正通过改变诸如建筑物的形状之类的结构或几何特征来实现，或者通过材料的使用和辅助阻尼的添加来实现。

当我们的环境主要包括流体时，常见的建造方法主要限制于通过使用固体建模来调查研究建筑物与它们周围环境之间的相互作用。结果，高层建筑物的设计既依赖于基于固体的空气动力学修正(SAM)方法以满足期望的空气动力学性能基准，还依赖于改变建筑物的几何形状或者结构性质的技术(基于几何学的空气动力学修正或“GAM”)，例如凭借材料以及辅助阻尼系统的使用来改变硬度。尽管这些技术确实提供了一条狭窄的成功之路，但是这些技术不能适应变动的环境条件并且还伴随着实用楼层面积的减少以及总能量消耗的增加。

发明内容

考虑到前述问题，发明人已经认识和意识到积极地控制气流以操控建筑物边界层来获得期望的性能水平的系统和方法的优势。

因此，在一种实施方式中，提供了一种在建筑物结构的至少一个位置处改变气流的方法，该方法包括：在所述建筑物结构的所述至少一个位置处产生第一气流；以及利用所述产生的第一气流改变在所述建筑物结构的外部的第二气流。

在另一种实施方式中，提供了一种用于在建筑物结构的至少一个位置处改变气流的装置，所述装置包括：装置外壳；以及在所述外壳中的流发生器，所述流发生器配置为在所述至少一个位置处产生第一气流。产生的第一气流可以改变在所述建筑物结构的外部的第二气流。

在又一种实施方式中，提供了一种建筑物结构，该建筑物结构包括在所述建筑物结构的至少一个位置处的装置，所述装置包括：装置外壳；以及在所述外壳中的流发生器，所述流发生器配置为在所述至少一个位置处产生第一气流。产生的第一气流可以在所述建筑物结构的所述至少一个位置处改变在所述建筑物结构的外部的第二气流。

应理解，前述概念以及在以下进行更为详细地描述的其他概念(假设这些概念之间不相矛盾)的组合视为本文公开的本发明的主题的一部分。特别地，出现在本文结尾处的声明的主题的所有组合视为本文公开的本发明的主题的一部分。还应理解，在此明确使用的术语(也可能出现在通过引用而并入的任何公开文献中)，应当符合与本文公开的特定概念最为一致的意思。

附图说明

技术人员要理解附图主要用于举例说明的目的，而不是用于限制在此描述的本发明的主题的范围。附图不是必然成比例的；在某些情况下，可以在附图中夸大或者放大显示本文描述的本发明的主题的各个方面，以帮助理解不同的特征。在附图中，相似的附图标记通常指代相似的特征(即，功能上相似和/或结构上相似的元素)。

图1提供的示意图示出了在一种实施方式中SAM与基于流体的空气动力学修正(“FAM”)的对照；

图2提供的示意图示出了在一种实施方式中通过凭借对边界层的操作来影响建筑物的侧风的力谱，可以使用流体来实现期望的阻尼；

图3示出了在一种实施方式中的烟流显形：(a)原始情况，(b)激励γ＝60°,(c)γ＝180°,并且(d)γ＝180°以及θ＝120°；

图4提供了在一种实施方式中的平均压力系数的图表，其中，未施压(灰色)，施压(橙色)，U_∞＝12m/s；

图5(a)-5(b)提供的示意图示出了在一个实施方式中，圆筒体的(a)几何改变和(b)流体改变以及这些改变的三维风速分布图；

图6(a)-6(b)示出了，在一个实施方式中，具有水平喷口以及压力孔的FAM主体(a)和GAM主体(b)的照片；

图7示出了在一种实施方式中，压力系数作为FAM和GAM的范围(靠近吸气峰值的位置)的函数而变化，其中，(a)为具有顶部围护结构，(b)为不带有顶部围护结构，C_b＝0.6,θ_j＝113°,θ＝75°；其中，θ_j是人造射流相对于自由气流速度的方位角位置，而θ是模式的方位角位置；

图8提供的示意图示出了在一种实施方式中，FAM如何影响室内环境的一种可能方案；

图9提供了的示意图示出了在一种实施方式中，改变后的气流如何重新界定建筑物围护结构；

图10示出了在一种实施方式中，与未施压的原始情况相比在阻力减少过程中施加相对冲击的FAM模型，减阻率达45％；

图11示出了在一种实施方式中，在风洞中进行测试的圆筒体模型的内部视图，其中，圆盘是用于提供人造射流的人造射流主动式流控制(“AFC”)激励器，所述激励器可以用于产生不稳定的射流，在一种实施方式中，该射流以相对较小的能量投入改变经过主体表面的气流；

图12示出了在一种实施方式中，针对有限圆柱体的原始情况(baseline)和两种施压情况，在下游的一直径的流向位置或者距圆筒体轴线10.16厘米(4英寸)的位置收集的立体粒子图像测速(“PIV”)数据，图中的颜色表示板外的速度，向量为板内的速度分量；

图13示出在一种实施方式中施加的人造射流，其吹气比为0.6，与自由气流速度呈113度，左边的图显示了中部的方位角的无量纲压力分布，该分布为角度的函数，其中黑线表示未施压情况，蓝色棱形图表示施压的结果，红线表示的是人造射流的位置；

图14显示在一种实施方式中，表示缩小比例尺(1:200)的20层高的建筑物的模型，模型顶部的椭圆形是5个由压缩空气(稳定施压)供给的喷射器，孔阵列是用于测量被射流影响的表面压力的压力孔；

图15示出了图14(着色前)所示的模型的顶端，其显示用于将压缩空气供给至喷射器的软管；

图16示出了在一种实施方式中，当未应用射流时图14所示的模型的顶部：气流(用烟显影出的)在棱柱顶部的迎风边缘(从左向右流动)分离；

图17示出了在一种实施方式中，当应用射流时图14所示的模型的顶部：气流(用烟显影出的)贴附于棱柱顶部；

图18示出了一张(非标准化的)图表，显示了在一种实施方式中射流的流速变化，如该图表所示，随着射流的流速的增加，表面压力逐渐减小直到其到达、朝向模型顶端的背风面，与完全不应用射流的值(如图例中的原始情况所示)相同；

图19提供了在一种实施方式中，在40lpm(升/分钟)下浮质流的速度矢量场的全局视图，其中(a)原始情况，以及在(b)拉动模式，(c)推送模式，(d)拉-推模式下激活的D4¹/₄150的人造射流；

图20(a)-20(b)示出了在一种实施方式中(a)矩形建筑物周围的简化的流型与(b)具有集成流控制系统的建筑物的流型之间的对比；

图21提供了示出在一种实施方式中产生人造空气射流的设备的示意图；

图22提供了示出在一种实施方式中的流场显影的示意图，所述流场显影示出了人造射流和圆筒体模型周围的流场之间的相互作用；

图23提供了示出在一种实施方式中具有集成人造射流的扩散器的示意图；

图24提供了示出了在另一种实施方式中具有集成人造射流的扩散器的示意图；

图25(a)-25(b)分别显示在一种实施方式中，进气导管在具有和不具有用于减缓分离的主动式流控制的不同情况下速度矢量场的示意图；

图26提供的示意图示出了在一种实施方式中，建筑物围护结构的轴侧投影的示意图，其中，建筑围护结构包括主动式流控制激励器，以控制建筑物围护结构的热传递来平衡波动的气候条件和室内的机械环境；

图27提供了在一种实施方式中，所述系统对于建筑围护结构的热传递的影响的示意图；

图28示出了在一种实施方式中在内部应用本发明的装置和方法的一个实施方式的效果；

图29提供了在一种实施方式中，用于控制建筑物周围的流型的资源和技术的简图；

图30提供了在一种实施方式中，用于提高建筑物集成风力涡轮机功率输出的策略的简图；

图31(a)-31(c)提供了在一种实施方式中，在屋顶条件下通过主动式控制系统操控风流的示意图，(a)显示使用用于立式风力涡轮机结构的建筑物集成的主动式和混合式流控制系统(“BIHFCS”)；(b)显示使用用于卧式风力涡轮机结构的BIHFCS；(c)显示使用用于层叠的卧式风力涡轮机结构的BIHFCS；

图32提供了在另一种实施方式中，在屋顶条件下通过主动式控制系统操控风流的示意图；

图33提供的示意图示出了在另一种实施方式中，基于风力增强转子平台(“WARP”)的具有集成的风力涡轮机的建筑物的截面；

图34提供的示意图示出了在BIHFCS的一种实施方式中所述的集成化系统的几个部件。

具体实施方式

以下对一种具有创造性的系统和方法的各种相关的概念和实现方式进行更为详细地描述，其中所述系统和方法用于积极控制气流来操作建筑物边界层以获得预期的性能水平。应当理解，由于披露的思想不限于任何特定的实施方式，因此上文引入的以及在以下更为详细地进行讨论的各种概念可以通过多种方式中的任意一种进行实施。所提供的特定的实施方式和应用方式的示例主要用于说明性的目的。

