李晉

摘 要：本文通過使用流體分析軟件建立高層住宅小區(qū)相關(guān)的流場分析模型，通過調(diào)整建筑布局對高層住宅小區(qū)的風(fēng)環(huán)境所產(chǎn)生的影響進(jìn)行闡述。同時，從實(shí)際工作出發(fā)，從冬夏兩季的建筑的布局對室外風(fēng)環(huán)境產(chǎn)生的影響分別進(jìn)行研究，旨在通過研究所得結(jié)論為今后利用建筑布局改善高層住宅小區(qū)的風(fēng)環(huán)境提供一個思考方向。

關(guān)鍵詞：高層住宅；風(fēng)環(huán)境；建筑布局；數(shù)值模擬

隨著我國城市化水平的提高，建筑領(lǐng)域也在不斷的進(jìn)步，出現(xiàn)了眾多高層住宅建筑的住宅小區(qū)。這就加大了城市的建筑密度，并由此引發(fā)了許多關(guān)于風(fēng)環(huán)境的問題。如建筑過于密集從而導(dǎo)致氣體污染物無法迅速擴(kuò)散消失，這引起了人們的高度關(guān)注，許多建筑規(guī)劃和流體運(yùn)動研究人員也對此進(jìn)行了研究。國內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)開展了對不同風(fēng)向時的空氣流場分布、矩形截面建筑的群體風(fēng)場、相鄰高層建筑擾流的風(fēng)流場的研究從中取得了一定的研究成果。國外的相關(guān)學(xué)者也對城市中不同的住宅小區(qū)的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了模擬和研究。本文以某嚴(yán)寒地區(qū)的高層住宅小區(qū)在冬、夏兩季不同風(fēng)向的風(fēng)環(huán)境情況進(jìn)行分析，得出了不同建筑物布局時的風(fēng)速場的分布，從而得知了調(diào)整迎風(fēng)面建筑的布局方式對高層住宅小區(qū)室外的風(fēng)場分布產(chǎn)生的影響最顯著。

1 室外風(fēng)場相關(guān)模型的建立與CFD的相關(guān)數(shù)值模擬

1.1 模型的建立

我國東北某城市A位于氣候類型I區(qū)，具有嚴(yán)寒地區(qū)的特點(diǎn)：冬季漫長寒冷，夏季短促涼爽，季節(jié)溫差較大。如果室外風(fēng)速很大則會使得小區(qū)有很冷的感覺，導(dǎo)致環(huán)境舒適性下降。本文選取城市A的某高層小區(qū)B建立物理模型，通過冬季、夏季兩季室外的風(fēng)速場分布對此高層小區(qū)的影響進(jìn)行研究。小區(qū)B區(qū)域內(nèi)共有十棟樓分布其中，1號樓至六號樓高度為60 m，其余各棟樓高30 m。建筑體型分為兩種：1號、2號樓及7號至10號樓為板式建筑模式，其余各樓為塔式建筑模式。住宅樓房北側(cè)為一主干道路。

夏季室外溫度取A城市夏季平均溫度24.6℃，室外風(fēng)速取夏季平均風(fēng)速3.0m/s，風(fēng)向大致為南向。冬季溫度取室外冬季平均溫度-23℃，風(fēng)速取冬季平均風(fēng)速3.2m/s，風(fēng)向大致為北向。計(jì)算域依據(jù)現(xiàn)實(shí)情況選取大約是小區(qū)3-4倍的寬度，背風(fēng)面選取大致為3-6倍小區(qū)的寬度，高度方向選取2-3倍的建筑高度。幾何建模及網(wǎng)格劃分使用Fluent的前置處理器Gambit。速度入口為計(jì)算域的來流風(fēng)，自由出流風(fēng)為出口，使用壓力耦合半隱法Simple來求解壓力與速度的耦合問題，使用一階迎風(fēng)格式對壓力、動量、紊流脈動動能和動能耗散率進(jìn)行離散。

1.2 CFD數(shù)值模擬

Fluent是一種主要用于對復(fù)雜的流體流動及熱的傳導(dǎo)進(jìn)行模擬的計(jì)算機(jī)程序，是目前應(yīng)用較為廣泛的一種流體力學(xué)計(jì)算軟件。由于其采用了多種算法和多重的網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，所以Fluent的收斂速度和求解精度都是最佳的。此外Fluent也提供了下列湍流模型：Spalart-Allmaras模型、標(biāo)準(zhǔn)k-￡模型、重組化群RNG k-￡模型、可實(shí)現(xiàn)模型、雷諾應(yīng)力模型RSM和大渦模擬模型LES。其中湍流模型的選取和許多因素有關(guān)，如流體物理、特定問題的經(jīng)驗(yàn)、精度級別和風(fēng)速的特定條件。在本文中，主要考慮人的主要在地面附近活動，所以使用標(biāo)準(zhǔn)k-￡模型。

2 模擬結(jié)果的分析

通過對夏季、冬季三種不同的建筑布局方式進(jìn)行模擬，得出了室外風(fēng)速場的相關(guān)分布，進(jìn)一步對三種形式的高層住宅小區(qū)室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行分析和對比。

