李?yuàn)檴?，?釗，龔伶俐，鐘紫薇，臧思情，王 悅

(大連民族大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116605)

基于Airpak軟件的回字形建筑風(fēng)環(huán)境模擬研究

李?yuàn)檴?，?釗，龔伶俐，鐘紫薇，臧思情，王 悅

(大連民族大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116605)

對(duì)Airpak軟件的計(jì)算準(zhǔn)確性進(jìn)行了評(píng)估，證明其在風(fēng)場(chǎng)模擬上具有較高的準(zhǔn)確性。然后基于Airpak軟件對(duì)回字形建筑的室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明回字形建筑設(shè)計(jì)能營(yíng)造較好的風(fēng)環(huán)境，但其建筑布局中的狹長(zhǎng)通道會(huì)出現(xiàn)較高的風(fēng)速，應(yīng)盡量避免。模擬結(jié)果對(duì)回字形建筑的合理布局起到一定的指導(dǎo)作用。

建筑風(fēng)環(huán)境；Airpak軟件；回字形建筑

人們以往關(guān)注的建筑環(huán)境，主要以建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境、空氣品質(zhì)、光環(huán)境、聲環(huán)境為主，很少關(guān)注建筑室外風(fēng)環(huán)境。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)建筑室外風(fēng)環(huán)境的要求也越來(lái)越高。室外風(fēng)速和風(fēng)向影響著建筑室外風(fēng)環(huán)境，建筑的布局形式也顯著影響室外風(fēng)環(huán)境。不合理的建筑布局易產(chǎn)生“峽谷效應(yīng)”，出現(xiàn)局部強(qiáng)風(fēng)，讓人感到非常不舒適；建筑布局不合理還易導(dǎo)致局部渦流，使得垃圾不斷在渦流處旋轉(zhuǎn)、堆積，破壞小區(qū)衛(wèi)生環(huán)境，對(duì)居民健康造成危害。而合理的建筑布局使得小區(qū)內(nèi)部風(fēng)速均勻，居民舒適感高，能減輕小區(qū)內(nèi)污染，在很多時(shí)候也可以間接提高室內(nèi)環(huán)境的水平[1]。

本文基于此對(duì)應(yīng)用較多的回字形建筑布局室外風(fēng)環(huán)境展開(kāi)了研究。風(fēng)環(huán)境的研究方法主要有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞模型試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬[2]?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法是針對(duì)已建成的建筑進(jìn)行測(cè)試，而在項(xiàng)目初級(jí)階段對(duì)風(fēng)環(huán)境的研究只能采用風(fēng)洞模型或計(jì)算機(jī)模擬。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室成本高，由于條件的限制，很難大規(guī)模推廣使用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CFD(Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用在工程之中，利用CFD模擬能節(jié)省大量實(shí)驗(yàn)成本，是應(yīng)用較為廣泛的一種方式。

目前應(yīng)用較多的CFD商用軟件有FLUENT，STAR-CD，PHOENICS等，它們的功能比較全面，適用性強(qiáng)，可以求解工程界中的各種復(fù)雜問(wèn)題[3]。本文采用FLUENT下的Airpak軟件對(duì)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬。在進(jìn)行模擬之前，首先實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Airpak軟件模擬的準(zhǔn)確性，然后基于Airpak軟件對(duì)回字形建筑的室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了數(shù)值仿真。

1 Airpak軟件準(zhǔn)確性評(píng)估

為驗(yàn)證Airpak軟件在風(fēng)場(chǎng)模擬上的計(jì)算準(zhǔn)確性，開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究與理論模擬相比較的工作。如果直接測(cè)量建筑室外風(fēng)場(chǎng)，由于室外風(fēng)速、風(fēng)向變化迅速，不易測(cè)量出穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此本文采用在室內(nèi)搭建小型實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，利用大功率電風(fēng)扇提供測(cè)試房間可控的較為穩(wěn)定的風(fēng)環(huán)境，然后利用微風(fēng)測(cè)試儀對(duì)室內(nèi)不同位置的風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度等進(jìn)行測(cè)試，最后將測(cè)試結(jié)果與Airpak軟件的模擬結(jié)果進(jìn)行比較。

