（流體力學專業(yè)論文）高層建筑群風環(huán)境數(shù)值模擬研究.pdf

上海大學上海市應用數(shù)學和力學研究所碩士學位論文 摘要 近年來 隨著我國經(jīng)濟建設的發(fā)展 城市規(guī)模的不斷擴展 高層建筑大量建 設 與此同時高層建筑群風環(huán)境的問題的日益突出 引起了人們的普遍關注 由 于高層建筑群的成員建筑物之間的互相干擾 使得建筑物周圍風環(huán)境狀況較之單 個建筑物的情形要復雜的多 本論文研究了高層建筑周圍產(chǎn)生的不良風環(huán)境問題 主要工作如下 第一 二部分 對國外在有關風環(huán)境問題的研究情況進行了闡述 對高層建 筑風環(huán)境牽涉的各個方面情況進行了分類和概括 這些研究方面包括 風舒適性 準則制定 用于評價當?shù)仫L環(huán)境的風氣象資料的收集 風洞實驗步驟的制定 數(shù) 值模擬的方法 以及風環(huán)境的預估控制 而這些方面的研究對于制定適合我國國 情的風環(huán)境預估控制規(guī)程也是必需具備的條件 第三部分 應用標準k s 模式模型 數(shù)值模擬了建筑群風場 得到了平均 速度 湍流度的等值分布曲線 并與我們前面的實驗進行了比較 取得了較好的 結果 數(shù)值模擬采用2 2 正交布置的不同截面形狀的建筑群進行模擬 1 1 方形建 筑物尺寸為1 8 0 h 高 4 5 w 寬 x 4 5 d 深 m 2 長方體形建筑物尺寸為 1 8 0 h 高 9 0 w 長 4 5 d 寬 m 建筑間距共取兩種工況 分別為1 5 倍 2 5 倍的建筑寬度 根據(jù)數(shù)值模擬結合相關的文獻資料可以建立一些基于建 筑物尺度與流場關系的經(jīng)驗模型 用于對一些實際的建筑布局形態(tài)進行風環(huán)境的 初步預估 第四部分 對浦東陸家嘴地區(qū)的部分高層建筑的風環(huán)境進行了實測及數(shù)值模 擬 實地測量采用的儀器是手提式三杯風速儀 測量季節(jié)選為冬季 測量數(shù)據(jù)與 數(shù)值模擬結果作了對比 發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬的結果與實測較為接近 同時根據(jù)模擬數(shù) 據(jù)對當?shù)仫L環(huán)境做了簡略的評價 最后對高層建筑風環(huán)境的預防和補救措施進行 了概括闡述 其中涉及到的一些概念和方法對于城市規(guī)劃部門 建筑師及房產(chǎn)開 發(fā)商將具有 定的參考價值 關鍵詞 高層建筑物 數(shù)值模擬 風環(huán)境 繞流 上海大學上海市應用數(shù)學和力學研究所碩士學位論文 a b s t r a c t m o r ea n dm o r eo f h i g hb u i l d i n g sh a v eb e e nb u i l ti no u rc o u n t r y i t l ld e v e l o p i n g t h ee c o n o m i c sa n dt h e c i t yr e c e n t l y a l o to fw i n de n v i r o n m e n t p r o b l e m s a r e e n c o u n t e r e d p e o p l ef o c u so n t h ep r o b l e m sa b o u tt h ef l o wf i e l da r o u n dt h eb u i l d i n g s b e c a u s eo f t h ed i s t u r b a n c eo f t h e b u i l d i n g sn e a r b y t h ew i n de n v i r o n m e n to f t h eg r o u p b u i l d i n g sa r em o r ec o m p l i c a t e dt h a nt h es i n g l eo n e s t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ew i n d e n v i r o n m e n t p r o b l e m sa r o u n dt h eg r o u ph i g hb u i l d i n g s p a r ti i hi t p r e s e n t sr e c e n tr e s e a r c hf i n d i n g so fw i n de n v i r o n m e n tp r o b l e m s a r o u n dh i g hb u i l d i n g s i ta t t e m p t st oc l a s s i f ya n dg e n e r a l i z er e l e v a n ti n f o r m a t i o no f w i n de n v i r o n m e n t p r o b l e m s a r o u n d h i g hb u i l d i n g s i no r d e rt o c o n s t i t u t et h e k n o w l e d g eb a s eo fw i n do r d i n a c e f i r e di n c h i n a i n c l u d i n ga c c e p t a b i l i t yc r i t e r i a w e a t h e rd a t a w i n dp r o c e d u r e n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de t c p a r ti