改变气流的方法

在一种实施方式中，提供了一种改变在建筑物结构中至少一个位置处的气流的方法，该方法包括：在所述建筑物结构中的至少一个位置处产生第一气流；以及利用所述产生的第一气流改变在所述建筑物结构外面的第二气流。

该建筑物结构可以包括任何类型的建筑物结构。例如，该建筑物可以是高层建筑物、低层建筑物或者任何静态体。在一些实施方式中，虽然该建筑物结构是静止的，但该结构可以在一个移动的平台上。在一种实施方式中，所述建筑物结构可以包括至少一个阻流体。

在一种实施方式中，改变所述气流的所述至少一个位置可以是所述建筑物结构的一个或者多个位置。在至少一种实施方式中，措词“在位置处”(例如，在建筑物结构的位置处)可以指在所述建筑物结构的内部、在所述建筑物结构上、和/或在所述建筑物结构的外部。在一种实施方式中，所述位置可以是所述建筑结构的边缘。例如，所述位置可以是所述建筑物结构的一个(或者多个)侧面、所述建筑物结构的顶部或者这两者。在所述建筑物结构具有不含锐利边缘的几何结构的实施方式中，所述位置可以是所述建筑物结构的外周上的一个位置。在一个可选的实施方式中，所述位置可合并在所述建筑物结构的建筑物围护结构内。所述位置可以是所述围护结构上的任意一点：该围护结构的边缘和/或表面。在一种实施方式中，所述装置可以集成到围护结构的表面(例如，覆面镶板、玻璃单元、覆面元件的框架、幕墙竖框、以及拱肩，等等)中或者作为一个独立的组件。所述装置也可以集成到所述围护结构边缘的延伸部分中，如图31(a)至图31(c)以及图32所示，所述装置集成到所述建筑物的栏杆。

所述第一气流可以包括脉冲气流、恒定气流或者两者兼具。在一种实施方式中，在改变所述第二气流前，所述产生的第一气流可以与包含脉冲气流的第三气流结合。在这里术语“脉冲”不局限于任何特定的频率。取决于应用，空气射流的脉动可以是任何值。在此使用的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用来表示这些术语所描述的不同实体，并不表示这些实体需要按照一个特定的顺序传送。因此，在一些实施例中可以改变顺序。

可以通过任何适当的技术或者机器产生所述第一气流。例如，可以通过至少一种机械气流系统来产生所述第一气流。在一种实施方式中，通过压缩空气系统产生所述气流。在一种实施方式中，所述机械系统配置为产生各种类型的适于气流的空气射流。取决于应用，所述机械系统可以产生或者不产生空气射流，该空气射流是所述第一气流的一部分，或者是所述气流。所述空气射流可以包括脉动空气射流、恒定空气射流，或者两者兼具。在一种实施方式中，所述第一气流的产生包括至少一种脉动空气射流。在另一种实施方式中，所述第一气流的产生不包括任何脉动空气射流。在一种实施方式中，通过以下的至少一种在所述建筑物的内部通风管道以及吹气口产生所述第一气流：(i)室内浮力；(ii)所述建筑物周围的气压差；(iii)排气。所述排气可以来自于加热系统、通风系统和/或加热机械系统。在一种实施方式中，可以通过使用已经存在的气流资源来产生所述第一气流，并且所述第一气流用于将所述已经存在的气流资源引导到所述建筑物的外部。因此，在这种实施方式中，对于现存资源的依赖会使能源投入的需求最小化(或者大体上地消除能源投入的需求，或者甚至完全地消除能源投入的需求)。在一种实施方式中，这样的设计不同于通过电力或者压缩空气来产生所述喷射。

所述第一气流的产生可以包括利用能量源来产生所述气流。所述能量源可以是任何一种便于向所述适当的仪器和/或机器提供电力/能量以产生所述第一气流的设备。所述能量源可以位于所述建筑物的内部或者外部。作为选择，所述能量源可以安装在所述建筑物结构。所述能量源可以配置为独立于所述建筑物结构的现存的动力系统而工作。可选地，所述能量源可以是所述建筑物结构的现存的动力系统的一个主要部分。在一种实施方式中，所述能量源配置为从所述建筑物的现存的动力系统转移能量。

所述第二气流可以在所述建筑物结构的外部。所述第二气流包括相对于所述建筑物移动的周围空气的自然流动。所述流动可以是与速度、方向等有关的任何方式。例如，所述流动可以向内进入所述建筑物结构的内部、向外到所述建筑物结构的外部、沿所述建筑物结构的侧面、或者围绕建筑物的拐角等等。

在一种实施方式中，气流的改变可以指对所述气流施加变化。所述变化可以指任何类型的变化。例如所述变化可以涉及速度、方向、方式(例如湍流、层流等)等等。在一种实施方式中，所述改变可以指控制气流以使所述流动达到预先确定或者预先指定的水平或数值。例如，所述气流的改变可以包括控制以及修整所述气流以获得特定的流动速度、方向、方式等。对比于先前存在的GAM模型，本文的至少一种实施方式所提供的改变可以包括大体上地不改变所述建筑物结构的几何形状。

所述第二气流的改变可以包括将所述产生的第一气流应用到所述第二气流以控制所述第二气流(涉及速度、方向、方式等)。将所述产生的第一气流应用到所述第二气流可以产生不同于所述第二气流的第三气流。结果，所述第二气流被修改成第二气流与第三气流的组合。在一种可替代的实施方式中，作为通过所述产生的第一气流改变所述第二气流的结果，所述第二气流将大体上地(或者完全地)终止存在。在这种情况下，改进后的气流可以是不同于所述第二气流的第三气流。在一种实施方式中，改变气流的方法包括通过压力差将所述第二气流转移至所述建筑物结构的内部以及将所述被转移的第二气流释放回所述建筑物结构的外部。

在一种实施方式中，由所述风引起的压力差可以被引导穿过所述建筑物并在至少一个合适的和/或预定的位置释放。例如，如图29所示(左上角的图)，将击打在所述建筑物的围护结构的风(高压)引导至低压区域可以使所述气流与所述建筑物分离。通过高压气流区域到低压区域之间的引导，可以改变和/或控制所述(由于低压)分离的气流。在一种实施方式中，可以使用该方法来减少建筑物边缘的气流分离。

在改变过程中，所述产生的第一气流可以成角度地施加于所述第二气流中，从而产生区别于所述第二气流的第三气流。或者，同上所述，所述第二气流可以终止存在，并且改变后的气流不同于所述第二气流。所述角度可以是任何值，包括任何正值或者负值。例如，所述角度可以在0°(与所述气流的方向平行)到90°(与所述气流垂直)之间。

可以监视和控制对所述气流的改变。所述监视和/或控制可以包括至少一个监视和/或控制系统。所述系统例如可以是闭环控制系统。所述闭环控制系统可以包括一个或更多的传感器、一个或更多的控制器和/或一个或更多的激励器。图29提供了一幅图，其示出了在一种实施方式中用于控制建筑物周围的流型的方法和技术。所述控制和监视系统可以被至少一个配置为提供所述控制/监视功能的计算机系统控制。所述控制/监视功能通过软件来执行，所述软件包括安装在永久性的计算机可读介质中的算法。当执行所述软件的算法时，所述软件的算法可以按照程序监视和/或控制所述系统。

装置

在一种实施方式中提供了一种可以配置为在建筑物结构的至少一个位置处改变气流的装置。所述装置可以配置为改变所述建筑物结构的至少一个维度的轮廓。依据环境，所述维度可以指高度、宽度、深度等。或者，所述装置可以配置为不改变所述建筑物结构的任一维度的轮廓。在一种实施方式中，所述装置可以在不改变所述建筑物本身的几何形状的条件下改变所述建筑物周围的气流分布。所述装置可以配置为执行如上所述的任何一种气流改变。

