建筑小區(qū)內(nèi)氣流流場的數(shù)值模擬分析

1、建筑小區(qū)內(nèi)氣流流場的數(shù)值模擬分析Numerical Simulation of Air Flow in Building Cluster趙彬、李先庭、彥啟森 文摘： 本文采用計算流體動力學CFD（computational fluid dynamics）的方法，對北京地區(qū)冬季北風情況下某建筑小區(qū)內(nèi)的氣流流動進行了數(shù)值模擬仿真。借助數(shù)值模擬能模擬真實情況、資料詳細的優(yōu)點，對該小區(qū)兩個主要區(qū)域在冬季北風向這一不利工況下的氣流流動情況進行了分析，由此可見，通過CFD方法對小區(qū)氣流流動進行模擬仿真，并且以直觀形象的可視化結果展現(xiàn)于設計者和客戶，可方便地對小區(qū)布局設計進行指導以及對小區(qū)內(nèi)微氣候進行評價。

2、    1. 前言    建筑師們在設計建筑小區(qū)時，注意力多集中在建筑平面的功能布置，美觀設計及空間利用上，而很少考慮到小區(qū)內(nèi)高層、高密度建筑群中氣流流動情況對人的影響：局部地方（尤其是高層）風速太大可能對人們的生活、行動造成不便，也有可能在某些地方形成旋渦和死角，不利于室內(nèi)的自然通風，從而形成不好的小區(qū)微氣候。因此，為了營造綠色舒適的建筑小區(qū)微環(huán)境，需要在規(guī)劃設計階段對小區(qū)內(nèi)氣流流動情況作出預測評價，以指導設計。通常可用模型實驗或者數(shù)值模擬的方法對小區(qū)內(nèi)的空氣流動進行預測。模型實驗方法周期太長，價格昂貴，不利于用于設計階段的方案預測

3、和分析；而數(shù)值計算相當于在計算機上做實驗，相比模型實驗方法周期較短，價格低廉，可以以較為形象和直觀的方式將結果展示出來，利于非專業(yè)人士通過形象的流場圖和動畫了解小區(qū)內(nèi)氣流流動情況。因此這里將介紹利用數(shù)值模擬技術模擬仿真小區(qū)內(nèi)氣流流動的詳細情況，藉此對小區(qū)微氣候作出評價分析以及對小區(qū)的設計作出改進優(yōu)化。國外早在1980年代就利用數(shù)值模擬手段對室外氣流流動進行研究，但主要針對單體建筑1。近年來，我國也開始對高密度的建筑小區(qū)這一具有中國特色的建筑形式內(nèi)的氣流流場進行數(shù)值模擬研究2。隨著計算機技術、數(shù)值計算技術以及湍流模擬技術的發(fā)展，如今我們可以對非常復雜的實際建筑小區(qū)內(nèi)氣流流動進行模擬仿真，方便、直

4、觀地對小區(qū)微氣候作出評價。下面將以一個實際的建筑小區(qū)為例進行分析。    2. 計算流體動力學技術簡介    簡而言之，流體流動的數(shù)值模擬即在計算機上做實驗。它在計算域內(nèi)離散空氣流動遵循的流體動力學方程組，將強烈非線性的偏微分方程組轉變?yōu)榇鷶?shù)方程組，再采用一定的數(shù)值計算技術求解之，從而獲得整個計算區(qū)域內(nèi)流場分布的詳細信息，最后可將結果用計算機圖形學技術形象直觀地表示出來。這就是所謂的計算流體動力學CFD（Computational Fluid Dynamics）。由于實際空氣是粘性流體，流動基本為湍流流動，故這其中涉及湍流模擬技術。自

5、1974年以來，人們開始進行大量的CFD技術應用于建筑環(huán)境的模擬研究工作3。如今，CFD技術已經(jīng)在建筑環(huán)境和設備模擬中取得了很大的成就。這里我們采用國際公認的權威CFD技術研究機構：英國帝國理工學院CHAM研究所開發(fā)的PHOENICS軟件對下面的小區(qū)內(nèi)空氣流動情況進行模擬仿真分析。該軟件具有眾多的湍流模型和數(shù)值差分格式，并經(jīng)過了上千個算例的實驗驗證，能保證計算結果的準確性。有關CFD技術的內(nèi)容可參考有關文獻和專著。    3. 計算工況說明    這里將要分析的小區(qū)是北京東潤楓景小區(qū)，它是北京朝陽區(qū)東風農(nóng)場改建住宅區(qū)，總建筑面積約49

6、萬平方米，總居住人口約15000人。圖1所示為該小區(qū)示意圖。圖1 楓景小區(qū)整體效果圖    根據(jù)需要，目前最需模擬分析的是楓景小區(qū)的W區(qū)和S區(qū)，其中有下列情況需要說明：    3.1 梯度風的采用    由于楓景小區(qū)并不是一個孤立的小區(qū)，其周圍勢必存在較低的建筑或其它物體，因此小區(qū)外來流風并不是均勻的，根據(jù)有關文獻和資料的研究成果，并結合楓景小區(qū)所處的地理位置，小區(qū)前來流風因為地面和低矮建筑的影響，應是按邊界層規(guī)律分布的，即所謂的梯度風，如下圖2所示：圖2 城市梯度風    