i i t h ew i n df i e l do f h i g hb u i l d i n gw a sc o m p u t e dn u m e r i c a l l yb y k 一占 m o d e l t h ed i s t r i b u t i o no fm e a nw i n ds p e e da n dr m sw i n ds p e e df o ra 1 1c a s e a sc o n t o u r m a p sa n dc u r r e n tf i n d i n g s al 1s c a l em o d e lo far e p r e s e n t a t i v e b u i i d i n gb l o c k sw i t hd i f f e r e n tc r o s ss e c t i o nw a sc o n s t r u c t e d c o n s i s t i n g o f2 b y 2 g r i d o fu n i f o r m b u i l d i n gb l o c k s 1 1 8 0 m x4 5 mx4 5 m 2 1 8 0 m x 9 0 m x 4 5 m w i t hi 5a n d2 5m u i t i p l e so f 4 5 m s e p a r a t i o nb r e a t h a n dt h ew i n d d i r e c t i o nt ot h ef r o n tf a c eo ft h et e s tb u i l d i n gb l o c k sw i t h0a n d4 5d e g r e e s o m e g e n e r i cm o d e l se s t a b l i s h e dw i t ht h ee m p i r i c a lr e l a t i o n sb e t w e e nw i n d c o n d i t i o n sa n db u i l d i n gc o n f i g u r a t i o n sc a nb ea p p l i e df o rt h ep r e l i m i n a r y e s t i m a t i o no fw i n de n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n si n b u i l t u pr e g i o n s p a r ti v t h e a p p l i c a t i o n s t u d i e si nt h i st h e s i sa r er e l a t e dt ot h er e s u l to f f u l l s c a l em e a s u r e m e n t sa tt h eb a s eo f h i g h r i s eb u i l d i n g sl o c a t e di nas h a n g h a ic b d a n dt h e c o m p a r i s o n w i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ef u l l s c a l em e a s u r e m e n t sa r e c a r r i e do u tu s i n gam o b i l et h r e e c u pa n e m o m e t e rw i t haw i n dv a n ef o rt h em a j o rw i n d d i r e c t i o ni nw i n t e r s e v e r a ll i m i t e dc o m p a r i s o n so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n d f u l l s c a l ed a t aa r eg i v e n i ti sf o u n dt h a tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dg e n e r a l l y g i v e sar e l i a b l ep r e d i c t i o no f f u l l s c a l ew i n dc o n d i t i o n sn e a rt h eh i g h r i s e b u i l d i n g s b r i e fc o m f o r ta s s e s s m e n to ft h el o c a lw i n dc o n d i t i o n sa r o u n dt h eb u i l d i n g sw a st a k e n 上海大學上海市應用數(shù)學和力學研究所碩士學位論文 b ym e a s u r e m e n t so f t h ev e l o c i t yr a t i o w h i c hc o m p a r e dw i t ht o c a lw i n ds p e e df o r d i r e c t i o no fi n t e r e s t a tt h ee n do ft h e s i sg e n e r a l i z es o m em i t i g a t i o na n dr e m e d i a l m e t h o d sa n d p r o c e d u r e s w h i c hw i l ld o g o o d t ot h e c i t yp l a n n i n gd e p a r t m e n