1.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)是利用可調(diào)速的大功率電風(fēng)扇產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的風(fēng)場(chǎng)，然后通過(guò)測(cè)試房間窗洞吹入房間內(nèi)部，并通過(guò)房間敞開(kāi)的門(mén)流出，測(cè)量該情形下房間的氣流組織。測(cè)試房間的長(zhǎng)、寬和高分別為480，420，250 cm，窗洞的高和寬分別為100，90 cm，門(mén)的高和寬分別為190，80 cm，測(cè)試房間布置如圖1。測(cè)試儀器采用微風(fēng)測(cè)試儀，有三個(gè)探頭，距地面分別為55，105，163 cm，可以同時(shí)測(cè)量測(cè)點(diǎn)垂直方向上三個(gè)位置的風(fēng)速、溫度和相對(duì)濕度等信息。房間布置了0～9共10個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖2，其中0點(diǎn)是為了后續(xù)輸入到Airpak軟件中作為邊界條件而布置的。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保證只有風(fēng)扇提供風(fēng)，避免其他干擾。實(shí)驗(yàn)先開(kāi)啟一臺(tái)電風(fēng)扇，記錄室內(nèi)10個(gè)點(diǎn)的風(fēng)速等信息；然后開(kāi)啟兩臺(tái)電風(fēng)扇，記錄室內(nèi)10個(gè)點(diǎn)的風(fēng)速等變化情況，為后續(xù)模擬對(duì)比提供依據(jù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)房間示意圖 圖2 房間實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)分布

1.2 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

1.2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

選取距地面105 cm處探頭的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。測(cè)點(diǎn)0的風(fēng)速最高，一臺(tái)風(fēng)扇時(shí)風(fēng)速為0.91 m·s-1，兩臺(tái)風(fēng)扇時(shí)，風(fēng)速為1.10 m·s-1，一臺(tái)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)和兩臺(tái)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)風(fēng)速變化趨勢(shì)基本一致，兩臺(tái)風(fēng)扇開(kāi)啟時(shí)比一臺(tái)風(fēng)扇開(kāi)啟時(shí)風(fēng)速略高，如圖3。在7、9、3測(cè)點(diǎn)連成的直線上(離窗洞由近到遠(yuǎn))，風(fēng)速呈下降趨勢(shì)，如圖4。

圖3 室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速變化

圖4 離窗洞由近到遠(yuǎn)實(shí)驗(yàn)風(fēng)速變化情況

1.2.2 軟件模型設(shè)置

室內(nèi)模型按實(shí)際房間尺寸建立，如圖5。網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格，并對(duì)通風(fēng)口處網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格數(shù)量為50 400個(gè)。在邊界條件中，入口邊界分別設(shè)置為開(kāi)啟一臺(tái)風(fēng)扇和兩臺(tái)風(fēng)扇時(shí)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量風(fēng)速0.91 m·s-1和1.10 m·s-1，六個(gè)面都設(shè)置為wall類(lèi)型，門(mén)設(shè)置為一個(gè)vent類(lèi)型，初始速度設(shè)置為0 m·s-1。本例采用RNG k-ε湍流模型進(jìn)行求解，計(jì)算至收斂。

