王漢青 肖凌云 王沨楓 夏雄博 黎敏 張璨

湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

大型復(fù)雜山地住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬

王漢青 肖凌云 王沨楓 夏雄博 黎敏 張璨

湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

本文針對某大型復(fù)雜山地小區(qū)的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了數(shù)值仿真，并用計(jì)算流體力學(xué)的方法求解了夏季和冬季的穩(wěn)態(tài)三維流場。分析了各建筑間的巷道風(fēng)、污染物濃度、行人高度處的來流風(fēng)速，以及在風(fēng)壓作用下建筑的迎風(fēng)面和背風(fēng)面的壓力差等，得出了對以后山地小區(qū)風(fēng)環(huán)境的模擬及合理的規(guī)劃具有參考價(jià)值的結(jié)果。

大型住宅小區(qū) 風(fēng)環(huán)境 數(shù)值模擬

隨著人們對居住環(huán)境質(zhì)量要求的提高，住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境逐漸受到大家的重視，并且已經(jīng)納入到綠色建筑的評估范圍，不容忽視。目前對小區(qū)風(fēng)環(huán)境的研究已有不少，例如關(guān)吉平[1]等人在同濟(jì)大學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室TJ-3邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行試驗(yàn)，對建筑行人高度風(fēng)環(huán)境舒適性和危險(xiǎn)性水平做了分析和評估，對于不符合要求的區(qū)域給出了適當(dāng)?shù)慕ㄗh；劉春艷[2]等人就廈門市某小區(qū)規(guī)劃階段的方案，對其進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬，并利用仿真結(jié)果對該設(shè)計(jì)方案做出相應(yīng)調(diào)整。相比之下，數(shù)值模擬的方法具有成本低、周期短等優(yōu)勢，但是在這些研究中并沒有對地形復(fù)雜的山地小區(qū)進(jìn)行詳細(xì)的研究[3]。復(fù)雜的山地建模與建筑本身的耦合和網(wǎng)格劃分難度較大，對模擬研究帶來一定挑戰(zhàn)。本文針對南方某大型復(fù)雜山地住宅小區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，根據(jù)仿真結(jié)果對建筑布局進(jìn)行優(yōu)化，有效地消除不利風(fēng)環(huán)境對建筑及居民可能帶來的危害。

1 物理模型

1.1 實(shí)例概況介紹

模擬對象是位于南方某城市的山地住宅小區(qū)，共36棟建筑，其中包括19棟別墅和17棟高層建筑；別墅臨山而建，高度為13.5m，高層建筑高度為97.5m；小區(qū)南北方向長510m，東西方向?qū)?10m，其平面布局及各建筑編號如圖1所示。

該市夏季主導(dǎo)南風(fēng)，冬季主導(dǎo)北風(fēng)，日平均風(fēng)速分別為2.5m/s、2.1m/s；計(jì)算區(qū)域沿迎風(fēng)方向，長度取6倍建筑高度；沿背風(fēng)方向，長度取8倍建筑高度，沿高度方向及另外兩個(gè)方向均取4倍建筑高度[4]，則整個(gè)計(jì)算域?yàn)椋?295m×1775m×390m。

圖1 小區(qū)建筑位置圖

1.2 三維地形的建立

整個(gè)小區(qū)的建筑和地形均按照實(shí)際情況進(jìn)行建模。忽略地面低矮的樹木和建筑中尺寸相對較小的陽臺、窗戶等[5]；地形則是根據(jù)三維坐標(biāo)點(diǎn)在Gambit中得到的一個(gè)連續(xù)完整的曲面[6]。然后把建筑三維模型和地形結(jié)合起來，得到圖2。

圖2 小區(qū)物理模型

2 湍流模型

實(shí)際上小區(qū)的下墊面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為簡化計(jì)算可忽略輻射及浮升力的影響，忽略空氣密度隨溫度的變化，常溫下空氣可視為不可壓縮流體，滿足Bossinesq假設(shè)，一般地說自然風(fēng)的繞流是一種湍流運(yùn)動，故本文采用如下的湍流模型。