2.1 夏季室外風(fēng)速場分析

根據(jù)高層住宅小區(qū)布局一，即1號樓至六號樓，樓高60m.7號樓至10號樓，樓高30m對夏季室外風(fēng)速場進(jìn)行相關(guān)模擬。夏季風(fēng)向大致為南風(fēng)，距地距離大致為1.5m出速度分布參見圖1。由圖可知，夏季迎風(fēng)向，氣流從南側(cè)建筑之間垂直進(jìn)入小區(qū)，風(fēng)速在入口處最大為3.23m/s，并且風(fēng)主要在建筑物間南北向流動，形成一個導(dǎo)風(fēng)巷，風(fēng)速可到2.24m/s。每個樓房間有巷道風(fēng)效應(yīng)的存在，并且每個樓的背風(fēng)側(cè)形成了一個漩渦死角。其中，由于1號樓和2號樓擋風(fēng)部分較大，樓房的南向風(fēng)速大致為2.23m/s，在樓后形成了一個負(fù)壓區(qū)。

由圖1可知，小區(qū)風(fēng)速很高，改變建筑物布局，降低了小區(qū)1號樓房和2號樓房的高度再進(jìn)行對比分析，此時1號樓和2號樓樓高均為30m，其余各樓高度不變。小區(qū)地面高度1.5m處夏季風(fēng)場分布參見圖3，據(jù)此可知，夏季迎風(fēng)方向，整個小區(qū)內(nèi)風(fēng)速無變化，但是改變1號樓和2號樓的高度后二者背風(fēng)側(cè)風(fēng)速驟然降至1.4m/s，這說明建筑物的布局的改變對風(fēng)速場會產(chǎn)生影響。

圖2進(jìn)一步驗(yàn)證了建筑的布局方式對室外風(fēng)環(huán)境會產(chǎn)生影響。接下來進(jìn)一步對建筑布局進(jìn)行改變，此時設(shè)定此小區(qū)1號樓至6號樓高度為30 m，其余各樓高度設(shè)定為15 m。最高建筑高度降為30 m時，距地面高度1.5 m高度夏季風(fēng)場分布參見圖3。由圖可知，建筑物高度降低的同時，夏季迎風(fēng)方向前排建筑間通道內(nèi)風(fēng)速減小，最大風(fēng)速降至2.62m/s，各樓之間的風(fēng)速降至1.57m/s。氣流自南向北形成一個導(dǎo)風(fēng)巷，而且風(fēng)速從入口到出口處遞減。1號樓和2號樓在迎風(fēng)面的風(fēng)速降低，風(fēng)速降至1.05m/s，樓后的負(fù)壓區(qū)域減小。

2.2 冬季室外風(fēng)速場分析

冬季風(fēng)向大致為北風(fēng)，建筑布局一距離地面高度為1.5 m處的風(fēng)速分布參見圖4。

圖4布局方式一 冬季距地面1.5m室外風(fēng)速場速度矢量圖

由圖可知?dú)饬饔杀眰?cè)建筑垂直進(jìn)入小區(qū)，由北向南流動。氣流的流速受1號樓與2號樓的阻隔，小區(qū)內(nèi)風(fēng)速較低，但是可看出，由于小區(qū)樓高度較高且入口狹小，入口處風(fēng)速最大可至3.72m/s，使出入小區(qū)時感到不舒適，并且形成較大的漩渦區(qū)，風(fēng)速為1.99m/s，因此污染物會聚集于此，而不消散。建筑物的拐角處迎風(fēng)面有一個較大的風(fēng)速區(qū)，風(fēng)速達(dá)到4.38m/s，使人感到特別寒冷。值得一提的是在建筑物的背風(fēng)面會形成渦流區(qū)，而導(dǎo)致漂浮物殘留。

建筑以布局方式二時，氣流向南流動，由于建筑物布局改變，入口處風(fēng)速降至2.98m/s，降幅達(dá)0.74m/s，在1號樓和2號樓的迎風(fēng)拐角處風(fēng)速發(fā)生改變，降至3.40m/s。但由于其他樓高度未發(fā)生變化，所以風(fēng)速場沒有任何的改善。

建筑布局以方式三時，可以知道，隨著樓高度的改變，小區(qū)內(nèi)風(fēng)速場發(fā)生明顯變化。由此可知，建筑物布局的改變可以改善小區(qū)的風(fēng)流場，使居住更加適宜。

3 結(jié)語

從相關(guān)模擬結(jié)果可以看出，位于寒冷地區(qū)的住宅小區(qū)，夏季時，建筑物之間風(fēng)速較大，利于建筑物散熱；在冬季時，小區(qū)建筑物之間的風(fēng)速很大，這樣必然導(dǎo)致冬季采暖的不利。同時住宅小區(qū)局部風(fēng)速過大會產(chǎn)生渦流，影響相關(guān)區(qū)域的衛(wèi)生。通過對小區(qū)出入口和主干道上建筑物的高度進(jìn)行調(diào)整及布局，可以對室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行改善。由此可知，調(diào)整建筑物的布局方式對小區(qū)的室外風(fēng)環(huán)境的影響很大。

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