圖5 房間模型

1.2.3 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

入口風(fēng)速1.10 m·s-1和0.91 m·s-1時(shí)距地面105 cm高度上的風(fēng)速云圖如圖6-7，入口風(fēng)速1.10 m·s-1時(shí)房間風(fēng)速矢量圖及中心軸線上的速度分布云圖如圖8-9?？梢?jiàn)風(fēng)速越大風(fēng)流經(jīng)墻壁產(chǎn)生的回流越明顯，離窗洞越遠(yuǎn)風(fēng)速越低，縱向上風(fēng)速由窗中心高度向兩側(cè)依次減弱。當(dāng)入口風(fēng)速分別為1.10 m·s-1和0.91 m·s-1時(shí)，房間進(jìn)深方向風(fēng)速模擬值變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，如圖10和12，圖11為入口風(fēng)速為1.10 m·s-1時(shí)測(cè)點(diǎn)7處不同高度下風(fēng)速的比較，模擬值和實(shí)驗(yàn)值變化趨勢(shì)也一致。由圖可見(jiàn)，模擬值與理論值的差異在可接受范圍內(nèi)，可用Airpak軟件的模擬結(jié)果評(píng)估建筑風(fēng)環(huán)境。

圖6 105 cm水平高度上的風(fēng)速 圖7 105 cm水平高度上的風(fēng)速 云圖(入口風(fēng)速1.10 m·s-1) 云圖(入口風(fēng)速0.91 m·s-1)

圖8 105 cm水平高度上的風(fēng)速 圖9 房間中心軸線上的速度分布 矢量(入口風(fēng)速1.10 m·s-1) 云圖(入口風(fēng)速1.10 m·s-1)

圖10 高度105 cm處測(cè)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)值與模擬值風(fēng)速對(duì)比 (入口風(fēng)速1.10 m·s-1)

圖11 測(cè)點(diǎn)7不同高度下風(fēng)速比較 (入口風(fēng)速1.10 m·s-1)

圖12 高度105 cm處測(cè)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)值與模擬值風(fēng)速對(duì)比 (入口風(fēng)速0.91 m·s-1)

2 回字形建筑室外風(fēng)環(huán)境模擬

2.1 軟件模型設(shè)置

本文以大連民族大學(xué)土木樓布局為例探討回字形建筑室外風(fēng)環(huán)境情況，根據(jù)建筑圖紙建立幾何模型，如圖13。模擬計(jì)算區(qū)域的大小以不影響氣流流動(dòng)為準(zhǔn)。根據(jù)相關(guān)資料合理分配計(jì)算資源，確定室外計(jì)算區(qū)域?yàn)?50×75×180 m3。網(wǎng)格劃分為六面體型，對(duì)重點(diǎn)研究區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，網(wǎng)格數(shù)量為68萬(wàn)，網(wǎng)格劃分如圖14。

圖13 幾何模型

圖14 網(wǎng)格劃分情況

大氣邊界層采用冪函數(shù)風(fēng)剖面公式：

(1)

一個(gè)入口采用大氣邊界條件(圖15-18右側(cè)邊界)，風(fēng)速設(shè)置為5.50m·s-1，5.50m·s-1為根據(jù)氣象數(shù)據(jù)查得的大連地區(qū)月平均最大風(fēng)速，根據(jù)式(1)計(jì)算可得距地面高度1m處風(fēng)速為3.81m·s-1，距地面1.6m處風(fēng)速為4.10m·s-1。出口邊界條件全部設(shè)置為壓力出口，環(huán)境相對(duì)壓力設(shè)置為0Pa。

2.2 模擬結(jié)果分析

室外風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果如圖15-18。其中，圖15-16是距地面1.0m處的回字形建筑風(fēng)速分布云圖和風(fēng)速分布矢量圖，圖17-18是距地面1.6m高處的回字形建筑風(fēng)速分布云圖和風(fēng)速分布矢量圖。從圖15-16可以看出，在距地面1.0m高度處，回字形建筑閉合區(qū)域內(nèi)風(fēng)場(chǎng)較為均勻，回流不明顯，風(fēng)速基本在0.5～1.0m·s-1，但是建筑上部的狹長(zhǎng)區(qū)域的風(fēng)速提高到了1.5m·s-1，遠(yuǎn)高于其他位置的風(fēng)速。從圖17-18可見(jiàn)，在1.6m處比在1.0m處風(fēng)速有了提高，1.6m高度處回字形建筑閉合區(qū)域內(nèi)風(fēng)速在0.8～1.6m·s-1，狹長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速提高到了2.5m·s-1，隨著距離地面高度的增加，狹長(zhǎng)區(qū)域的風(fēng)速增加明顯。大連地區(qū)5級(jí)以上的風(fēng)速較為常見(jiàn)，風(fēng)速可達(dá)到8m·s-1以上，此時(shí)回字形區(qū)域的風(fēng)速可能達(dá)到5m·s-1以上，人體吹風(fēng)感將非常強(qiáng)烈，位于狹長(zhǎng)區(qū)域高層的位置風(fēng)速將更大，十分不利于冬季的保溫。