7、 上述梯度風滿足下式：    圖中的h>380m后，風速可認為趨于均勻，大小等于h=380m處的風速。    3.2 北京地區(qū)主導風速和風向的選擇    為使計算結果具有一定的代表性，需要選擇北京地區(qū)的主導風向和風速。根據(jù)我們對19601990年這30年間北京地區(qū)氣象數(shù)據(jù)的分析知，北京地區(qū)秋、冬季主導風向為北風，平均風速3m/s，典型風速約5m/s（指出現(xiàn)頻率較高的風速），春、夏季主導風向為南風，平均風速3.4m/s，典型風速約5.5m/s。而由于冬季主要為北風，應為最不利情形，加之這種復雜小區(qū)的模

8、擬計算耗時極多，因此這里我們擬先對冬季情形作出模擬，即按照風向北、風速5m/s（10m高處的氣象數(shù)據(jù)）進行計算。    4. 計算結果和分析    圖34各圖為楓景小區(qū)W區(qū)和S區(qū)兩個區(qū)域的模擬仿真結果流場圖。    對于W區(qū)：圖3a為高度1米的水平面上的流場分布，這個高度是人們經(jīng)常活動和最能感知到的范圍，即所謂的“人區(qū)”，這也是小區(qū)微氣候最重要的關鍵區(qū)域。由圖可見，在W區(qū)中部局部地方有旋渦出現(xiàn)，但是風速很小，約15m/s，同時，該區(qū)域內(nèi)大部分地方的風速均在5m/s以下，因此對人員行動不會造成不便，也不會對

9、人體熱舒適感覺形成不良的影響，圖中還顯示出在該區(qū)東、西兩側建筑物周圍的局部地方有較大的風速，可達15m/s，這是由于來流北風繞建筑物流動的結果，但是這塊區(qū)域不是人們經(jīng)?；顒拥牡胤剑视绊懖淮?。圖3bc顯示了W區(qū)橫截面和縱剖面上不同位置的風速流場分布，由圖可見，來流風的繞流作用對建筑高層有一定的影響，流速從底層到高層逐漸增大，頂層附近風速比底層為高，但是最高值僅為9m/s，并無太大的影響?？偠灾?，W區(qū)在冬季北風的氣候條件下的微氣候令人滿意，不會造成人體不適和行動不便；    對于S區(qū)，仍然先從圖4a顯示的高度1米的“人區(qū)”的流場分布結果開始分析，由圖中可以看出，S

10、區(qū)內(nèi)的風速較小，均小于5.5m/s，這是其前面板樓的阻擋作用之結果。另外，由于前面建筑的繞流作用，在該區(qū)最后一排高層建筑之前形成渦流，但是速度很小，僅達3.3m/s左右，故對居者的行動和舒適不會造成不良的影響。從圖中還可以看出，在S區(qū)前面的板樓之間，由于其流通斷面突然減小，此處風速很大，最高可達13m/s左右，但是這已經(jīng)離S區(qū)較遠，對S區(qū)的居住者不會由太多的影響。圖4bc表示的是S區(qū)橫剖面和S區(qū)以及其前面板樓組成的區(qū)域內(nèi)的縱剖面上的流場分布，由圖可以看出，來流風的繞流作用使得S區(qū)高層建筑的風速由底層向上逐漸升高，但是其流速最大也只達到7m/s左右，對高層住戶影響不大，不會造成不適感覺。

11、0;   關于W區(qū)和S區(qū)的室外空氣流動的更詳細的資料，可以通過CFD軟件得到三個方向任意位置的流場分布，并且，我們還可以借助別的計算機手段得出更為形象直觀的動畫，這非常適合非建筑環(huán)境專業(yè)人士快速、方便地把握小區(qū)內(nèi)的流場流動情況。    將以上分析結果總結歸納可得如下結論：    (1. W區(qū)和S區(qū)的人區(qū)內(nèi)基本沒有速度過大的區(qū)域，大部分地方的風速均在5m/s以下，不會對居者行動和舒適感覺帶來不便；    (2. W區(qū)和S區(qū)的高層建筑風速由低至高逐漸增加，但是最高值基本低于10m/s，不會對該層住戶造成不適感覺；    (3. W區(qū)和S區(qū)內(nèi)某些局部區(qū)域均存在一定的渦旋流動，但是其流速很小，均在3m/s以下，不會形成不好的微氣候；    (4. W區(qū)建筑邊緣局部地方和S區(qū)前部板樓（最高6層）局部會有速度過大的區(qū)域，但是這已經(jīng)遠離我們考慮的W區(qū)和S區(qū)，不是人們經(jīng)?；顒拥姆秶?，