t a r c h i t e c t u r ea n dr e a le s t a t ed e v e l o p e r k e yw o r d s h i g hb u i l d i n g s n u m e r i c a l s i m u l a t i o n w i n de n v i r o n m e n t f l o w a r o u n d o v e r 第一章概述 1 1 研究背景 第一章概述 隨著人1 3 的日益增多和建筑科學技術日新月異的進步 以及城市建設節(jié)約用 地的需要 高層建筑和超高層建筑都得到了飛速的發(fā)展 從1 8 8 5 年美國芝加哥 家庭保險公司 目前公認的世界上第一幢有現(xiàn)代意義的高層建筑的建成到現(xiàn) 在 高層建筑的發(fā)展已經(jīng)走過了一百多個年頭 而真正高層建筑的大量興起還是 近二 三十年間 一方面 隨著鋼鐵 機械 電氣及電梯工業(yè)技術的進步 在技 術上為高層建筑的進一步發(fā)展提供了可能性 另一方面 伴隨著城市用地的進一 步緊張 發(fā)展商不斷要求提高建筑容積率 造成目前城市中的建筑越來越高 密 度越來越大 而由高層建筑引發(fā)的建筑風環(huán)境問題已引起廣泛的注意 人 自然 建筑 城市一直是緊密相關的概念 而風與它們都有關系 風是 構成環(huán)境 尤其是室外環(huán)境的重要因素之一 在城市中 近地風的特性非常復雜 它不僅依賴于建筑物本身的外形 尺寸和某些建筑物特征 如開口 通道等 而 且依賴于周圍建筑物的相對位置 外形以及四周地形的粗糙程度 隨著建筑物的 增高 布局的密集 近地面大氣層對建筑的影響也越來越明顯 在近地面大氣層 內(nèi) 空氣的流動是很容易突變的 在某一點上的風向和風速 短時間內(nèi)可能會有 很大的變動 理論上認為是一種湍流現(xiàn)象 在高大建筑物周圍變化更為劇烈 往 往會引起局部地區(qū)風速的增大和紊亂 產(chǎn)生強烈的氣流變化 引起風環(huán)境的惡化 在一般的氣象條件下 都市風影響著城市建筑環(huán)境的小氣候 而高層和超高 層建筑的問世 產(chǎn)生了尖銳突出的再生風環(huán)境和二次風環(huán)境 成為城市環(huán)境公害 的一個重要方面 高層建筑周圍強烈的湍流會對行人產(chǎn)生強烈的影響 直接影響 到風環(huán)境的舒適感 在高層建筑林立的 山谷 之中 經(jīng)?？梢钥吹脚e步為艱 迎風前進的行人們 在美國紐約著名的華爾街金融中心區(qū) 由于地價昂貴 高層 建筑緊密相鄰 由此引發(fā)的大樓風終年不散 對周圍的環(huán)境舒適性造成嚴重的影 響 每當城市遇到惡劣的風氣象條件 如臺風 颶風時 這種風環(huán)境影響將轉為 帶有破壞性的災害 它會使建筑外墻的幕墻玻璃或窗扇受到破壞 瞬時改變風向 或突然提高風速的大樓風 還將使人行動不穩(wěn) 甚至釀成重大事故 其中 最引 人注意的報道是1 9 7 2 年英國p o r t s m o u t h 市有一位老太太在一座1 6 層的大廈拐角 處被風吹倒而死亡川 在1 9 8 2 年1 月5 日 在美國紐約曼哈頓島世界貿(mào)易中心 雙塔附近的一瞳5 4 層超高層建筑前的廣場上 3 7 歲的女性羅絲 斯皮爾波蓋爾 正在行定時 被突然刮來的強風吹倒而受傷 為此她以 由于建筑設計和施工上 第一章概述 的缺點 而造成了 人力無法管理的風隧道 為由 向紐約最高法院對該建筑的 設計人 施工者 建筑所有人 租借人 甚至包括相鄰大廈的有關人員都提出了 控告 并要求支付6 5 0 萬美元的賠償捌2 1 諸如此類由于風環(huán)境出問題的例子很 多 現(xiàn)在 高層建筑及其群體所引起的周圍風環(huán)境問題 己成為高層建筑設計必 須首先考慮的問題之一 不良風環(huán)境的影響 人 造成人們活動的障礙 有不舒適 寒冷的感覺 行走不穩(wěn) 摔倒 手持物易脫手 建筑物 廣告牌吹壞 玻璃破碎 門窗開關困難 屋頂掀翻 建筑的給排氣 通風性能不好 強風造成的建筑尖銳噪音或擠軋聲等噪音 自行車 車騎不快 費勁 不易控制 其他 植物傾倒 受傷害 晾曬在外的物品易被吹掉 商店等的陳列品翻倒 飛散 灰塵 垃圾飛散 影響環(huán)境 風大時氣溫下降 無風時悶熱異常等對環(huán)境溫度產(chǎn)生的影響 大量的事例 不斷發(fā)生的糾紛 訴訟都在提醒著有關政府部門 規(guī)劃師 建 筑師和風工程學家 風環(huán)境和再生風環(huán)境已是不可回避的尖銳問題 必須從立法 規(guī)劃 設計 實驗 理論諸方面進行深入研究 從而提出必要的對策 而近些年 來國內(nèi)外對這一領域的研究也已開展起來 近2 0 年來 由于亞洲特別是環(huán)太平洋西岸地區(qū)經(jīng)濟飛躍和持續(xù)的發(fā)展 這 一地區(qū)內(nèi)很多城市普遍進行更新和改造 大量的高層 超高層建筑應運而生 然 而 由于對室外風環(huán)境的預測不夠重視和缺乏有效的技術手段 設計者們一般是 把注意力過多的集中在了總平面的功能布置 美觀設計及空間利用上 而很少考 慮高層 高密度建筑群中空氣氣流流動情況對人以及污染物擴散等的影響 事實 第一章概述 上 良好的室外環(huán)境 不僅意味著在冬季盛行風風速太大時不會在建筑群內(nèi)出現(xiàn) 人們舉步為艱的情況 還應該是在炎熱夏季能利于室內(nèi)自然通風的進行 即避免 在過多的地方形成旋渦和死角 非典時期病毒的迅速蔓延 有很多就是由于通 風不暢導致病毒的滯留引起的 但在國內(nèi) 相應建筑風環(huán)境的研究和管理還未引 起足夠的重視 就我國的 風環(huán)境 研究而言 可以說是剛剛處于起步階段 一些重點工程 的設計中也進行過風洞實驗 但其主要的目的都是利用空氣動力學的手段 對這 些建筑或構造物所引起的風載和風振問題進行研究 