圖15 1.0 m高處風(fēng)速分布云圖 圖16 1.0 m高處風(fēng)速分布矢量圖

圖17 1.6 m高處風(fēng)速分布云圖 圖18 1.6 m高處風(fēng)速分布矢量圖

由上述模擬結(jié)果可知，如果回字形建筑是閉合的布局，在室外高風(fēng)速的情況下，也可形成均勻的低風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)，住戶在小區(qū)內(nèi)部活動(dòng)舒適性好，在寒冷、高風(fēng)速、高熱或風(fēng)沙的天氣下也可獲得較好的室內(nèi)熱環(huán)境，適合于冬季溫度低、風(fēng)速較大的區(qū)域或干熱、易受風(fēng)沙襲擊的區(qū)域采用。如果回字形建筑不是閉合的，存在狹長(zhǎng)通道的時(shí)候，在狹長(zhǎng)通道區(qū)域會(huì)形成高風(fēng)速，尤其在大風(fēng)天氣，將使得從其區(qū)域通過(guò)的人們產(chǎn)生強(qiáng)烈的不適感，而且位于其附近的住戶在大風(fēng)天氣下室內(nèi)風(fēng)速可能也會(huì)偏大，不利于冬季保溫。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文將Airpak軟件的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明Airpak軟件在不同測(cè)試位置及高度上風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)一致，模擬值與理論值差異在可接受范圍內(nèi)，可用Airpak軟件的模擬結(jié)果評(píng)估建筑風(fēng)環(huán)境。最后基于Airpak軟件對(duì)于回字形建筑的室外風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明回字形建筑內(nèi)部風(fēng)速小于迎風(fēng)面風(fēng)速，回字形的建筑能營(yíng)造良好的風(fēng)環(huán)境，但在回字形區(qū)域內(nèi)部的狹長(zhǎng)通道風(fēng)速顯著提高，在以后的建筑布局中，應(yīng)盡可能避免回字形建筑內(nèi)部的狹長(zhǎng)通道。

[1] 袁巍巍.住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué),2014.

[2] 王青, 詹慶明. 武漢地區(qū)住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境的數(shù)值模擬分析[J]. 中外建筑,2010(12):95-97.

[3] 劉彩霞, 鄒聲華, 楊如輝. 基于Airpak的室內(nèi)空氣品質(zhì)分析[J]. 制冷與空調(diào),2012(4):381-384.

(責(zé)任編輯 鄒永紅)

Study on the Wind Environment Simulation of Back-Shaped Building Based on Airpak Software

LI Shan-shan, WANG Zhao, GONG Ling-li, ZHONG Zi - wei,ZANG Si-qing, WANG Yue

(School of Civil Engineering, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China)

The calculation accuracy of Airpak software was evaluated, and it is verified that the Airpak software has a higher accuracy of calculation in the wind field simulation. The outdoor wind environment of the back-shaped building is simulated by Airpak software. The results show that the back-shaped building can create a good wind environment, but the long and narrow channel in the back-shaped building will produce a high wind speed, which should be avoided. The simulation results will provide guidance in the rational design of the back-shaped building.

wind environment; Airpak software; back-shaped building

2016-11-14；最后

2016-12-05

大連民族大學(xué)人才引進(jìn)科研項(xiàng)目。

李?yuàn)檴?1984-)，女，黑龍江呼瑪人，副教授，博士，主要從事建筑技術(shù)和小型低溫制冷機(jī)的研究。

2096-1383(2017)01-0063-04

TU

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