在一种实施方式中，所述装置可以包括装置外壳以及在所述外壳中的流发生器，所述流发生器配置为在所述至少一个位置处产生第一气流。产生的第一气流可以改变所述建筑物结构外部的第二气流。所述装置可以位于如上所述的任何位置。在一种实施方式中，如图21所示，所述装置可以包括配置为产生人造空气射流的设备。例如，所述装置可以位于所述建筑物结构的边缘。例如，改变气流的位置可以包括所述建筑物的侧面、所述建筑物的顶部以及集成在所述建筑物围护结构内的位置中的至少一个。在一种可替代的实施方式中，所述装置可以位于与改变气流的位置不同的位置。在一种实施方式中，所述装置外壳为下述中的至少一种：(i)安装在所述建筑物结构的边缘上；(ii)集成到所述建筑物结构的边缘中。在一种实施方式中，所述产生的第一气流相对于所述第二气流成一定角度地从所述装置外壳排出。所述装置可以是一个综合系统的一部分，例如如图34所示的BIHFCS(在下文进行更为具体的介绍)。

所述装置可以进一步包括配置为产生所述第一气流的设备。所述设备可以包括如上所述的任何一种机械系统和设备。在一种实施方式中，所述装置可以进一步包括至少一个吸气口，其中所述产生的第一气流包括使用至少一个吸气口应用到所述第二气流的吸气流。所述吸气部件可以提供被动式吸入和/或主动式吸入。

建筑物

在另一种实施方式中提供了包含本文所描述的装置的建筑物结构。在一种实施方式中，所述建筑物结构可以包括在所述建筑物结构的至少一个位置处的装置，所述装置包括：装置外壳；以及在所述外壳中的流发生器，所述流发生器配置为在所述至少一个位置处产生第一气流。所述产生的第一气流在所述建筑物结构的所述至少一个位置处改变在所述建筑物结构的外部的第二气流。图14-图17示出了在一种实施方式中的烟可视化测试中，主动式的气流控制对模型建筑物块周围的空气分布的影响。图20(a)-图20(b)以简化模型图解的方式示出了普通建筑物周围的流型与带有综合流动控制系统的建筑物周围的流型之间的对比。并且，图25(a)-图25(b)分别示出，在一种实施方式中，具有和不具有用于减缓分离的主动式流动控制的进气导管的速度矢量场。

所述建筑物结构可以包括配置为至少使用改变的第二气流产生电力的发电设备。所述发电设备可以包括风力/燃气涡轮机以及风力发电所需的任何其他器具。所述风力涡轮机可以位于如上所述的改变气流的任何位置。例如，所述涡轮机可以位于所述建筑物结构的顶部。图30-图44示出了几个在屋顶集风发电的实施方式。在一种实施方式中，所述建筑物结构可以包括配置为至少使用改变后的第二气流在所述建筑物结构的内部过滤空气的空气过滤系统。在另一种实施方式中，所述建筑物结构可以包括配置为至少使用改变后的第二气流在所述建筑物结构的内部及外部之间交换热量的传热系统。

应用

改变后的气流可以用于各种不同的应用。在一种实施方式中，改变后的气流可以用于在所述建筑物结构中产生动力。所述动力可以是电力、热力等等。例如，改变后的空气能够增强气流以引起至少一个涡轮机旋转，从而产生电力。在一种实施方式中，根据不同的位置，所述动力可以在所述建筑物结构的内部或者外部产生。可以将所述产生的动力供给到所述建筑物中使用或者可以将所述产生的动力反馈给输电网络。

本文提供的所述系统(包括装置)以及所述方法可以在各种不同的应用中实施。在一种实施方式中，它们可用于控制所述建筑物围护结构处的空气过滤。在一种实施方式中，为控制所述空气过滤，可以将传感器设置在所述建筑物围护结构中并且测量内部和外部的压力。当所述围护结构两侧之间的压力差很大时，可以从所述建筑物释放空气流(射流)来改变所述建筑物周围的气流。因此，在本实施方式中，一旦所述压力差平衡，就可以停止空气释放。

在另一种实施方式中，可以采用本文所述的系统及方法来控制建筑物结构的内部的室内气流分布。例如，所述系统可以包括，或者是，用于HVAC的传输组件/系统的集成的流控制设备(例如，主动式扩散器)。图23和图24示出了两种可选实施方式中的使用集成人造射流的扩散器。所述主动式扩散器可以配置为使室内气流特征最优化，所述气流特征例如射流行程、射流的与天花板接触和分离位置、以及全流速射流轨迹和减速射流轨迹。

在另一种实施方式中，可以采用本文所述的系统和方法来控制有限空间(例如建筑物内部)中浮质的驱散和去除。例如，所述系统可以包括集成的流控制设备和集成到室内环境中的传感器阵列。所述系统可用于导引和引导浮质烟流进入指定的通风口，该通风口将浮质从整个空气循环系统移除到指定的容器中而不是排回到环境中。参见图19(a)至图19(b),所述附图提供了在不同模式中40lpm的浮质运输槽中速度矢量场的全局视图。

在另一种实施方式中，可以采用本文所述的系统和方法来控制建筑物围护结构的热传递。在一种实施方式中，可以通过在所述建筑物围护结构中设置传感器来测量内部和外部的温度以控制所述热传递。基于所述围护结构的两侧间的温度差以及期望的温度管理策略，可以从所述建筑物释放空气流(射流)来改变所述建筑物周围的气流以增加/减少/维持热传递。因此，在这种实施方式中，一旦满足所述温度差或者目标热传递率，空气释放就可以停止。图26提供了示出建筑物围护结构的轴侧投影的示意图，其中，建筑围护结构包括主动式控制激励器，用于控制围护结构的热传递来平衡波动的气候条件和室内的机械环境。图27至图28进一步展示了在不同的实施方式中本文所描述的装置以及方法对所述建筑物围护结构的内部的影响。

在另一种实施方式中，可以采用本文所述的系统和方法来减少作用在建筑物结构上的风力载荷和/或斜风响应。例如，所述系统可以包括用于主动阻尼建筑物周围的流体流位移的可响应的建筑物围护结构集成的流控制设备。所述系统可以使用流体激励器来减少作用于建筑物以及高层建筑的风引起的力(即斜风响应和加速度)，其中可以进行或不进行围护结构集成表面形态的改变，所述围护结构集成表面形态的改变凭借人造射流来实现和/或与未使用的资源合作，所述未使用的资源例如由大气压差、上升热气流(烟囱)压差和/或机械(HVAC)压差引起的气流。在一种实施方式中，为减小作用于所述建筑物结构的风力载荷，可以采用传感器并使传感器位于所述建筑物上来测量对风力载荷的结构响应(平均值和共振)。基于传感器的输入，可以在各个位置从建筑物中释放气流(射流)以减少风力载荷和建筑物动态响应。一旦所述建筑物响应达到期望的范围，所述射流就可以停止。

在另一种实施方式中，可以采用本文的所述系统和方法来增大由建筑物集成风力涡轮机产生的电力。例如，所述系统可以包括可响应的建筑物围护结构集成的流控制设备，减少作用于建筑物以及高层建筑的风引起的力(即斜风响应和加速度)，所述可响应的建筑物围护结构集成的流控制设备用于通过实质改变建筑物表面来显著地提高建筑物集成的风力(“BOW”)设备的产量(电力输出)，其中可以进行或不进行围护结构集成表面形态的改变，所述围护结构集成表面形态的改变凭借人造射流来实现和/或与未使用的资源合作，所述未使用的资源例如由大气压差、上升热气流(烟囱)压差和/或机械(HVAC)压差引起的气流。在一种实施方式中，为增大由建筑物集成的风力涡轮机产生的电力，可以使用激励器并且将激励器设置在所述涡轮机旁来改变所述建筑物的空气动力学性能水平，以提高进入所述涡轮机的气流的质量，其中，所述激励器可以在所述建筑物围护结构中，也可以作为一个独立的装置。可以释放气流来改变进入所述风力涡轮机的气流。

图30至图33显示了各种不同的实施方式，在这些实施方式中采用本文所述的主动式流体控制系统以获取风力来产生动力。图31(a)至图31(c)提供了显示在另一种实施方式中，在屋顶条件下通过主动式控制系统控制风流的示意图；(a)显示使用用于立式风力涡轮机配置的BIHFCS；(b)显示使用用于卧式风力涡轮机配置的BIHFCS；(c)显示使用用于层叠的卧式风力涡轮机结构的BIHFCS。在这种实施方式中，图31(a)至图31(c)证明所述装置不限于特定的风力涡轮机类型，并且可以适用于卧式涡轮机、层叠的卧式涡轮机、二者的组合以及其它类型。