從而為結構上的抗風設計提 供更為安全可靠的數(shù)據(jù) 當前許多高層建筑也不是由地震載荷而是由風載荷來決 定結構骨架 至于從環(huán)境科學的角度 科學地預測和評價新建筑對于周圍環(huán)境在 風環(huán)境方面的影響 還沒有見到過這方面的報導 肆虐的 非典 也給我們敲響 了警鐘 使我們看到 關注和改善建筑群風環(huán)境 杜絕和防止風環(huán)境污染 已經(jīng) 不僅是為了提高人們的生活質量的問題 而且直接關系廣大人民群眾的身體健康 和生命安全 所以我們必須從觀念上不斷的提高認識 從而找出正確的對策和解 決的辦法來 伴隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和人們環(huán)保意識和健康舒適理念的提高 住區(qū)環(huán)境質 量越來越受到更多人的重視 對住區(qū)風環(huán)境進行優(yōu)化設計 必將成為小區(qū)和城市 規(guī)劃的重要環(huán)節(jié) 為此 為了營造健康舒適的居住微環(huán)境 就需要在規(guī)劃設計階 段對建筑進行風環(huán)境作出預測評價 以指導 優(yōu)化建筑群的規(guī)劃設計 1 2 建筑物周圍風環(huán)境的空氣動力學性質 1 2 一l 自然風的性質與建筑物周圍的風環(huán)境 在大氣邊界層中的自然風 由于受到處于風場中建筑鈍體的阻擋 使得在建 筑物的周圍區(qū)域風場產(chǎn)生很大的變化 實際的建筑鈍體本身具有各種復雜的三維 幾何體形狀 而處于大氣邊界層中的自然風來流本身沿鉛直高度有不同的風速 這些都造成了建筑物周邊的氣流在空間和時間上都具有非常復雜的非定常流性 狀 建筑物的存在改變了其周圍的氣流分布 造成局部擾動 由此而引起速度場 和壓力場的變化 發(fā)生空氣動力學畸變 建筑物對上游的氣流具有阻擋作用 在 下游形成下洗現(xiàn)象 使周圍的流場變得非常復雜 尤其是隨著城市建筑密度的增 加 建筑物之間的氣流影響也增大 建筑物與主導風的角度 建筑物之間的距離 排列方式等產(chǎn)生的各種風效應對建筑物和周圍的環(huán)境影響很大 大多數(shù)建筑物的 形狀都是非流線形體 各個方向的氣流流經(jīng)建筑物時都將引起振動問題 也會形 第一章概述 成氣流死區(qū) 易使附近某些空氣污染物滯流 不利于周圍的空氣環(huán)境 特別在高 密度住宅區(qū)由于人口密度大 環(huán)境相對封閉 疫病一旦進入 具有傳染速度快 擴散危險高的特點 典型的例子象香港淘大花園的 非典 病毒通過下水管線和 風道傳播擴散3 0 0 多人 為了實際研究的方便 這里采用了通常研究鈍體空氣動 力學流動性質的理想假設 即忽略小尺度的非定常性 而用定常流的觀點對流態(tài) 進行定性分析 建筑物周圍的流場 在定常的觀點下研究 往往可以分為四個不同性質的流 域 3 o 1 自由流區(qū) 自然來流在遭遇建筑鈍體的阻擋時產(chǎn)生偏向 并在建筑物前方 側方形 成了自由流區(qū) 它位于邊界層外部的勢流區(qū) 在理想的假設下 不考慮二次流所 產(chǎn)生的紊亂 此流域可以用b e r n o u l l i 公式進行描述 2 分離剪切層區(qū) 一般情況下 有風速為零的邊界層建筑物表面一直到建筑物外側自由流 域中間 有一個剪切層區(qū) 此剪切層是邊晁層從建筑物表面分離的時候 在分離 后尾流 w a k e 與自由流區(qū)之間所形成的 對于二維圓柱和矩形建筑分離點卻不是 一樣的 圓柱建筑周圍氣流流動 因無角點 其分離點不固定 在不同雷諾數(shù) c r u d u d 一特征長度 礦一運動粘度 來流湍流度盯 i 娶 u 1 u 一平均速度 一脈動速度 和圓柱表面粗糙度下會有不同的流型 而一般繞矩 形建筑的流動 分離點總是固定在前緣角點處 相對圓柱來說 流動特性對r 數(shù) 不敏感 但是在此流動中 尾流和自由流區(qū)間發(fā)生的剪切作用會產(chǎn)生強烈的紊亂 3 尾流區(qū) 處于整個分離剪切層以內(nèi)的流動區(qū)域即是尾流區(qū) 它與到達建筑物后方 的自由流相比流速較弱 并且具有明顯的環(huán)流 4 滯止區(qū) 處于建筑物迎風表面前方的區(qū)域稱為滯止區(qū) 在這個流域的中心形成了 流的滯止點 s t a g n a t i o np o i n t 滯止點上部是向上的流 下部是向下的流 并 且在迎風面前側形成駐渦 s t a n d i n gv o r t e x 高處高能量的氣體被輸運到下方 并隨著分離流線向側面 后面?zhèn)魉?由于自然風 即大氣邊界層氣流 形式出現(xiàn)的建筑物具有各種形狀的前緣 具有很大的湍流度 另一方面 以鈍體 而來流湍流度和物體的形狀對流體的分 第一章概述 離 剪切層的形狀以及尾流特性都有重要的影響 上述建筑物周邊流域的性質隨 著建筑物的具體形狀 自然風向等性質的變化而發(fā)生改變 流體從建筑物表面的 分離和再附著現(xiàn)象是最有代表性的一種情況 流體再附著現(xiàn)象隨著流體入射方向 與建筑物側壁面的交角以及順風方向建筑物邊長有著密切的關系 一旦再附著現(xiàn) 象在建筑鈍體上產(chǎn)生 分離流與建筑物壁面問將產(chǎn)生強烈的旋渦 分離流線進一 步向外側推使分離點近旁自由流收斂加強 風速加大 此外 當入射風的湍流度 增大 邊界層內(nèi)湍流摻混加劇 它將有助于使動量高的流體輸運到建筑鈍體表面 從而使分離推后出現(xiàn) 尾流域相應變窄 因此 自然風來流的性質對建筑物流域 有很大的影響 1 2 2 建筑物周邊區(qū)域流動與強風發(fā)生的關系 建筑物周邊區(qū)域中強風發(fā)生的三種情況 a 由于分離而產(chǎn)生流束收斂的自由流區(qū)域 由于邊界層分離而使自由流域收斂 風速會明顯增大 從理論上這種現(xiàn) 