楊明++陳善群++廖斌

摘 要：建立了6組不同的串列建筑群排列形式，研究了串列建筑物間距、高差等因素對(duì)串列建筑物周邊風(fēng)場(chǎng)的影響。計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型。數(shù)值計(jì)算得到各種布局下建筑群周邊風(fēng)場(chǎng)，并對(duì)它們進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，串列建筑物間距、串列建筑物高差均會(huì)對(duì)串列建筑物周邊風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生較大影響。

關(guān)鍵詞：串列建筑物 標(biāo)準(zhǔn)模型 繞流風(fēng)場(chǎng) 數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TU13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）10（c）-0033-02

近年來(lái)高層建筑物得到了快速發(fā)展，由于高層建筑物的主要控制荷載是風(fēng)荷載，風(fēng)力對(duì)高層建筑物及建筑物周邊環(huán)境的影響巨大。在人們?nèi)找骊P(guān)心人居環(huán)境的今天，對(duì)高層建筑物周邊風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)壓進(jìn)行系統(tǒng)研究是非常有必要的，可以為評(píng)估城市規(guī)劃，及建筑物設(shè)計(jì)的合理性提供有價(jià)值的參考依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)建筑周邊繞流風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。呂文瑚等[1]對(duì)一棟10 m×10 m×10 m的建筑物模型運(yùn)用用模型進(jìn)行繞流計(jì)算，得到了建筑物表面壓力分布及周邊風(fēng)速矢量分布。R.Yoshie等人[2]使用DSM、RANS以及LES等湍流數(shù)值模型對(duì)東京（新瀉、新宿）現(xiàn)實(shí)街區(qū)建筑群風(fēng)場(chǎng)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬。B. Blocken和J.Carmeliet[3]使用CFD方法在不同風(fēng)向，不同風(fēng)速條件下對(duì)不同類(lèi)型的高層住宅建筑繞流風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，找到了在高層住宅建筑戶(hù)外使人感覺(jué)到舒服的風(fēng)場(chǎng)條件。馬劍等[4]采用基于雷諾時(shí)均N-S方程和RNG湍流模型的數(shù)值研究方法，分別對(duì)具有風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的單幢方形截面建筑和多幢矩形截面建筑組成的建筑群周邊的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了數(shù)值模擬。目前對(duì)建筑風(fēng)環(huán)境的研究較多，但大多集中在對(duì)單個(gè)建筑物的研究，對(duì)多個(gè)建筑物建筑物繞流及其相互干擾問(wèn)題的研究相對(duì)較少。由此可見(jiàn)，建筑物群周邊風(fēng)場(chǎng)繞流特性更加復(fù)雜。該文擬采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型對(duì)串列建筑群風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，研究串列建筑物間距、高差等因素對(duì)串列建筑周邊風(fēng)場(chǎng)變化的影響。

1 數(shù)值模擬理論

1.1 控制方程

建筑物風(fēng)場(chǎng)繞流流動(dòng)的基本控制方程為N-S方程組[5]，包括連續(xù)性方程和動(dòng)量方程：

（1）

（2）

對(duì)連續(xù)性方程和動(dòng)量方程分別進(jìn)行時(shí)均化處理，得到基于雷諾平均的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程：

（3）

（4）

式中，為空間位置坐標(biāo)；為方向的時(shí)均速度；為時(shí)均壓力；為空氣密度；為空氣動(dòng)力粘性系數(shù)，-為雷諾應(yīng)力。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)模型

標(biāo)準(zhǔn)模型[6]是為半經(jīng)驗(yàn)公式，源于湍流動(dòng)能和湍流耗散率，表達(dá)式分別如下：

湍流動(dòng)能方程：

（5）

湍流耗散率方程：

（6）

由于該文所模擬的計(jì)算模型為定常工況，可將動(dòng)量方程（4）、湍流動(dòng)能方程（5）和湍流耗散率方程（6）簡(jiǎn)化為如下形式：

（7）

（8）

（9）

式中：為湍流動(dòng)力粘度，表達(dá)式為；、、、、為模型常數(shù)，取值為，，，，。

2 串列建筑物周邊風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬與分析

2.1 串列建筑物計(jì)算模型的建立

對(duì)于串列建筑物，共設(shè)置兩單體建筑模型，如圖1所示，兩建筑底部邊長(zhǎng)為25 m×25 m，高度分別為H1、H2，建筑物之間間距為D。