非限制性的工作示例

实施例1：建筑物的空气动力学性能

在高层建筑物的建造中轻质及高强度材料的发展及与日俱增的使用，提供了更大的灵活性以及减少的阻尼，并且提高了高层建筑物的对于动态风力载荷效应的敏感性，其中，所述动态风力载荷效应限制了加入这些新材料所带来的收益。与此相关的一种风险是由冯·卡门式(von-Kármán-like)旋涡分离所引起的结构固有频率或接近固有频率的共振振动，所述旋涡分离由气流分离引起。动态风力载荷效应与风力成比例地增加，导致高层建筑物要花费相当大的材料代价来提高固有频率和/或提供阻尼。特别地，斜风响应通常影响强度和适用性(人类可居住性)设计准则。

虽然SAM和GAM策略都具有价值，但是由于对于质量和硬度的结构需求的增长，它们通常是以减少的有价值的可出租区域以及高的工程造价为代价，而且还进一步导致建筑行业大量消耗不可再生资源。因此，传统的基于空气动力学的解决方案可能要以可居住的以及有价值的楼层面积为代价，所述有价值的楼层面积进而可能需要附加的补偿性楼层，这进一步增加了风力载荷和建造成本。

虽然SAM方法依赖于建筑物及其空气动力学性能的几何形状和材料性能，但是，推荐的基于流体的空气动力学修正(“FAM”)是不同的。图1提供一种显示了在一种实施方式中SAM与FAM的比较的示意图。图1示出了，在一种实施方式中，SAM物理地改变原始的建筑设计来减少风力载荷，因此SAM需要附加的补偿性楼层；而FAM在保留经济最优化和维持最佳的容积率(“FAR”)的原始设计的同时控制气流。代替调整固体材料以改进结构的空气动力学形状，而使用基于流体的流控制来控制边界层特性(见图1)，即建筑物与气流间的相互作用的区域，这样气流虚拟地“看到”不同的形状。FAM是主动式的流动控制(“AFC”)策略，即一种仅在需要时利用动力输入并改变气流的策略。如图2所示，本文所述的系统和方法的一个目标是缓解气流分离从而减少分离的旋涡的影响、减少风力载荷以及减少穿过建筑物围护结构的压力波动。图2显示了，在一种实施方式中，减少建筑物结构的机械性阻尼需求来获得期望的适用性条件。FAM方法依赖于边界层控制(“BLC”)发展出的思想，并且迄今为止，FAM方法已经主要应用在航空工业领域。然而，在过去一直未调查研究它对于在高湍流中的阻流体(建筑物)的应用以及对波动载荷的影响。在一种实施方式中，可以采用BLC的两种策略：

1、不稳定的施压：凭借定期性干扰的空气动力学性能的改变

传统地，用于防止分离的边界层控制与靠近边界层的表面的高动量流体的稳定增加(吹风)或者减速流体的消除(吸气)相关，从而使高动量自由流体转向所述表面。

2、稳定的施压：凭借稳流的空气动力学性能的改变

第二，较新的以及较节能的方法是定期性的干扰，其通常被视为动量的振动增加。与稳流策略(寻求简单地对气流增加或者消除动量)不同，定期性干扰利用气流中自然发生的频率和与之相关的结构的知识。因此，相比于稳流策略，通过把结构作为目标，定期性激发可以更有效地改变气流的特征。此外，通过相当高的刺激频率可以实现对对象的有效塑形，其中所述气流有效地看见不同的形状。见图3。在图22中显示了在一种实施方式中的流动显形的一种可选的图解，其示出了人造射流与圆柱体模型周围流场之间的相互作用。

尽管与稳定施压相比，不稳定施压更加复杂，但是较稳定施压而言，不稳定施压具有三个主要优势：动力需求呈数量级减小，激励器可与主推进系统分离，并且激励器是自治的、小型的以及轻质的。在本工作中，人造射流(既不增加质量也不从流场中减少质量，即零净余质量流量)被用作为定期性干扰激励器。这些激励器凭借隔膜的定期性运动而运转，该隔膜(典型地)由压电盘驱动。

施压的动量的增加通常使用吹气比C_b来进行量化：

$C_b=\frac{U_j}{U\mathrm{\∞}}---\left(1\right)$

其中，U_j是射流速度，U_∞是自由气流速度，并且动量系数C_μ：

$C_{\mathrm{\μ}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_j{U}_j^{2}bh}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\∞}}{U}_{\mathrm{\∞}}^{2}DH}---\left(2\right)$

其中，ρ_j和ρ_∞分别是射流和自由气流速度的密度。U_j和U_∞是射流速度和自由气流速度。D，H，b，h分别是模型宽度和高度以及喷口的宽度和高度。

实验工作

在一个开放-回流的低速风洞中进行测试。所述风洞具有一个横截面为0.8x0.8米的测试区，并且该风洞长为5米，最大速度为50m/s，湍流度小于0.2％。测试在均匀流条件下进行。尽管高层建筑物浸在大气边界层中，并且暴露于不均匀的平均速度和湍流强度分布，但是随着建筑物越高，均匀流就越相关。在此进行的实验的目的在于在没有湍流边界层的额外的复杂性的情况下，调查作用于阻流体分离的FAM。

研究范围从施压与横流之间的交互作用的物理测试，到它们对各种阻流体的空气动力学性能的影响，再到沿着建筑学参数集成空气动力学性能参数以评估对整个建筑物性能的影响的框架。

在棱柱顶部应用使用稳定施压的FAM的可行性研究

建立一个实验来调查稳定施压和非稳定施压对越过棱柱顶部的气流的影响——在这部分仅讨论稳定施压。

建立：在RPI，在风洞设备中测试纵横尺寸比为1:1:3的棱柱。在顶部表面记录压力测量值，在该顶部表面，在上风面边缘的附近设置一排稳定射流。以三种不同的速度(U_∞＝12，18以及24m/s)进行测试，并且由压缩空气管路提供的射流在流速(Q＝10–70L/min)的范围内。调整喷口的方向使得所述射流以相对于棱柱的顶部表面呈20°角地向下游射出。

结果：测试表明将对越过棱柱顶部的流动施压会影响所述表面范围内的压力分布。压力系数(压力的无量纲化的测量)定义为：

$C_{\mathrm{\ρ}}=\frac{P-P_{\mathrm{\∞}}}{\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\∞}}{U}_{\mathrm{\∞}}^2}---\left(3\right)$

其中，P是在所述棱柱的所述表面测量的压力，P_∞是自由气流的静态压力。C_ρ(对于附加的流动)的更多负值与大一些的近表面速度有关。

流速的增加导致(更大的动量增加)成比例地减少压力系数(见图4)，其表明通过应用施压使得分离的边界层更靠近所述表面。

因此，虽然不受任何理论的束缚，但在建筑物的护栏的边界层分离控制会导致抬起分离区域上方的风力涡轮机的结构损失的减少，其典型地用来避免剪切流。

实施例2：对比性研究：FAM对GAM

参见图5至图6，进行另一实验来证明FAM主体可以实现通过几何学修正(“GAM”)的主体所完成的气流增强的各个水平，而不改变原主体的形状。GAM主体利用风力增强转子平台(“WARP”)。由于WARP增强风速的能力，WARP应用于建筑物围护结构或者将WARP作为高层建筑物顶部的结构已经引起了建筑师们的特别关注。不幸地，由于WARP的几何结构，以及楼层面积损失的建筑学的和经费的问题，以这样一种方式集成建筑物集成的风力涡轮机(“BUWT”)是不可行的。

建立：进行计算流体力学(“CFD”)模拟实验来集成所述设计并且测量基于GAM模型的WARP的被动流增强。一系列的风洞实验将GAM模型(图6(a))的气流速度放大与FAM模型(图6(b))的气流速度放大进行比较；缝隙是射流的喷口并且孔洞是用于表面压力测量的压力孔。图11显示了在风洞中测试的圆筒体模型的视图。FAM模型是直径为101.6毫米的圆筒，并且纵横比AR＝H/D＝3(即低纵横比以使流场的三维最大化)。以18m/s的自由气流速度进行测试，对应于基于直径的1.17x10⁵的雷诺数。图18示出了显示在一种实施方式中射流的流速的改变的非规格化的图表。该实验以三种不同的流动速度重复进行。

结果：当GAM模型在凹处的速度放大率是(自由气流速度的)16％时，在几乎不进行能量补充下，FAM模型的速度放大率达到在模型的整个范围内增长40％(C_b＝0.6,C_μ＝0.0569％)。

因此，相比于对围护结构进行几何修改，FAM应用于建筑物能够产生较高的速度增加，有助于建筑物集成风力涡轮机(“BUWT”)，而不产生通过GAM方法可见的楼层面积的损失。模拟和实验最终都以参数调整模型(parametrictradeoffmodel)的发展而告终，其中，所述参数调整模型将风能发电参数与建筑学参数集成在一起，以管理气流特性、主动式和被动式放大、BUWT特性、建筑物形状以及能源需求之间复杂的依赖关系。