象可用b e r n o u l l i 流管定理來解釋 假定無限遠來流某流管面積為a s 流速為v s 至建筑物附近處面積a 流 速v 則經(jīng)過收斂的自由流速v 的大小與無限遠點來流平均風速v s 相比 將隨 面積比 a s a 的增大而增大 b e r n o u l l i 4 定理可由下述描述 譬 氣 譬 只 刪 其中只 只 分別是流管出口 入口的靜 k g m2 p 是空氣密度 k g s e c2 m 4 用這個關系式的話 上述的風速比 v v s 可由下式表示 5 一篇 2 瓜 c 是流線上的靜壓系數(shù) 它在自由流線上可看成與建筑物的背壓系數(shù)c 腫大致 相等 c 礦菥e a b p 其中匕是作用于建筑背風面的靜酃g m 2 第一章概述 所以自由流線上的風速可用下式概略表示 乒百 但在實際問題中 自由流線上的流速不是一定的 到了后面 流體所具有的 能量會發(fā)生散逸 流速也將隨之衰減 b 建筑物開1 3 部位通過的氣流 穿堂風造成的風速增大 在空氣動力學上認為是由于建筑物迎風面與背風面 的壓力差所引起的 c 建筑物迎風面下降的氣流 由于下降流而造成的風速增大 高處高能量的空氣受到高層建筑阻擋 從上 到下在迎風面處形成了迎風面前部垂直方向的旋渦 也造成了此處的風速加大 特別是與高層建筑迎風方向相鄰接的低層建筑物與來流風呈正交的時候 在低層 建筑物與高層建筑物之間的旋渦會更加劇烈運動 1 3 既往的研究 風環(huán)境問題早在古羅馬時期就已經(jīng)受到注意了 當時的建筑巨匠維特魯威在 他的建筑學經(jīng)典著作 建筑十書 中就已經(jīng)提到過 他當時還向執(zhí)政官提出了有 關如何改善該問題的辦法 他建議 在建筑規(guī)劃中 城市街道的布局方向應與當 地冬季的主導風呈正交布置 由于風不能沿著街道空曠處行進 因此可為行人提 供最大限度的風遮蔽 現(xiàn)代的風環(huán)境問題是由于高層建筑的大量興建引起的 在國外 此問題始于 6 0 年代 當時隨著鋼鐵 機械 電氣及電梯工業(yè)技術的發(fā)展以及成熟 法令允 許建筑突破防火限高4 5 米的法律制約后 興建高層建筑成為熱潮 然而 隨著 一幢幢高層建筑的竣工完成 種種預先沒有估計到的高層建筑負面效應也同時產(chǎn) 生 隨著一系列風害事故的發(fā)生 風環(huán)境問題作為一項主要的社會問題引起了重 視 1 9 6 5 年 在倫敦召開了以 建筑構造物及其產(chǎn)生的風效應 為題的國際會 議 w d b a i n e s p j 在會上提出 自然風中的高層建筑會把高處能量高的氣流引導到 下方 使周邊的低層建筑受到很強的氣流影響 同時地面上的風速也隨之增大 這個結論是b a i n e s 通過風洞實驗和實地考察后得出的 此后 運用風洞實驗對 高層建筑物周邊氣流現(xiàn)象進行研究的工作開始發(fā)展起來 k c w h i t e l 9 6 8 年在考察高層建筑物周圍步行者所要求的舒適性條件后 對 第一章概述 在復雜的低層街區(qū)內(nèi)改造1 8 層高層建筑所引起的周邊風環(huán)境問題進行了實地調(diào) 查 日本的相馬 荒川1 6 等也作了相關的實測研究 他們指出了 在建筑周邊地面 上將出現(xiàn)與高層建筑樓頂相當?shù)娘L速 這在風環(huán)境問題研究中較早的引入了風 速比的概念 此后 隨著研究的進展 對強風發(fā)生的情況預測 評價及可能的改善對策等 都有了進一步的結果 a f e 文獻 7 對高層建筑迎風面前的駐渦進行了研究 發(fā) 現(xiàn)高層建筑前方有低層建筑物存在時 旋渦運動將明顯加強 通過風洞實驗 對 高層建筑物的高h 寬w 迎風面前方的低層建筑物的高h 及二者相互距離l 等參數(shù)變化進行了進一步考察 最后引進了地上高度a 處的風速u 與高層建筑 屋頂相當風速u h 之風速比r h u u h 作為變量 提出了實驗推算式 為 r 日 u u h o 2 4 a h o l h o4 w h o4 h h o8 用于描述 該風環(huán)境現(xiàn)象 w h m e l b o u r n e 阻 也作了類似的風洞實驗 有關的結果可參考具體的報告 同 時 w h m e l b o u r n e 還對穿堂風問題進行了針對性研究 他以高層建筑物寬度 7 5 m 深3 0 m 穿堂風口面積高7 5 m x 寬1 5 m 為不變量 高度h 在1 5 r r r 2 2 5 m 之 間變化進行1 6 0 0 縮尺模型的風洞實驗 發(fā)現(xiàn)穿堂風速隨建筑物增高而增大 最 高可達高層建筑樓頂風速的9 4 另外 a e e w i s e 和a d p e n w a r d e n 9 1 對由于高層建筑物角區(qū)附近分離流的 下降而造成的風速增強現(xiàn)象進行了研究 研究以相當建筑物高度h 做為范圍半 徑 在這范圍中 地面上最大的風速相當于建筑樓頂風速的9 1 或相當于地面 高度無建筑影響風速的1 9 6 o 0 6 倍 同樣課題的研究也同時在好幾個國家進行 著 近年來 計算流體力學和計算模型的最新發(fā)展為研究高層建筑物周圍風環(huán)境 提供了新的方法和手段 早在7 0 年代初 人們就試圖對通過非流線型建筑的繞 流進行計算 1 0 1 但由于當時計算機水平的限制 直到7 0 年代末期才開始有了一 定的發(fā)展 l i 各國學者通過計算機數(shù)值模擬對建筑物周圍風環(huán)境進行了一系列的 仿真分析并與風洞實驗的結果進行了對比 結果表明 數(shù)值計算能夠較好的預測 建筑物周圍氣流流動狀況 但對建筑群風環(huán)境的數(shù)值模擬的具體研究很 少有見報導 日本的m u r a k a m i 最早用大旋渦方法 來進行數(shù)值估算建筑物周圍的三 維空氣流場 他將計算結果與實驗結果進行了比較 并對模型進行了分折和改進 第一章概述 