雙方程k-ε模型作為湍流模型[7]，k-ε模型的湍流動能k方程為：

式中：Γk,eff為紊流能量k的有效擴(kuò)散系數(shù)，Γk,eff=v+Γkt，即Γk,eff=v+vt/σk；ε=σkk2/vt；k為紊流能量，m2/s2；τ為時(shí)間，s；ui為i方向的速度，m/s；vt為紊流動力黏性系數(shù)，亞格子尺度紊流黏性系數(shù)，kg/(m·s)。

耗散率ε方程為：

式中：Γε,eff=v+Γεt；ε為紊流黏性耗散率，m2/s3；g為重力加速度，m/s2；β為體積膨脹系數(shù)，1/K。

3 邊界條件與網(wǎng)格劃分

3.1 邊界條件

在大氣邊界層內(nèi)，由于摩擦力的存在，風(fēng)速沿垂直方向遞增，貼近地面處風(fēng)速為零，因此模型入口邊界設(shè)為梯度風(fēng)速度邊界。對于風(fēng)速梯度，假定風(fēng)速剖面符合Davenport提出的冪指數(shù)分布規(guī)律，指數(shù)α在邊界層厚度δ內(nèi)保持不變，即：

式中：高度Zo為參考點(diǎn)高度，通常取10m處；Vo為在Zo高度的平均風(fēng)速；風(fēng)速V為任意高度Z的函數(shù)，V= V(Z)；冪指數(shù)α是地面粗糙系數(shù)，不同的地面條件，α取值不同，本文取0.25[8]，具體取值還可以通過實(shí)地測量和擬合風(fēng)速廓線得到。本文采用C語言編寫程序，利用UDF導(dǎo)入FLUENT進(jìn)行計(jì)算。

本模型側(cè)面、頂部及出口邊界條件參考風(fēng)洞模型試驗(yàn)的做法，由于空間足夠大，可忽略邊界對建筑繞流的影響，所有固體邊界均采用“無滑移”壁面條件，頂部邊界采用“moving-wall”壁面條件，出口邊界采用自由出流。

3.2 網(wǎng)格劃分

本文采用多塊混合網(wǎng)格，對建筑周圍20m以內(nèi)的部分進(jìn)行了局部加密。

4 小區(qū)風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬結(jié)果及分析4

依據(jù)我國第三版《中國生態(tài)住宅技術(shù)評估手冊》中的要求，本文采用數(shù)值模擬的方法，可預(yù)測達(dá)到：在建筑物行人高度1.5m處的風(fēng)速小于5m/s，保證冬季建筑物前后壓差不大于5Pa，夏季小區(qū)內(nèi)部風(fēng)場無較大面積漩渦和死角[8]，并采取相應(yīng)措施。

4.1 小區(qū)夏季風(fēng)環(huán)境結(jié)果分析

為了分析小區(qū)受夏季風(fēng)環(huán)境的影響，取Z=66.5m、Z=78m和Z=160m高度處小區(qū)的壓力云圖和速度云圖進(jìn)行分析。

圖3、4是建筑（除山中別墅外）離地面平均高度為1.5m處的截面速度和壓力云圖，從整體看出大部分建筑與建筑之間的風(fēng)速是控制在5m/s之內(nèi)，最高風(fēng)速在3.6m/s以內(nèi)，最低風(fēng)速約0.2m/s，不會使人體有不舒適感。從圖中可以看出由于前方建筑物與后方建筑的阻擋，5號建筑、6號建筑下部的空隙處幾乎沒有風(fēng)吹過，在這兩棟建筑物前后均形成負(fù)壓，又由于2號與6號建筑之間的巷道效應(yīng)，氣體未流經(jīng)6號背部而直接從1號建筑、3號建筑之間的間隙流出，因此5號建筑、6號建筑之間可能會導(dǎo)致污染物的積聚，不利于營造小區(qū)潔凈大氣環(huán)境。