再进行第三个实验来调查人造射流与带有自由端的FAM模型周围的气流之间的三维的交互作用。由于许多早先关于主动式流控制的研究忽略了许多现实世界中对象的三维性以及它们所产生的三维流场(代表典型的建筑场景)，因此进行该实验。

建立：通过表面压力测量来调查研究由于FAM模型使用人造射流激励器三维施压而产生的流场变化。调查的变量包括启动的人造射流的数量、射流相对于自由气流的角度、以及射流的吹气比。人造射流喷口位于三个分开的展向位置(z/D＝1.37，1.5以及1.63)。每个孔的长度b＝20.32mm，宽度h＝1mm，并且取向成使得所述孔与自由气流的方向平行。以下述条件进行实验：以相对于自由气流的速度成各种角度设置人造射流的中心线、两种吹气比C_b＝0.4、0.6，以及射流的三种不同的组合。

结果：参见图7和图13，相比于与二维圆筒对应的流动场，响应人造射流的施压，自由端的下降气流产生一种独特的流场。人造射流与自由端的下降气流的相互作用导致了FAM的流场的总体变化。人造射流刺激的结果是阻力的减少，其由表面压力分布的变化以及向下游延续一段距离的尾流的缩小来决定。相对于未施压的原始情形以及GAM情形，FAM能够获得更大的C_p的减少量。如图7所示，在所有情形中，表面压力减少了，其表明了近表面速度的加快。

虽然不受任何理论的束缚，但由于建筑物周围的气流的三维性质，在关键位置施压可以影响沿着建筑物跨度(高度)和下游的更大范围的流型、破坏在近场尾流中的分离的涡旋结构的形成、以及减少阻力和结构振动。

应用

FAM对高层建筑物的实际应用包括三个问题：

刺激：为实现对性能预期的影响，将流体激励器集成到建筑物楼层设计中以及其喷口集成到建筑物立面。为了使用最少的能源投入而获得显著的效果，优选使它们接近已知的分离点，这些分割点主要位于建筑物的硬边线。喷口的设计主要由角度和尺寸决定，其中，角度是为在分离区域影响低动量区域而进行流体注入所需要的角度，尺寸由与有效C_b相关的流速决定。

资源：为了不增加能源消耗以及对激励器的类型(稳定或定期的)的依赖，应当对建筑物环境中的动力源进行识别，可以通过使用机械驱动的气流进行识别，也可以通过由于烟囱或风压的压差引起的自然驱动气流进行识别。

控制：为处理沿着建筑物立面的本地情况，FAM系统可以包含传感器和自适应控制器，其中，传感器用来检测接近的气流情况，自适应控制器处理传感器的信息，并向激励器提供控制信号，激励器进而确定幅度和调控(在定期施压的情况下)。所述自适应可以不仅提供沿着建筑物高度或侧面的局部交互作用，而且还能处理在人口密集的城市居住区由于在建筑物的使用寿命期间新建的工程所引起的干扰而导致的建筑环境的变化。

工程成本

尽管在对建设成本的精确影响方面，FAM的应用尚待评估，但仍可以辨别对某些参数的潜在影响。

结构：结构成本通常大约占到总工程成本的20-25％，并且，如上所述，结构成本主要是由风效应带来的。通过FAM处理风力载荷，可以对结构系统的选择产生影响。通过将空气动力学性能与建筑物几何形状分离，建设能力和建设时间可得到显著改善，例如，通过更加简单的建筑物形状得到改善。

立面：建筑物立面成本通常占到总工程成本的约15-18％。建筑物的形状和楼面尺寸越高效，墙体-楼面比率就越低，进而，当建筑物立面成本表示成成本每单位楼层面积(成本/单位楼层面积)时，墙体-楼板比率可以转换成更低的建筑物立面成本。简化建筑物形状和楼层设计的能力还可以使组合幕墙系统的，所述组合幕墙系统可以在工地外制造，并在楼板上进行现场安装，从而减少起重机的使用和起重时间的需求。

楼层设计：从先前的工作可以看出，可以以增加工程成本为代价来实现空气动力学性能的提高，其中，工程成本的增加归因于楼面面积的缺失和增加补偿性楼层的需要。本文描述的系统不会有上述缺陷，因为气流控制是靠流体流实现的，而不是靠建筑本身的结构实现的。

讨论

此处的结果表明，对于重新检查建筑物系统矩阵内部和周围的气流的交互作用来说，对于高层建筑物的空气动力学性能的基于流体的方法可以是一种有用的方案。与气流的内在的不一致性相关的挑战可以打开一种新的模式，这种模式将高层建筑物视为高度自适应的动态系统，能够对与空间波动和时间波动源相关的机遇和挑战作出响应。

从流体的角度观察建筑物，需要开发和整合空气动力学性能设计的方法和工具。其还可以导致发现在建筑物内部以及外部环境中的尚未开发的用于刺激的流体资源。对FAM效应进行评估的量度技术的发展，对于实现上述目的是很重要的。图8-10提供了几个显示了如何将主动流动控制系统和/或方法应用于与建筑物结构相关的各个位置及其效果的示例图。

单独地通过使用流体干涉操控结构的流场来控制该结构的空气动力学性能的意义在于可以影响全局的能量和资源消耗。将对主体的界定扩展至几何形状的固体边界线之外以包括周围的流体，可以重新界定工程结构之间的其他动力学关系，并且可以影响控制横跨所述建筑物立面的热量和质量传递、通过建筑物集成的风力涡轮机采集能量、自然通风策略以及室内空气管理的可能性。见图9。

对建筑物系统矩阵的改造性的重新定义，可能会挑战建筑物内部和外部之间的二元划分—反映出对于源自主流范例的现状的迟来的挑战，在所述范例中，高层建筑物是机械地、内部地驱动，并与建造环境密封隔开。

实施例3-BIAHFC系统

介绍

通过凭借风洞实验、模拟、建筑物激发模型而进行的测试来获得以下结果，所述测试的目的在于证明建筑物集成主动式与混合式的流动控制(“BIAHFC”)系统的可行性。下面将对三个实验的工作进行描述。

第一项工作研究气流和建筑物激发模型之间的交互作用。该研究包括原型的设计和建造以及通过风洞测试和模拟进行验证。本工作注重方法论，即通过将激励器集成到有限模型中并且影响有限模型周围的三维流动来研究用于建筑物应用的AFC。特别地，本工作将研究二维的交互作用，所述二维的交互作用未体现建筑物周围流体的复杂性。虽然本项研究的原始动机是在不对建筑物进行实际整形的条件下通过WARP设计所论证的建筑物集成风力涡轮机来获得流动放大以实现更高的能量输出，但是本动机之外的含义和应用将在下文中描述。

第二项工作是风洞实验，所述风洞实验研究的是集成于低矮建筑物的护栏上的射流对流过它的气流的影响。参照图14。本研究采用的模型表示20层的方形办公楼，以表示与BIAHFC系统相关的建筑块。这项工作证明将射流应用于建筑物的护栏改变了流经规整边几何形状的气流。在本实施方式中，结果表明与建筑物相连接的许多结构(空气处理单元、天线、集成的和安装的风力涡轮机的支撑结构、PV板等)上的风力载荷减小，潜在提高了在屋顶安装的涡轮机的能量输出。

第三项工作关注的是控制室内空气和密闭空间中的空气传播污染。本工作通过两种类型的激励设备执行：人造射流(不稳定施压)和压缩空气喷射(稳定施压)。本研究证实了改变环形模型和矩形模型周围及顶部的流场以处理普遍的建筑形状类型的能力。本模型没有使用任何活动部件来改变气流。

实验工作

工作1

风洞测试的目的是，研究在3-D阻流体上应用3-D施压，以探索应用主动式流控制来减少和改变低纵横比的圆筒体模型周围的气流。所述模型周围的流场、总体的空气动力学载荷和力矩、以及模型/流动交互作用被改变。本研究旨在操控空气动力学载荷和控制气流特性，例如在模型周围的目标位置处的流速。沿着圆筒体的范围以三种不同的组合方式(见图6(a))应用人造射流：1个射流、2个射流和3个射流。这些组合旨在研究单个射流和射流阵列对流经建筑物的气流的影响。图12通过圆筒体尾流的表面压力测量结果和立体式PIV测量结果示出了对有限圆柱体施压的结果：