v a s i l i c m e l l i n g 最早用k 一 模型將三維建筑物周圍流場的計算作為其模擬 二維流體經(jīng)過籬笆情況的延伸 h a n s o n 1 7 研究了流體繞過建筑物的情況 雖然 他并沒有對湍流進行處理 其結果己由s u m n e i8 運用l a w s o n 在邊界層風洞中 所得數(shù)據(jù)進行了驗證 p a t e e r s o n 悖j 做了類似的研究 他對k 一占模型進行了修改 計算了建筑物周圍流體的速度場和壓力場 并將計算結果與風洞實驗進行了比 較 對兩者之間的差異進行了分析 提出了改進意見 他的工作對準確計算建筑 物周圍流場具有非好的指導和借鑒作用 近年來 s t a t h o p o u l o u s 2 等人對七一 模型進行了修改 對計算矩形建筑物 周圍流體速度場和壓力場也作了有益的嘗試 在提高模擬精確度方面取得了進 展 r o d i 川等人則對k 一占模型提出了修改 特別是對耗散方程進行了修正 取 得了較好的模擬結果 在1 9 7 0 年至1 9 7 2 年的研究階段 風環(huán)境課題主要的研究對象還是在駐渦與 穿堂風等特定條件的氣流現(xiàn)象中開展著 對于角區(qū)的分離流 仍只停留在概略把 握上 直到1 9 7 2 年 在英國發(fā)生了一起在高層建筑物周邊步行的老年婦女因強 風刮倒 顱骨捧裂而數(shù)日后死亡的事故 此后 以英國b r e b u i l d i n g r e s e a r c h e s t a b l i s h m e n t 為中心 以研究建筑物周圍氣流問題的工作開始開展起來 l 3 1 風環(huán)境研究視點 建筑風環(huán)境問題從概念上來講由三個主體組成 即風一人一建筑鈍體 這 三者之間相互作用構成不同方面的幾對矛盾 使得要研究建筑風環(huán)境需要從以下 幾個方面入手 1 風與人之間的關系 它屬于風環(huán)境心理學領域 表現(xiàn)為各種風環(huán)境狀 況對人的行為及進一步在心理上產(chǎn)生的影響 典型的研究問題有 a 風環(huán)境中的哪些指標會影響人對環(huán)境的舒適感 風速 湍流度等其他物 理因素 b 各種指標的大小與人的不舒適反應程度的關系 e 各種指標的重要程度次序和適用范圍 2 人與建筑的關系 這是一個非常古老的領域 已經(jīng)發(fā)展成目前非常成 熟的建筑學 在風環(huán)境研究中它主要體現(xiàn)在 如何使得被建筑功能定義的人群活 動空間避開惡劣的建筑風環(huán)境空間 同時又不影響建筑物使用功能的本身 甚至 通過合理的措施根本消除當?shù)仫L環(huán)境可能產(chǎn)生的問題 第一章概述 典型的研究問題有 a 有哪些措施可以滿足人們建筑功能的使用要求 同時改善風環(huán)境狀況 b 建筑物周圍哪些區(qū)域是人流頻繁使用的及如何保證或改善這些區(qū)域的 風環(huán)境條件 3 風與建筑鈍體之間的關系 主要研究各種形狀 各種布置方式的建筑 鈍體和鈍體群在不同風向情況下所產(chǎn)生的風環(huán)境流場狀況 特剮研究哪些情況會 造成惡劣風環(huán)境 以及這些惡劣風環(huán)境區(qū)域的具體發(fā)生位置 典型的研究問題有 a 不同截面形狀的建筑物對風環(huán)境的影響 b 惡劣風環(huán)境區(qū)域位置與建筑物尺度的關系 c 建筑群體布置方式對風環(huán)境的影響 1 3 2 舒適性準則研究 為了定量的定義環(huán)境舒適或不舒適的概念 要求 1 建立各種行人區(qū)不舒適度與造成不舒適度的風速之間的關系 2 對這些風速 規(guī)定最大可按受風的發(fā)生頻度 a 風速與行人區(qū)的不舒適 記u 為離地約2 m 高度處1 0 分鐘至1 小時的平均風速 通過觀察對人的作用 及人在頂風活動時的忍受程度 可得出下列不同風速u 引起的不舒適度f 2 2 j u 5 m s u 1 0 m s u 2 0 m s 開始感到不舒適 明顯地感到不愉快 危險 各種強度風 按經(jīng)典的b e a u f o r t 蒲福風力級定義 的作用 比較詳盡的描述于 下表中 l a w s o nt v a n dp e n w a r d e na d 在 t h ee f i e c t so f w i n do r lp e o p l ei nt h e v i c i n i t yo fb u i l d i n g s 2 3 給出了在各種日照 環(huán)境溫度 衣著以及風速條件下 行人步行舒適性的初步資料 文獻 2 4 l 2 5 所報道的實驗認為 行人舒適性不僅是平均風速u 的函數(shù) 也是 風的陣發(fā)性的函數(shù) 因此 原理上可用有效風速 研究風對人的影響 該有效 風速的定義為 第一章概述 u 卜學 式中 u 是平均風速 p 2 2 是縱向脈動風速的均方根 k 是反映脈動作用劇烈 程度的常數(shù) 根據(jù)文獻1 2 4 的結果 這一常數(shù)的適當值為k a 3 0 風效應一覽表 蒲福風級風的描述 風速 m s 1風效應的描述 0靜風小于0 4感覺不到風 1軟風o 4 1 5感覺不到風 2輕風1 6 3 3臉部感覺有風 3微風3 4 5 4風展旗幟 吹動頭發(fā) 飄動衣服 4和風5 5 7 9風揚起灰塵 干土和紙片 吹亂頭發(fā) 5清勁風8 o 一1 0 7 身體感覺到風力 雪被吹向空中 是地面 上適宜風的限度 6強風1 3 9 一1 7 1撐傘困難 頭發(fā)吹直 難以平穩(wěn)行走 風 聲聽起來不舒服 形成雪暴 7 疾風 1 3 9 1 7 1行走時有不方便感 8大風1 7 2 2 0 7 通常進行受阻 在陣風下保持平衡非常困難 9烈風2 0 8 2 4 4陣風將人吹倒 但也有人采用k 1 5 2 6 j 或k l o l 按照文獻 