圖3 Z=66.5m處的速度云圖

圖4 Z=66.5m處的壓力云圖

同樣，取離地面平均高度為13m的截面，分析其壓力和速度，此斷面剛好顯示別墅區(qū)行人高度的流動情況，最大風(fēng)速不超過3.5m/s，最小風(fēng)速略大于0.2m/s，風(fēng)沿著山體流過別墅區(qū)，別墅之間的間距和錯(cuò)位的排列方式，使得風(fēng)能均勻繞過每棟建筑。19棟別墅與20棟別墅在靠近山體的一側(cè)，風(fēng)速偏小，僅為0.2m/s，并形成死角，對環(huán)境有一定的影響，但是從總體上看，由于有山的阻擋，別墅區(qū)整體的風(fēng)環(huán)境比預(yù)期的效果要好。

圖5是在Z=160m（建筑物頂部）平面位置上截取兩條直線的壓力曲線圖。圖中可以看出不同建筑迎風(fēng)面與背風(fēng)面的壓差大小，其中35號建筑壓差為3.1Pa，4號建筑壓差為 0.1Pa；34號建筑壓差為4.7Pa，32號建筑壓差為3.7Pa。從圖5中可以看出各個(gè)建筑物迎風(fēng)面壓力均大于背風(fēng)面壓力，其中4號建筑的迎風(fēng)面和背風(fēng)面的壓差比較小，建議調(diào)整。

圖5 Z=160m處的壓力曲線圖

圖6 Z=160m處的壓力云圖

4.2 小區(qū)冬季風(fēng)環(huán)境結(jié)果分析

為了分析冬季風(fēng)環(huán)境，對模型取X=360m、Z=66. 5m、Z=78m和Z=160m處的截面進(jìn)行分析。

如圖7（a），壓力最大處發(fā)生在建筑物的迎風(fēng)面偏上方，而壓力最小處發(fā)生在建筑物背風(fēng)側(cè)頂部，且建筑與建筑之間壓力形成負(fù)壓區(qū)。圖7（b）可以看出沿垂直方向出現(xiàn)明顯的速度分層，越靠近地面速度越小，隨著高度增加，風(fēng)速增加。從圖7（c）局部建筑的速度矢量圖可以看出，建筑物之間的豎直方向形成大漩渦，可能影響污染物的擴(kuò)散，對小區(qū)建筑周圍環(huán)境的清潔度和舒適性有一定的影響。

圖7 X=360m處的壓力云圖、速度云圖、速度矢量圖

圖8、圖9是建筑（除山中別墅外）離地面平均高度為1.5m處的截面速度云圖和風(fēng)速大于5m/s示意圖，從整體可以看出大部分建筑之間的風(fēng)速控制在5m/s之內(nèi)，僅34號建筑東側(cè)局部風(fēng)速大于5m/s，最低速度約0.2m/s。3號建筑與4號建筑、4號建筑與31號建筑之間的風(fēng)速偏大，局部風(fēng)速可達(dá)4.8m/s，其后由于建筑物的阻擋，風(fēng)速漸漸減弱。在6號建筑的西南方和東北方出現(xiàn)兩個(gè)較大的漩渦，不利于污染物的排除，有可能造成污染沉積，建議對其間距做適當(dāng)調(diào)整，或適當(dāng)設(shè)置綠化加以緩和。

圖8 Z=66.5m處的速度云圖

圖9 Z=66.5m處速度大于5m/s示意圖

與夏季相同，取離地面平均高度為13m的截面，分析別墅區(qū)行人高度處的流動情況，其中最大風(fēng)速不超過5m/s，最小風(fēng)速略大于0.2m/s，最大風(fēng)速還是出現(xiàn)在4號建筑與3 1號建筑之間。在別墅區(qū)，由于北面有高建筑物的阻擋，風(fēng)速均大約在1m/s以下。但在從32號建筑與34號建筑吹過來的北風(fēng)沿著山體掠過別墅區(qū)，使該區(qū)域風(fēng)速處于2.5m/s與3.0m/s之間。20號建筑風(fēng)速略大于其他別墅，最大達(dá)4m/s。