1.下降气流建立了一种独特的流场，该流场以与2-D圆筒体不同地响应射流施压。

2.射流与下降气流的交互作用导致圆筒体流场的全局性变化，该变化可以在离圆柱体一段距离的下游处感受到。

3.尾流的改变导致压差阻力以及由矢量化的尾流所表示的引起的侧向力的大幅减少。

从原始情况可以看出，下降气流在自由端产生双峰形，同时减少了速度亏损。在两种喷射角度上，具有更高动量的流体被带向尾流的中心线，使尾流结构变窄并引导它，并且引起侧向力(如升力)。

结果证明了在相同的条件下运行，BIAHFC系统仅通过流体方式来改善建筑物的空气动力学性能的可行性。通过控制模型周围的气流，可以减小风力引起的载荷(图13)，以及提高在预定位置的空气流速。因此，BIAHFC系统，特别是在具有人造射流激励器下，可以有效地改善建筑物的所述性能。特别地，BIAHFC系统可以提供降低建筑物上的风力载荷以及提高建筑物集成风力涡轮机的风力发电的能力。

参照图13。基于方位分布，所述射流能够通过改变流通量，对表面压力产生全局影响。然而，因为下降气流的存在，在本工作中射流的作用似乎仅限于紧靠喷射孔的位置。展向图(右侧)显示了与展向距离对应的无量纲化的压力。结果表明，单个射流能导致表面压力大的展向变化。特别是在喷射孔与圆筒体直径的比值为1/100的情况下，这一点十分明显。

工作2

为调查研究稳定施压对顶部的气流分离的影响，在低纵横比的有限棱柱上进行研究。结果表明，流经顶部的气流可通过利用压缩空气喷射进行操控，并且当施压时可减小顶部表面的压力。虽然不受任何理论的束缚，但在屋顶安装的设备(例如，空气处理单元、太阳能电池板、天线等)将会暴露于减弱的风力载荷，并且风力涡轮机将面对更好的风力条件和更少的结构载荷，这将会增大能量产出，并降低结构需求。

工作3

人造射流激励器在具有模拟通风系统的密闭空间，成功地控制气流及浮质的扩散和移动。即使对于最大的颗粒(～100μm)，该颗粒也会紧随载体空气，并对浮质流的导向和移动产生重大影响。结果表明了BIAHFC对于控制有限区空间的室内空气质量的适用性和适合性。

实施例4：

本例子提供了一种新方法，其通过“基于流体的空气动力学修正”(“FAM”)来增强SAM方法，以减少环境影响的区域，所述方法是从最早发展用于航空工业的流控制技术衍生出来的。FAM构成一种与众不同的方法，能实现多变量优化：代替唯一地依赖于对结构内部的固体材料进行调整来改善建筑物的空气动力学“形状”，向建筑物系统矩阵增加基于流体的主动式流控制以操控建筑物边界层，从而改变空气动力学行为，并因此对于内部和外部应用均实现预期的性能。此处的实验结果证实了FAM应用于高层建筑物空气动力学改变。

系统描述：

FAM对于高层建筑物的应用包括3个部分：

刺激：为获得预期的性能效果，将流体激励器集成到建筑物楼层设计中以及它们的喷口集成到建筑物立面中。为了使用最少的能源投入而获得显著的效果，优选使它们接近已知的分离点，这些分离点主要位于建筑物的硬缘处。孔口的设计主要由下述角度和尺寸两个因素决定，其中，角度是为在分离区域影响低动量区域而进行的流体注入所需要的角度，尺寸由与有效的射流射速度相关的流速决定。激励器可以是：

·脉动式喷射器(由施加于压电圆盘或其他机械装置上的电力驱动)。

·稳定喷射器(使用压缩机提供的压缩空气)。

·通风筒装置–具有活动的阀瓣，可以从建筑物周围的高气压区域吸入空气，在低气压区域吹出空气。

·混合装置–通风筒和位于出口平面或喷口周围的人造射流的混合，面对低压区域，在该区域，人造射流被用来增强和引导流经所述通风筒的气流。

能源资源：为了不增加能源消耗以及取决于激励器类型(稳定或定期的)，对建筑物环境中的动力源进行识别：

·通过例如HVAC废气使用机械驱动气流；

·由热差(浮力)导致的自然驱动气流；

·由风压导致的自然驱动气流，其中，所述风压使空气沿着管道从高气

压流向低气压。

控制：为处理沿着建筑物立面的局部情况，FAM系统可以包含传感器和自适应控制器其中，传感器用来检测接近的气流情况，自适应控制器处理传感器的信息，并向激励器提供控制信号，激励器进而确定幅度和调整(在脉动射流的情况下)。自适应不仅可以提供沿着建筑物高度或侧面的局部交互作用，而且还能处理由于新建工程所引起的干扰而导致的建筑环境的变化，所述新建工程是在人口密集的城市居住区中的建筑物的使用寿命期间的新建工程。

实施例5

将主动式控制设备集成于扩散器中，可以通过极少的能量引导室内空间的气流，并且获得相当高的精度。通过流体(例如，空气)干涉而不是通过导向装置、叶片或其他活动零件来控制气流的能力可以通过减少机械或气动设备的需求来节约能量，并且减少阻力损失和因冷凝而在偏转表面上产生的霉臭。结果是，在提高终端用户的能量效率的同时，因高层空气混合而获得了更高的空气质量和热舒适度。通常，成功的终端用户的舒适度主要由适当的空气混合来调节，该空气混合能在室内居住空间提供有限的热梯度。当通过可变风量(“VAV”)空气终端来调节气流以在提供热舒适度之外节约能量时，针对在峰值设计流速下的性能特征而挑选的扩散器可能不能有效地对减少气流发挥作用。在峰值载荷设计下，VAV扩散器不再提供足够的迎面风速或气流行程，也不再充分地混合室内空气。从扩散器送来的已调节的空气直接向下“倾倒”到所述空间中，位于扩散器之间的区域接收不到空气移动，导致住户投诉“窒息”情况。因此，从住户舒适度的角度来看，这一系统是不可接受的。

为解决VAV设备不能实现适当的空气混合以及热舒适度的缺陷，设计师们经常建议使用串联型风机(FPB)终端设备。使用FPB的明显好处之一是改善了空气的扩散。由于FPB具有恒定的气流流速，因此，可以选择由FPB终端设备用作的扩散器来优化扩散器的迎面风速和气流行程，以维持室内空气一贯的混合、提供更加均匀的温度以及提高住户的舒适度。然而，FPB的定量运行并不能提供归因于基于载荷变化而减少气流的能量节约。

本例子研究了通过改进扩散器的设计可能带来的潜在的能量和成本节约效益。目标是发展一种能为大范围的变化气流改善空气分布效果的扩散器设计。其中一个目标是在先前使用过效率不高的FPB终端设备的地方改善在全载荷条件下住户的舒适度，并且允许设计师使用性价比高的VAV终端设备。

系统描述

该系统与如上所述的用于外部控制的系统相似。喷射器可以集成到安装于天花板、楼板或墙体的扩散器中。扩散器可以位于房间中心或靠近房间的侧面，并且可以是各种形状，例如，矩形、圆形或线形等。喷射器可以集成于扩散器的出口板，其目的是操控通过HVAC管道进入扩散器的气流以使所述气流分布到需要的地方或容积中。可以基于控制器的输入对空气进行操作，其中，所述控制器可以从安装于房间的传感器接收实时的空气测量数据。

应用

控制室内气流分布

传感器安装于建筑物内部并且测量空气速度、室温和占有率。一旦需要改变来自HVAC系统的气流，就可以释放集成于HVAC扩散器中的喷射器，从而改变由HVAC所提供的通过扩散器进入室内的主气流的行程、分布或速度。

控制在密闭空间中浮质的消散与祛除

传感器可以位于建筑物内部并且测量空气含量(各种气体)。一旦检测到一缕煤气并对其进行了祛除，就可释放集成到HVAC扩散器的喷射器，以改变由HVAC通过扩散器提供的主气流的气流行程、分布以及速度，从而引导该缕煤气进入一个单独的出口，并从居住空间祛除。

参见图34，描述了集成系统的几个组件。设备1是屋顶扩散器/激励器：安装在建筑物顶部的设备。该设备与建筑物的护栏相连，可以作为一个独立的设备，或者作为建筑物幕墙的一部分。该设备内部含有喷射器(喷射腔室和喷口)和将喷射器与HVAC的出气管道相连的管子。HVAC系统的释放气被引导流经所述管道并通过喷射器进行释放。喷射器成形为具有变窄部分以提升空气速度来影响建筑物顶部的气流。可以在喷射器的出口平面(喷口)处并入人造射流以精确和节能的方式引导喷射腔室传出的气流。