由風洞實驗與對行人舉止 的觀察 可提出下列風速u 對應于k 3 0 與名 種不舒適度之間的關系 u e 6 m s u e 9 m s u 1 5 m s u e 2 0 m s 開始感到不舒適 影響動作 影響步履的控制 危險 日本在一座大型風洞里以及在一幢高聳建筑底層 對2 0 0 0 多行人的步行動作 進行了連續(xù)觀察 導出下列建議準則 u 3 5 m s行動不受影響 5 m s u 1 5m s行動受影響 1 0 m s u 3 1 5m s行動受到嚴重影響 1 5 m s u 3 2 0r n s危險 式中u 3 為3 秒內(nèi)平均風速 2 8 如文獻所指出 這一準則等同于文獻 2 6 中的準則 第一章概述 或略微嚴格一些 如果行人突然暴露在強風中 例如氣流的空間分布非常不均勻的區(qū)域 那么 行人對這種強風的適應能力將受到不利的影響 文獻 2 5 1 中指出 如果在小于2 m 的距離內(nèi) 平均風速變化達7 0 則風對人們的作用將比以上所建議的更嚴重 b 舒適性準則制定 舒適性準則的制定可以歸結為以下兩個問題的解答 1 導致行人產(chǎn)生不舒 適感和不安全的極限風速是多少2 當這種極限風速發(fā)生的頻度超過多少時 該 風環(huán)境被認為是不合格的 文獻1 1 建議以下的簡單準則 基于對建筑環(huán)境中近地風效應研究的大量數(shù)據(jù) 如果在行人區(qū) 估計平均風速u 1 0 4 4 0 1 時 流動已進入湍流充分 v 發(fā)展階段 流動特征與r e 無關 實際建筑物周圍大氣流動的r e 都很大 因此 當模型r e 數(shù)大于臨界雷諾數(shù)時 模型與原型的相應點的流動狀態(tài)相近 關于湍流特性相似問題亦應考慮 因為無論是整體風環(huán)境還是局部風環(huán)境都 與風場的湍流特性有很大關系 流動的湍流特性相似 則要求模型與原型的湍流 第二章風環(huán)境研究方法簡介 能譜相似 這當然是難以做到的 一般在研究中 往往要求模型與原型的湍流度 分布相似 熱相似 熱力相似條件通常用r i c h a r d s o n 數(shù)表示 r i 數(shù)主要表征模擬邊界層與真實 大氣邊界層的熱力相似關系 根據(jù)以往的實際觀察數(shù)據(jù)表明 在城市上空約5 0 0 m 以下的大氣邊界層中研究建筑鈍體的風場特性時 熱力因素可以忽略 2 1 2 大氣邊界層的模擬 一般而言 風受到地面上各種粗糙元 草 莊稼 森林 房屋建筑等等 產(chǎn) 生的摩阻作用而使風的能量減少因而風速減小 減小的程度隨離地面的高度的 增加而降低 形成上大下小的風速剖面 這一層受地球表面摩擦阻力影響的大氣 層稱為大氣邊界層 城市建筑均處于大氣邊界層中 因此進行建筑風環(huán)境模擬研 究必須模擬真實的大氣邊界層 不同的地面條件產(chǎn)生的大氣邊界層具有不同的特 征 大氣邊界層特征主要包括平均風速剖面 湍流結構和溫度層結等幾個方面 在實際的建筑風環(huán)境風洞研究時 往往視研究的目的的不同 采取不同的模擬策 略 一般只需要根據(jù)所在地的地貌類型依照建筑風規(guī)范來選擇合適的風速廓線指 數(shù) 國際上人工形成中性大氣邊界層的模擬方法主要分為被動方法和主動方法兩 類 4 前者的原理是在風洞中用一定的裝置對氣流截面沿高度產(chǎn)生不同程度的堵 塞 引起速度剪切層 將氣流中少部分的動能轉換為湍流的脈動能量 此類方法 可模擬大氣邊界層的風速剖面和湍流度剖面 并且較為經(jīng)濟簡便 目前為大多數(shù) 風工程學者廣泛采用 后者原理是對風洞中的主氣流可控制的主動擾動方法 為 湍流提供額外的能量 此類方法可以模擬風速剖面和湍流結構 有的甚至還可以 模擬湍流場尺度 2 1 3 測點選擇 測點高度往往以實際行人區(qū)2 m 高度按比例縮小而得 測點位置往往由風工 程師根據(jù)鈍體繞流的機理來選擇較易出現(xiàn)惡劣風環(huán)境的點 并且要綜合考慮不同 主導風向可能出現(xiàn)的測點區(qū)域 此外在模擬區(qū)另需選擇一個不易受樓群干擾的點 做為參考風速點 該點有的是選最高建筑的頂部 有的是選模型區(qū)中的開曠地 2 1 4 數(shù)據(jù)采集 通常分成8 一1 6 個風向 與人舒適度 安全性有關的流動參數(shù)有 平均風速 湍流脈動 風向 與此 對應在風洞實驗中 不同地點的平均風速值是最基本的測試數(shù)據(jù) 這些風的特性 參數(shù)將隨時間和空間有不同程度的變化 因此測量需要考慮長程時間和整個易發(fā) 2 0 第二章風環(huán)境研究方法簡介 生問題的區(qū)域 行人區(qū)高度就整個大氣邊界層尺度而言是很低的 這個層的平均風速很小 而相對湍流度和剪切應力較大 根據(jù)人體敏感度分析 往往是低頻湍流 2 3 秒 陣風 對行人的舒適度和安全性有重要作用 因此合適的實驗儀器必須滿足上述 要求 同時又考慮通常實驗要求的低費用 高精度 敏感性和穩(wěn)定性等因素 對風環(huán)境的測量技術通常分為定量 定性分析 點測量和面測量技術 典型 的點測量儀器有 熱線測速儀和p i v 技術 壓力傳感器 畢托管 激光測速儀等 面測量儀器通常采用風蝕技術 流動顯示等 2 一卜5 數(shù)據(jù)分析 實驗記錄 4 2 記錄中應包括 模擬大氣邊界層特征參數(shù) 包括冪指數(shù) 邊界層高度 湍流度隨高度的分布 功率譜 實驗模擬區(qū)域的地圖和照片 標準的測點位置 誤差在o 5 米范圍內(nèi) 所測得到平均速度 湍流度和峰值速度的表格 所使用的評價指標速度 如等效風速等 注意事項 選取若干個參考點進行實驗做結果對比 規(guī)范的風環(huán)境預估辦法 2 一卜6 預估和評價 通過風洞實驗可以知道不同來流風條件下建筑物的風環(huán)境狀況 結合當?shù)仫L 氣象數(shù)據(jù) 