同樣，為了分析冬季不同建筑頂部迎風(fēng)面與背風(fēng)面的壓差大小，在Z=160m（建筑物頂部）平面位置上截取了兩條直線，得到其壓力變化情況，其中35號建筑壓差為2.5Pa，4號建筑壓差為11.8Pa；34號建筑壓差為8.5Pa，32號建筑壓差為13Pa。由于最北面建筑沒阻擋物，所以壓差較大，且1號建筑、3號建筑、31號建筑和32號建筑的壓差大小均超過7Pa，故應(yīng)采取較好的防風(fēng)防滲漏措施，同時(shí)要考慮建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)震、抗風(fēng)壓能力。

在建筑的迎風(fēng)面上取1號建筑、4號建筑、31號建筑為代表性建筑，分析其在豎直方向的壓力與速度變化趨勢，如圖10（a）所示，以平面Y=370m與平面X=60m、X=250m、X=350m分別相交的直線代表3個(gè)位置的標(biāo)定線。從圖10（b）與圖10（c）中可以看出，壓力和速度符合伯努利方程描述的規(guī)律，氣流在掠過建筑物頂部之后風(fēng)速逐漸增大，故在建筑的最頂層須考慮風(fēng)荷載的影響。

圖10 Y=370m平面上標(biāo)定線示意圖、壓力曲線圖、速度曲線圖

5 結(jié)語

本文對該小區(qū)夏冬兩季不同風(fēng)向的室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，小區(qū)的規(guī)劃整體上能達(dá)到室外風(fēng)環(huán)境要求，但存在一些不足：

1）在局部區(qū)域有氣流渦旋區(qū)存在，可能會造成污染物沉積，應(yīng)該適當(dāng)調(diào)整建筑物布局，或考慮設(shè)置綠化，以避免由于大型渦旋區(qū)的產(chǎn)生對居民生活帶來不便。

2）在不同的高度處，部分建筑物的局部迎風(fēng)面與背風(fēng)面壓差比較大，超出規(guī)范的要求，需考慮這些建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)震、風(fēng)壓能力。

3）部分地區(qū)巷道風(fēng)風(fēng)速達(dá)到5m/s以上，要考慮對建筑物規(guī)劃做局部調(diào)整。

根據(jù)仿真計(jì)算的結(jié)果，甲方采納了相關(guān)建議，計(jì)算結(jié)果還充分說明本文采用的仿真方法對分析大型山地小區(qū)風(fēng)環(huán)境仿真是可行的，CFD是分析復(fù)雜室外風(fēng)環(huán)境的有力工具。

[1]關(guān)吉平,任鵬杰,周成,等.高層建筑行人高度風(fēng)環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2010,25(1):21-24

[2]劉春艷,彭興黔,趙青春.沿海城市住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境研究[J].福建建筑,2010,(7):15-17

[3]趙福云,湯廣發(fā),劉娣.住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬[J].暖通空調(diào), 2005,35(1):120-125

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[5]鄧天福,李燦,李景光,等.小區(qū)風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬方法[A].見:綠色建筑大會論文集[C].2008:94-98

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[8]梁朋云.樹木對建筑小區(qū)風(fēng)環(huán)境影響的模擬研究[D].石家莊:河北工程大學(xué),2011

Num e ric a l Sim ula tion of Wind Environm e nt in a La rge Mounta in Re s ide ntia l

WANG Han-qing,XIAO Ling-yun,WANG Feng-feng,XIA Xiong-bo,LI Min,ZHANG Can
College of Civil Engineering,Hunan University of Technology

Aiming at the wind environment for a large mountain area of the numerical simulation.Solves the steady-state three-dimensional flow field in the summer and winter by CFD.Analyses the roadway wind,pollutant concentration, wind velocity of pedestrian height between the buildings,and the pressure difference in the windward and leeward of the buildings under wind pressure,etc.It has reference value for simulating wind environment and reasonable planning of residential quarters.

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1003-0344（2015）02-042-5

2013-12-19

王漢青（1963～），博士，教授；湖南省株洲市天元區(qū)泰山西路湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院（412007）；E-mail:suolucao@126.com

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃課題（2011BAJ03B07）