為研究串列建筑間距、串列建筑高差等因素對(duì)串列建筑周邊風(fēng)場(chǎng)變化的影響。本文建立了3種不同參數(shù)的串列建筑物風(fēng)場(chǎng)模型，各種模型參數(shù)如表1所示。

如圖2所示，計(jì)算域網(wǎng)格在三維模型壁面處附近采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，遠(yuǎn)場(chǎng)采用均勻網(wǎng)格，其網(wǎng)格間距最小尺寸取值在1～4 m之間。

2.2 邊界條件的設(shè)定

速度入口條件：設(shè)定風(fēng)速恒為1.6 m/s，其他方向的速度梯度為零。

壓力出口條件：沿出口方向壓力梯度為0。

壁面邊界條件：采用固壁無(wú)滑移邊界條件，即速度在各個(gè)方向梯度為0，壓力法向梯度為0。

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

（1）串列建筑物高度H1=H2。

由速度矢量分布可知，它們速度分布圖大體一致，都是上游建筑物頂部速度最大，而在兩建筑物之間和下游建筑物背風(fēng)面，速度方向發(fā)生改變出現(xiàn)了負(fù)值。隨著兩建筑物之間的間距增大，上游建筑物頂部風(fēng)速增加，而兩建筑物建筑之間風(fēng)速和下游建筑物背風(fēng)面回流速度絕對(duì)值同樣增加。

速度流線(xiàn)顯示在兩建筑物之間和下游建筑的背風(fēng)面產(chǎn)生大的旋渦區(qū)；在上游建筑物的頂部分離區(qū)和上游建筑物迎風(fēng)面近地面處，產(chǎn)生小的旋渦區(qū)。

（2）串列建筑物高度H1>H2。

速度矢量分布與上一種情況類(lèi)似，但有所不同是，隨著兩建筑物之間的間距增大，兩建筑物建筑之間和下游建筑物背風(fēng)面發(fā)生回流的速度的絕對(duì)值變小。

速度流線(xiàn)兩等高建筑物的速度流線(xiàn)圖相似，都在上游建筑物的頂部產(chǎn)生小渦區(qū)，以及下游建筑背風(fēng)面和在兩建筑物之間產(chǎn)生大的渦區(qū)。

（3）串列建筑物高度H1

由速度矢量分布可知，它們速度分布圖都是在下游建筑物的頂部的速度最大，而在兩建筑物之間和下游建筑物后面，速度出現(xiàn)了負(fù)值。隨著兩建筑物之間的間距增大，上游建筑物迎風(fēng)面以及下游建筑物正方向的速度變大，而兩建筑物建筑之間和下游建筑物背風(fēng)面的發(fā)生回流的速度的絕對(duì)值變小。

在間距在臨界間距且相等的情況下，建筑物的高度不等且分布不一樣時(shí)，速度流場(chǎng)明顯有很大的區(qū)別，但在上游建筑迎風(fēng)面處速度流場(chǎng)大體一致。而在兩建筑物之間由于建筑高度的影響，速度流場(chǎng)發(fā)生明顯的變化，在等高時(shí)，兩建筑物之間形成規(guī)則的反向漩渦；在前高后低時(shí)，回旋漩渦從上游建筑物背風(fēng)面頂端一直延伸到下游建筑物迎風(fēng)面的底端，整個(gè)渦流非常明顯，作用在整個(gè)下游建筑物；而在前低后高時(shí)，建筑物之間的渦流對(duì)下游建筑物的影響較小。但在下游建筑物背風(fēng)面三種布局形式均會(huì)出現(xiàn)明顯的回流，以及在兩建筑物頂部都會(huì)看到有較小的回流漩渦。從而進(jìn)一步證實(shí)建筑物的布局前低后高是較為符合空氣環(huán)境以及人性化的布局方式。在三種布局形式下，上游建筑迎風(fēng)面的風(fēng)速流場(chǎng)大體一致，在上游建筑迎風(fēng)面均會(huì)出現(xiàn)明顯的漩渦回流，在兩建筑物之間由于風(fēng)速流場(chǎng)在建筑物的影響作用下反向速度值均明顯小于進(jìn)口風(fēng)速，這種低速回流在下游建筑物背風(fēng)面亦會(huì)出現(xiàn)，并且明顯可以看出此風(fēng)速一直延伸很遠(yuǎn)的距離，甚于到達(dá)壓力壁面出風(fēng)口處。但在兩建筑物的左右兩側(cè)也會(huì)出現(xiàn)明顯的漩渦回流。