就可對建筑風環(huán)境進行預估 這樣就可知道 對應某個區(qū)域 大于某 個風速極限的風發(fā)生的頻度是多少 再根據(jù)此比較當?shù)氐娘L舒適性準則 而對 風環(huán)境作出評價 2 3 數(shù)值模擬 計算機數(shù)值模擬是在計算機上對建筑物周圍風流動所遵循的動力學方程進行 數(shù)值求解 通常稱為計算流體力學c f d 從而仿真實際的風環(huán)境 由于近年來計 算機運算速度和存儲能力的大大提高 對建筑風環(huán)境這樣的大型 復雜問題可以 在較短時間 2 0 一5 0 天 內(nèi)完成數(shù)值模擬 并且可借助計算機圖形學技術將模擬結 果形象地表示出來 使得模擬結果直觀 易于理解 同時 由于計算機模擬不受 第二章風環(huán)境研究方法簡介 實際條件的限制 因此不論實際建筑群布局形式如何 建筑物形狀是否規(guī)則等 都可以對其周圍風環(huán)境進行模擬 獲得詳盡的信息 利用計算機數(shù)值模擬方法還 可以方便地仿真不同自然條件下的風環(huán)境 只需在計算機程序中改變相應的邊界 條件即可 如對于上海地區(qū) 若要對某小區(qū)的風環(huán)境進行預測 往往要考慮北風 西北風 南風等主導風向下的情況 用計算機數(shù)值模擬方法只需分別定義不同來 流風向和風速就可以方便地對不同條件下室外的風環(huán)境進行仿真研究 當然 數(shù) 值模擬方法最大的缺陷在于其可靠性 即仿真結果的可信程度 這需要率定和驗 證 即對同類流動采用合適的數(shù)學物理模型進行模擬 并和實驗對比確定其可靠 性 然后將經(jīng)過驗證的程序用于類似的建筑群氣流流動模擬 從而保證模擬結果 的相對可靠性 近年來 各國學者不斷利用算機數(shù)值模擬 對建筑周圍的風環(huán)境 進行仿真分析并與風洞實驗結果對比 結果表明 數(shù)值計算能夠較好預測建筑物 周圍氣流流動情況 隨著建筑師和規(guī)劃師對建筑群風環(huán)境的曰益重視 對建筑群風環(huán)境進行預測 仿真已逐漸成為規(guī)劃設計中重要環(huán)節(jié) 以下介紹了當前最為流行的預測建筑群風 環(huán)境的幾種方法 并著重比較了各自的特點 鑒于數(shù)值模擬方法價廉 快速 信 息多 不受條件限制等優(yōu)點 本文采用了基于數(shù)值模擬方法的建筑群風環(huán)境優(yōu)化 設計的思路 1 直接數(shù)值模擬f d n s 刪 這是代價最昂貴的一種方法 因此在實際中較少使用 在d n s 模型中 對 整個湍流的運動范圍 從大尺度到耗散尺度 求解n s 方程組 計算中需要估算 選擇最小離散誤差 這些方程組描述了湍流波動特性的所有細節(jié) d n s 模型的 優(yōu)點在于清楚的定義了所有重要參數(shù)的條件 在理論上用數(shù)值方法解這些方程組 是可行的 由于典型的最小耗散旋渦尺度是1 r a m 所以網(wǎng)格尺寸也應該在同一 數(shù)量級上 這使得網(wǎng)格點數(shù)目過大 以至于連小建筑物也無法處理 盡管d n s 模型對于研究湍流及湍流模型方面具有很大潛力 但目前也只能 用于低雷諾數(shù)的情況 對于實際所感興趣的高雷諾數(shù)情況 數(shù)值模擬湍流譜消散 范圍內(nèi)的問題可能需要很多年才能完全解決 2 大旋渦模擬 l e s 大旋渦模擬是建立在容積平均n s 方程組基礎上的 在工程領域內(nèi)可應用 于所有流體 l e s 的目的是計算三維與時間有關的大尺度運動f 它引起初始傳 輸 同時對小尺度或子網(wǎng)格尺度運動簡單建模 參數(shù)化 l e s 模型中 通過網(wǎng) 格容積平均 計算域被分為可解域 也就是大尺度域 剩余域 子網(wǎng)格域 即小 旋渦域 第二章風環(huán)境研究方法簡介 所有尺度大于網(wǎng)格尺寸的運動都是可解的 包括周期蔓延旋渦 這種模擬不 能區(qū)分旋渦引起的波動 網(wǎng)格尺寸越細 運動尺度便可分解得越細 不可分解的 小尺度運動對于可分解的大尺度運動的影響需要建模進行研究 最早用大旋渦方法來進行數(shù)值估算的是d e a r d o r f f 在他的文章中 l e s 方 法被應用于水洞 后來引伸到對流邊界層 這個方法可以在任何時刻 凍結 流 體而產(chǎn)生整個流場速度 壓力和各種湍流統(tǒng)計量 l e s 方法的最大缺點是當它應用于非均勻流動 如建筑物周圍的流動時 就 需要非常大的c p u 時間 而對于非流線形物體 精確的l e s 結果需要非常細的 網(wǎng)格和大的計算域 3 雷諾應力模擬 r s m 刪 雷諾應力模型通過分別對雷諾應力和湍流能量耗散解對流方程來計算傳輸 效應 l a u n d e r 指出數(shù)值計算復雜流動最令人滿意和有效的湍流模型是那些以雷 諾應力近似方程解為基礎的模型 這類方程最早由r o t t 提出 l a u n d e r f 4 4 貝u 對 三維流體提出了通用方法 r s m 是一種二階矩閉合模型 以雷諾應力估算傳輸 方程和任何標量通量為基礎 共有七個方程 其中對雷諾應力方程有六個方程 還有一個耗散方程 r s m 模型只限于應用于大雷諾數(shù)情況 它最初的注意力集 中在對應力和應變波動之間的校正給出較好的估計 由于壁面法則的局限性 r s m 的結果與實驗數(shù)據(jù)之間的差異比較大 4 k 一占模型 在旋渦粘性模型中 通過下式將雷諾應力與時均速度的梯度聯(lián)系起來 一瓦硝c 等 睪一弘 k 是湍流動能 旋渦粘性 隨時空的變化由湍流模型決定 一階閉合中y 由 長度尺度直接表述 在更為通用的湍流模型中 假設雷諾應力與主流線的應變率 成正比 比例因子y 由對湍流動能和耗散占兩個傳輸方程的求解得到 k 一占模型是雙方程模型的一種 湍流的動能和長度尺度都由傳輸方程所決 定 對長度尺度方程的演繹可通過對n