科学网—飓风来临，紧闭门窗还是适当开窗？
精选
已有 6930 次阅读
2025-4-12 19:13
| 系统分类: 科普集锦
就在今天 ，北京遭遇极端大风天气，阵风最高达 13 级（风速 37 – 41 m/s ），气象部门发布橙色预警。
在此类强风天气中，建筑物常因室内外压差引发窗户爆裂甚至人员被吸出坠楼的悲剧。本文从空气动力学角度，结合空气动力学的伯努利方程 与北京大风实例，解析门窗紧闭与开缝的利弊，并提出应对建议。
一、伯努利方程：风速与压强的动态平衡
伯努利方程是流体力学中的核心定律，描述了理想流体（无黏性、不可压缩）在稳定流动中的能量守恒关系，其表达式为：
其中， P 为压强， ρ 为流体密度， v 为流速， g 为重力加速度， h 为高度。
该方程表明，流体速度增加时，其静压会降低 P 。例如，飞机机翼上表面因气流加速形成低压区，产生升力。
在自然环境中，当大风经过建筑物时，若气流路径受阻（如高楼间的狭窄通道），流速会急剧增加，导致局部压强骤降。这种现象被称为狭管效应。以北京国贸 CBD 为例，密集的高楼形成“风道”，实测风速可比平原地区高 2 – 3 级，压强差可达数百帕。
二、室内外压差的形成与危害
1. 压差成因分析
当强风掠过建筑表面时，迎风面气流受阻减速，静压升高；而背风面或狭窄区域因气流加速形成低压区。若门窗完全紧闭，室内空气静止，压强保持较高水平，而室外低压区与室内高压区之间形成显著压差。根据实验数据，普通玻璃的承受极限约为 1.5 kPa ，超过此值可能导致爆裂。
下图是风压模拟示意图。
由上图可见，在迎风墙面上气流受阻，动压降低，静压增高，由于迎面风速随高度增加而增大，相应其阻滞的静压也相应增大。假设建筑物是不透风的（模拟中设置为两个实心长方体，壁面边界条件），则会在下部形成一个类似于二次流的固定旋涡，而后分两股成马蹄形流向建筑物两侧，继而流向背风面，此时背风面就是负压区，速度也最低，由此增强背风面的吸力。若建筑物下部有过道，则部分气流就加速穿过过道流向背风面的负压区，这就形成所谓的穿堂风。
2. 极端案例解析
2024年3月31日凌晨两三点，在南昌市南昌县八月湖路一小区，60多岁的奶奶和11岁的孙子一起在房间睡觉，被大风连人带窗户、床垫一起卷到外面；另外，11楼的一位60岁老人也被狂风卷下楼。不幸的是，三人因为这场风都遇害了。 此时，紧闭的窗户突然爆裂，室内高压空气瞬间外泄，形成强烈吸力。此类事件印证了伯努利方程的应用：高速气流引发的低压区是压差 灾害的核心诱因。
当然，飞行中的飞机机舱内外压差更大，但飞机的设计是能抗住内外压差的，而普通建筑的门窗是扛不住的！
三、门窗紧闭 vs 适当开缝：伯努利方程的实践对比
1. 门窗紧闭的风险
压差累积：完全封闭的室内空间无法通过空气流动平衡压差，导致压强差持续增大。
结构脆弱点暴露：窗户成为压差释放的唯一出口，一旦超过材料强度极限即会破裂。
瞬时破坏力：爆裂瞬间的气流冲击可能引发二次伤害（如玻璃碎片飞溅）。
2. 适当开缝的科学依据
压强平衡：通过开缝（建议缝隙宽度 1 – 3 cm ）允许少量空气流通，室内外压强差可通过缓慢流动的流体（空气）逐步平衡，避免压差急剧累积。
能量耗散：开缝后，气流速度降低 v 减小，静压 P 回升，符合伯努利方程中动能与压能的转换规律。
实验验证：风洞测试表明，开缝建筑模型在相同风速下压差降低约 40% ，显著减少结构损伤风险。
四、北京大风预警下的防御建议
结合伯努利方程与北京气象预警（今天 阵风 13 级），提出以下措施：
1. 动态调整门窗状态：
强风初期（阵风 <10 级）：关闭门窗减少沙尘进入。
极端风速阶段（阵风≥ 10 级）：在背风面窗户开启 1 – 2 cm 缝隙，促进压差平衡。
2. 建筑结构优化：高层建筑可安装导流板，分散气流压力；采用抗压强度≥ 2 kPa 的夹层玻璃。
3. 紧急避险策略：
若遇突发爆裂，立即背风蹲下，用重物固定身体。
五、总结
伯努利方程揭示了强风天气中压差灾害的物理本质：流速与压强的反比关系是门窗破坏的深层原因。通过科学调节门窗开闭状态，可有效平衡室内外压差，降低极端天气风险。北京此次大风事件再次警示，将流体力学原理融入防灾设计，是提升城市安全韧性的关键。
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自闻宝联科学网博客。 链接地址： https://blog.sciencenet.cn/blog-1152260-1481719.html
上一篇： 十年采风处 花开有声时 下一篇： 飞机被吸上天还是被压上天？揭秘飞机升力的空气动力学真相