孫瑞豐 馬 申（吉林建筑大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130000）

基于CFD風(fēng)環(huán)境模擬下的小區(qū)單體建筑受風(fēng)影響情況分析

孫瑞豐 馬 申（吉林建筑大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130000）

隨著人們綠色建筑知識(shí)的普及，小區(qū)內(nèi)風(fēng)環(huán)境越來(lái)越受到重視，其中場(chǎng)地風(fēng)環(huán)境成為影響行人舒適和安全的重要因素。能夠改變小區(qū)內(nèi)風(fēng)環(huán)境的因素比較多，主要包括城市的氣象參數(shù)；小區(qū)所處的周邊環(huán)境；小區(qū)的建筑布局和建筑結(jié)構(gòu)形式等。通過(guò)數(shù)值軟件CFD對(duì)小區(qū)風(fēng)環(huán)境仿真模擬，分析建筑布局與風(fēng)場(chǎng)的關(guān)系，對(duì)小區(qū)風(fēng)環(huán)境的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)作用。這就需要考慮小區(qū)內(nèi)部總體風(fēng)環(huán)境就涉及到單體建筑受風(fēng)的影響，本文主要對(duì)建筑單體進(jìn)行模擬，模擬單體建筑在不同建筑尺寸、風(fēng)速不同情況下的受風(fēng)情況，通過(guò)模擬分析可以對(duì)小區(qū)布局及前期規(guī)劃等進(jìn)行參考。

CFD；風(fēng)環(huán)境；單體建筑；受風(fēng)影響

居住小區(qū)是我國(guó)現(xiàn)代建筑群構(gòu)成的主要形式，小區(qū)室外空氣流動(dòng)情況對(duì)小區(qū)內(nèi)部的室外風(fēng)環(huán)境有著重要的影響，局部風(fēng)速過(guò)大可能對(duì)居民的生活、行動(dòng)造成不便。因此在規(guī)劃設(shè)計(jì)層面就要考慮小區(qū)風(fēng)環(huán)境的影響因素，本文就此方面開(kāi)展分析研究，以期對(duì)小區(qū)規(guī)劃布局有一定的參考作用。

1 單體建筑風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬條件設(shè)置介紹

本文的背景是在理想范圍內(nèi)的，風(fēng)向采用垂直于建筑立面，速度為5.6m/s，我們采用這個(gè)風(fēng)向與風(fēng)速做為初始模擬，通過(guò)改變單一變量法進(jìn)行模擬與分析。

2 場(chǎng)地環(huán)境與邊界條件

2.1 場(chǎng)地條件

本次模擬采用GAMBIT建模劃分網(wǎng)格，所研究的對(duì)象為三維模型，網(wǎng)格單元采用的Tet/Hybrid。采用這種方法生成的網(wǎng)格比較均勻，與實(shí)際情況下的通風(fēng)一致，可用于模擬實(shí)際情況下的風(fēng)環(huán)境。

2.2 邊界條件

1）入口邊界條件

采用速度入口邊界條件(velocity inlet)。

2）出流面

假設(shè)空氣到達(dá)出流面已經(jīng)充分發(fā)展，所謂充分發(fā)展，意味著出流面上的流動(dòng)情況由區(qū)域內(nèi)部向外推得到，對(duì)上游流動(dòng)沒(méi)有影響，因此，出流面邊界條件可以設(shè)置為outflow。

3）上空、建筑表面與地面

由于本文所設(shè)置的計(jì)算區(qū)域較大，上空面遠(yuǎn)離建筑物，可以認(rèn)為上空面對(duì)建筑周?chē)諝饬鲃?dòng)沒(méi)有影響，其邊界上法定向速度梯度為零。所以采用了邊界wall，等價(jià)于墻。建筑表面與地面采用無(wú)滑移的避免邊界條件wall。這種條件的設(shè)置是根據(jù)模擬實(shí)際情況下風(fēng)的流動(dòng)來(lái)設(shè)置的。

3 模擬影響狀況

圖1 來(lái)風(fēng)向垂直于建筑立面示意圖

在本小節(jié)中我們模擬的初試風(fēng)向?yàn)檎憋L(fēng)，風(fēng)速為5.6m/s。對(duì)6種不同尺寸的建筑進(jìn)行模擬，分別是：60m×10m×21m；60m×10m×33m；60m×10m×54m；80m×10m×21m；80m×10m×33m；60m×12m×21m（注：長(zhǎng)×寬×高）。我們分別對(duì)結(jié)果提取一定的數(shù)據(jù)，如圖1所示。提取的數(shù)據(jù)為受風(fēng)速影響的區(qū)域最遠(yuǎn)端的距離如表1所示。