设备2则是拱肩扩散器/激励器：安装在建筑物立面上的设备。该设备是建筑物幕墙的一部分。所述设备包括喷射器(进气口、导管和喷口)。图25是显示了在一个备选的实施方式中，在具有和不具有用于减缓分离的主动式流动控制的不同情况下进气导管的速度矢量场的示意图。图26提供了显示在一种备选的实施方式中，所述系统对于建筑物围护结构的热传递的影响的示意图。喷射器成形为具有变窄部分以提升空气速度，并且位于建筑物的拐角附近以利用拐角两侧的气压，所述气压可以使空气通过喷射器在进气口侧被吸入，并且在喷口侧以更高的流速释放。可以在喷射器的出口平面(喷口)处合并人造射流以精确和节能的方式引导喷射腔室传出的气流。

设备3则是拱肩扩散器/激励器：安装在建筑物立面的设备。该设备是建筑物幕墙的一部分。所述设备包括喷射器(进气口、导管和喷口)。喷射器成形为具有变窄部分以提升空气速度，并且所述喷射器位于建筑物的拐角附近以利用拐角两侧的气压，以使空气通过喷射器从进气口侧被吸入，并且以更高的流速从喷口侧释放。人造射流可以在喷射器的出口平面(喷口)处并入以精确和节能的方式引导喷射腔室传出的气流。

设备5是室内扩散器/激励器：安装在室内空间的内墙、吊顶/活地板上。该设备是建筑物HVAC系统的一部分。该设备包括主要的HVAC气流通道和人造射流阵列，所述人造射流阵列在HVAC的出口平面处并入以精确并且节能的方式引导来自HVAC导管的气流。

设备6是主动式流控制面板：安装在建筑物立面上的设备。该设备是建筑物幕墙的一部分。该设备包含有并入面板表面的人造射流阵列和传感器。所述设备与控制器连接。基于控制数据，激活射流并且传感器测量气流特征来关闭循环。

实施例6

实验目的

本实施例证实了FAM在没有物理改变或修改结构(其导致空间的必然损失以及材料和能源使用的增加)的情况下优化空气动力学性能的能力。对于复杂的流体/结构的交互作用，将空气动力学性能与结构的或者几何特征分离，这将使得建筑物更好地响应平均风力载荷以及波动的风力载荷，同时增强了所述建筑物的经济上的可行性，并由此提高它们的耐久性，从而成为与迅速增长的城市人口相适应的普遍可接受的建筑类型。本实施例证明了FAM方法在控制建筑物气流条件，尤其是减少作用于建筑物的风力载荷方面的可行性。

实验建立

该实验是在RPI的一个开放-回流低速风洞中进行的。所述风洞包括0.8x0.8x5m的空气动力学测试区，该测试区的最大速度为50m/s，湍流度低于0.25％。通过所述风洞的延伸部分来模拟大气边界层，所述延伸部分具有1.2x1.2x边界层湍流的测试区，该边界层湍流由带有粗糙块的地板安装板来模拟。动力与倾覆力矩均由高频力平衡仪(“HFFB”)进行测量，其中，该高频力平衡仪具有1400赫兹(Fx，Fy，Tz)至2000赫兹(Fx，Fy，Tz)的共振频率。所有的测试都在U∞＝10m/s以及迎角在0到45度之间的条件下进行。

测试模型

FAM模型：稳定施压模型(模型A)，具有矩形剖面并且纵横比为1:2:15(34mm:68mm:520mm)，集成有11个喷射器构成的阵列(每侧各5个，顶部1个)，并且位于x/D＝～0.08的位置(尽可能接近前部边缘)。射流释放角度设计为与该模型的窄侧平行，以在分离区域冲击减速气流区域。吹气比由连到压力传感器的输入端的热电线校准。

实验结果

实验结果显示了对于空气动力载荷施压的实质影响。发现了射流速度的提升与阻力的减小之间的清晰关系(见图2)。

结论

在本发明中所引用的所有文献或类似材料，包括(但不限于)专利、专利申请、文章、书籍、论文及网页，无论这些文献及类似材料是何种格式，其全部内容通过引用并入本文。如果所并入的文献或类似材料中的一篇或多篇与本文不符或抵触，包括(但不限于)专业术语、术语使用方法、描述方式，或者诸如此类，均以本文为准。

尽管本发明的宗旨通过各种实施方式和实施例进行了描述，但本发明的宗旨并不局限于这些实施方式或实施例。恰恰相反，本发明的宗旨包含本领域技术人员所能想到的各种替代方式、改进方式及等同方式。

虽然本文对发明的各种实施方式进行了描述和说明，但本领域的技术人员还是可以很容易地想到各种各样的方法和/或结构来执行本发明的功能，和/或得出本发明中的结果，和/或一个或多个优点，并且各变化方式和/或改进方式都在本文描述的本发明的实施方式的范围之内。更一般而言，本领域的技术人员会很容易理解本文所描述的所有参数、尺寸、材料及配置是示例性的，并且实际的参数、尺寸、材料及配置将基于使用本发明思想的特定的一个或者多个应用。本领域的技术人员会想到本文所述的特定的本发明实施方式的许多等同方式。因此，上述的实施方式仅是示例性的，并且在权利要求和等同方式的范围中，除特别描述或声明之外可以其他方式实施本发明的实施方式。在此披露的本发明的实施方式涉及各单独的技术特征、系统、物品、材料、工具和/或方法。另外，如果这些特征、系统、物品、材料、工具和/或方法之间不相矛盾，则任何两个或多个所述特征、系统、物品、工具及方法的结合都在在此披露的本发明的范围之内。

本发明的如上所述的实施方式可以通过多种方式中任何一种来实施。例如，一些实施方式可以通过硬件、软件或者软硬件结合的方式实施。当实施方式的任何一个方面至少部分地通过软件实施时，所述软件的代码可以在任何合适的处理器或者处理器集上执行，其中，处理器可以设置在一台计算机上或者分布在多台计算机上。

就此而言，本发明的各个方面可以至少部分地实施为编码有一个或多个下述程序的计算机可读存储介质(或是多个计算机可读存储介质)(例如，计算机存储器、一个或多个软盘、CD、光盘、磁盘、磁带、闪存、现场可编门阵列或其他半导体设备中的电路结构，或是其他有形的计算机存储介质或永久性介质)，当在一台或多台计算机或其他处理器上执行所述程序时，执行实现上述技术的各种实施方式的方法。所述计算机可读介质或媒介是可运输的，以使其中储存的一个或多个程序可以装载到一台或多台不同的计算机或其它处理器中来执行上述本发明的技术方案的各个方面。

本文中所使用的“程序”或者“软件”等词均指一般意义上的任意类型的计算机编码或者计算机可执行指令集，可以运行所述编码或者指令集来使计算机或其他处理器程序化以执行如上所述的本发明的技术方案的各个方面。此外，需要说明的是，根据实施方式的一个方面，在执行时实施本发明的技术方案的方法的一个或多个计算机程序不必须要在一台计算机或处理器上，而是可以分布于多个计算机或者处理器中的模块中，以执行本发明的技术方案的各个方面。

计算机可执行指令可以有许多形式，如程序模块，可以由一台或多台计算机或是其他设备执行。一般地，程序模块包括例程、程序、对象、组件以及数据结构等等，执行特定的任务或是实施特定的抽象数据类型。特别地，在各种实施方式中，程序模块的功能可以根据各个不同实施方式的需要进行结合或者拆分。

并且，本发明的技术方案可以体现为一种方法，并且已经提供了所述方法的至少一个示例。可以通过任何一种合适的顺序执行动作，所述动作表现为所述方法中的一部分。因此，实施方式可以构造成可以按照与所示出的执行顺序不同的顺序执行动作，其中，可以包括同时地执行一些动作(尽管在示出的实施方式中，这些动作是连续的)。

本文所给出的和使用的定义，应当对照字典、通过引用而并入的文档中的定义、和/或其通常意思进行理解。

在说明书及权利要求书中所使用的“一”均理解为“至少一个”，除明确表示相反意义以外。无一例外。

本说明书中所使用的“大体上”及“大约”均用以描述和说明小幅度的波动。例如，该它们可用于表示小于或等于±5％，例如小于或等于±2％，例如小于或等于±1％，例如小于或等于±0.5％，例如小于或等于±0.2％，例如小于或等于±0.1％，例如小于或等于±0.05％。

在本发明的说明书和权利要求书中所使用的“和/或”，应理解为如此结合的元素的“择一或者兼具”的方式，即，在一些示例中，这些元素结合地存在，在另一些示例中，这些元素分离地存在。以“和/或”的形式出现的多个元素应该以相同的方式进行解释，即如此结合的元素的“一个或者多个”。除了被特定标明“和/或”短语的元素以外，其它的元素可以随意存在，而不管其与所述被特定标明的元素是否相关。因此，作为一个非限制性的例子，提及“A和/或B”，在一种实施方式中，当“A和/或B”与开放式的语言例如“包括”一起使用时，“A和/或B”指只有A(也可随意地包含除B以外的元素)；在另一种实施方式中，指只有B(也可随意地包含除A以外的元素)；在另一种实施方式中，指A和B二者(可随意地包括其它元素)；等等。

就像在本发明的说明书以及权利要求书中所使用的，“或”应该理解为与上述的“和/或”具有相同的定义。例如，当分离列举元素时，“或”或者“和/或”应该理解为包括的关系，即，可以包括多个元素或者列举出的元素中的至少一个元素，也可以包括多于一个元素，并且可以随意的附加未列举出的元素。只有术语明确地表示相反意思，例如，“……中的唯一一个”或“……中的恰好一个”，或者权利要求书中所使用的“由…组成”，指恰好包括多个元素或者列举出的元素中的一个元素。通常，当在本文中所使用的“或”之前加上排它性的术语，例如，“择一”、“……中的一个”、“……中的唯一一个”或者“……中的恰好一个”时，“或”仅被理解为表示排它的选择方案(即“非此即彼但不能两者兼具”)。当在权利要求书中时“基本包括”指专利法方面的通常含义。

在本发明的说明书和权利要求书中，关于列举出的一个或者多个元素的“至少一个”应该理解为从列举出的元素中的任意一个或者多个元素中选取至少一个元素，但不一定包括在列举出的元素中的特别列出的每一个元素的至少一个并且不排除在所列举出的元素中元素的任何组合。该定义还允许除了在涉及短语“至少一个”的列举出的元素中被特别指定的元素以外，其它元素可以随意存在，而不管与那些被特别指定的元素是否相关。因此，作为一个非限制性的例子，“A和B中的至少一个”(或者，等同于A或B中的至少一个，或者，等同于A和/或B中的至少一个)，在一种实施方式中指至少一个，再随意地包括一个以上，A，但不存在B(并且随意地包含除B以外的元素)；在另一种实施方式中，指至少一个，再随意地包括一个以上，B，但不存在A(并且随意地包含除A以外的元素)；在又一种实施方式中，指至少一个元素，再随意地包括一个以上，A，以及至少一个，再随意地包括多个，B(并且随意地包含其它元素)；等等。

在权利要求书中，以及上述的说明书中，所有的过度短语，例如“包括”、“具有”、“包含”、“承载”、“具有”、“涉及”、“保持”、“主要由…组成”以及类似词语是应理解为是开放式的，即，包含但不限于。只有“由……组成”、“实质上由……组成”应该是封闭或半封闭的过度短语，分别在美国专利局专利审查程序指南的2111.03节中。

权利要求不应该视为被限制在描述的顺序或元素，除非声明成那样。应当理解，本领域的技术人员在不背离权利要求的精神和范围的情况下，可以进行各种形式或者细节上的改变。在权利要求的及其等同方式的精神和范围内的所有实施方式均要求保护。

Claims (45)

1.一种在建筑物结构的至少一个位置处改变气流的方法，其特征在于，所述方法包括：

在所述建筑物结构的所述至少一个位置处产生第一气流；以及

使用产生的第一气流改变所述建筑物结构的外部的第二气流。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述建筑物结构包括至少一个阻流体。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述第二气流包括相对于所述建筑物结构移动的环境空气的自然流。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

产生的第一气流包括脉冲气流。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

产生的第一气流包括恒定气流。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述产生进一步包括产生第三脉冲气流并且在进行所述改变之前将所述第一气流和所述第三气流合并。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

通过至少一个机械的气流系统执行所述产生。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

通过至少一个压缩空气系统执行所述产生。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

通过至少一个具有至少一个脉动空气喷射器的机械的气流系统执行所述产生。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

通过至少一个不具有至少一个脉动空气喷射器的机械的气流系统执行所述产生。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

通过以下方式中的至少一种在所述建筑物的内部通风管道以及吹气口产生所述第一气流：(i)室内浮力，(ii)所述建筑物周围的气压差，以及(iii)排气。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述改变进一步包括将产生的第一气流施加到所述第二气流来控制所述第二气流。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述改变进一步包括将产生的第一气流以一定角度施加到所述第二气流来产生不同于所述第二气流的第三气流。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述至少一个位置包括所述建筑物的侧面和顶部中的至少一种。

15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述至少一个位置集成在所述建筑物的围护结构中。

16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

利用压差将所述第二气流转移至所述建筑物结构的内部以及将所述被转移的第二气流释放回所述建筑物结构的外部。

17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过闭环控制系统来管理所述改变。

18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过闭环控制系统来管理所述改变，其中，所述闭环控制系统包括建筑物集成的传感器、控制器以及激励器中的至少一种。

19.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过能量源来产生所述第一气流，所述能量源配置为与所述建筑物结构的原有动力系统相对独立地运行。

20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过能量源来产生所述第一气流，所述能量源是所述建筑物结构的原有动力系统的主要部分。

21.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述建筑物结构中利用改变的第二气流产生电力。

22.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

利用改变的第二气流来控制所述建筑物结构的建筑物围护结构的空气过滤。

23.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

利用改变的第二气流来减少以下内容的至少一种：(i)风力载荷，以及(ii)所述建筑物结构上的斜风响应。

24.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述改变包括大体上不改变所述建筑物结构的几何形状。

25.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

向所述建筑物增加下述装置，该装置配置为改变所述建筑物的至少一个维度的外形。

26.一种用于在建筑物结构的至少一个位置处改变气流的装置，其特征在于，所述装置包括：

装置外壳；以及

在所述外壳中的流发生器，所述流发生器配置为在所述至少一个位置处产生第一气流，其中，产生的第一气流控制所述建筑物结构的外部的第二气流。

27.如权利要求26所述的装置，其特征在于，

所述装置位于所述建筑物结构的边缘。

28.如权利要求26所述的装置，其特征在于，

所述至少一个位置包括所述建筑物的侧面、所述建筑的顶部、和集成在建筑物维护结构中的至少一种。

29.如权利要求26所述的装置，其特征在于，

所述装置位于与所述至少一个位置不同的位置。

30.如权利要求26所述的装置，其特征在于，

所述装置外壳采用以下方式中的至少一种设置：(i)安装在所述建筑物结构的边缘上；(ii)集成到所述建筑物结构的边缘中。

31.如权利要求26所述的装置，其特征在于，

产生的第一气流包括脉冲气流和恒定气流中的至少一种。

32.如权利要求26所述的装置，其特征在于，

产生的第一气流以与所述第二气流成一定角度地从所述装置外壳排出。

33.如权利要求26所述的装置，其特征在于，

产生的第一气流以一定角度地施加到所述第二气流来产生不同于所述第二气流的第三气流。

34.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

配置成产生所述第一气流的设备。

35.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

配置成产生所述第一气流的设备，其中，所述设备包括机械的气流系统和压缩空气系统中的至少一种。

36.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

至少一个吸气口，其中，所述产生的第一气流包括利用所述至少一个吸气口施加到所述第二气流的吸气流。

37.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

配置成提供用于产生所述第一气流的能量的能量源。

38.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

配置成提供用于产生所述第一气流的能量的能量源，其中，所述能量源配置成从所述建筑物的原有动力系统转移能量。

39.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

配置成提供用于产生所述第一气流的能量的能量源，其中，所述能量源配置为与所述建筑物结构的原有动力系统相对独立地运行。

40.一种建筑物结构，其特征在于，包括：权利要求26所述的装置。

41.一种建筑物结构，其特征在于，所述建筑物结构包括位于所述建筑物结构的至少一个位置处的装置，其中，所述装置包括：

装置外壳；以及

在所述外壳中的流发生器，所述流发生器配置为在所述至少一个位置处产生第一气流，其中，产生的第一气流在所述建筑物结构的所述至少一个位置处改变所述建筑物结构的外部的第二气流。

42.如权利要求41所述的建筑物结构，其特征在于，

所述建筑物结构包括至少一个阻流体。

43.如权利要求41所述的建筑物结构，其特种在于，所述建筑物结构还包括：

配置成至少利用改变后的第二气流产生电力的发电设备。

44.如权利要求41所述的建筑物结构，其特种在于，所述建筑物还包括：

配置成至少利用改变后的第二气流在所述建筑物结构的内部过滤空气的空气过滤系统。

45.如权利要求41所述的建筑物结构，其特种在于，所述建筑物还包括：

配置成至少利用改变后的第二气流在所述建筑物结构的内部和外部之间交换热量的传热系统。