由于在計(jì)算域的下游部分留有足夠的長(zhǎng)度，可以使得流場(chǎng)充分疊加到湍流的充分發(fā)展段。但實(shí)際情況時(shí)往往建筑的周?chē)粫?huì)留有那么大的距離，所以我們的示意圖是風(fēng)速進(jìn)行初次疊加時(shí)的面積與效果。

1）60m×10m×21m的建筑選型為普通7層版式住宅的建筑尺寸，具體模擬數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2所示。

圖2 60m×10m×21m速度模型圖與風(fēng)壓模型圖

圖3 60m×10m×33m速度模型圖與風(fēng)壓模型圖

2）60m×10m×33m的建筑選型為普通11層板式住宅的建筑尺寸，具體模擬數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3。

3）60m×10m×54m的建筑選型為普通18層板式住宅的建筑尺寸，具體模擬數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4。

圖4 60m×10m×54m速度模型圖與風(fēng)壓模型圖

4）60m×12m×21m的建筑選型為普通7層板式住宅的建筑尺寸，具體模擬數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5。

圖5 60m×12m×21m速度模型圖與風(fēng)壓模型圖

5）80m×10m×21m的建筑選型為普通7層板式住宅的建筑尺寸，具體模擬數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 80m×10m×21m速度模型圖與風(fēng)壓模型圖

6）80m×10m×33m的建筑選型為普通11層板式住宅的建筑尺寸，具體模擬數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7。

圖7 80m×10m×33m速度模型圖與風(fēng)壓模型圖

7）在風(fēng)速減半且不改變風(fēng)向角的情況下對(duì)80m×10m×33m的板式建筑進(jìn)行模擬，具體模擬數(shù)據(jù)見(jiàn)圖8。

圖8 80m×10m×33m速度模型圖與風(fēng)壓模型圖

由于數(shù)據(jù)（6）與數(shù)據(jù)（7）相同，所以統(tǒng)計(jì)（1）-（6）數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 模擬提取數(shù)據(jù)

由以上的圖和表格我們可以得知：

1）每棟建筑單體在風(fēng)的作用下會(huì)在建筑南側(cè)和北側(cè)產(chǎn)生一定的風(fēng)減速區(qū)，在建筑的東側(cè)和西側(cè)會(huì)產(chǎn)生一定的風(fēng)加速區(qū)。

2）通過(guò)對(duì)比表格第1、2和3組,第5、6組數(shù)據(jù)我們可以得出以下結(jié)論，如圖9所示：

圖9 高度改變時(shí)各數(shù)據(jù)變化情況

（1）在長(zhǎng)度和寬度不變的情況下高度越高的情況下，L1和L2先呈現(xiàn)出減弱趨勢(shì)，到達(dá)33m之后呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)；

（2）在長(zhǎng)度和寬度不變的情況下高度越高的情況下L3隨著高度的增加而增加，增加的幅度隨著高度的增加而增加；

（3）在長(zhǎng)度和寬度不變的情況下高度越高的情況下L4隨著高度的增加而減小，到達(dá)33m之后呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。減小的幅度隨著高度的增加而增加；

（4）在長(zhǎng)度和寬度不變的情況下高度越高的情況下L5隨著高度的增加而增加，增加的幅度隨著高度的增加而減弱；

（5）在長(zhǎng)度和寬度不變的情況下高度越高的情況下，負(fù)風(fēng)壓最大值區(qū)域離建筑立面的垂直距離越遠(yuǎn)，也就是前面提到的空腔區(qū)距離建筑立面的距離越遠(yuǎn)。

3）通過(guò)對(duì)比表第1、5組和第2、6組數(shù)據(jù)，我們可以得知以下結(jié)論，如圖10所示。

圖10 長(zhǎng)度改變時(shí)各數(shù)據(jù)變化情況

（1）在高度和寬度相同的情況下L1和L2隨著長(zhǎng)度的增加而增加，高度越高的建筑L1和L2增加的幅度隨著長(zhǎng)度的增加而增加。

（2）在高度和寬度相同的情況下L3和L5隨著長(zhǎng)度的增加而增加，增加的幅度不隨其他因素變化。

（3）在高度和寬度相同的情況下L4隨著長(zhǎng)度的增加而增加，高度越高的建筑L4增加的幅度隨著長(zhǎng)度的增加而減小。

（4）在高度和寬度相同的情況下，負(fù)風(fēng)壓最大值區(qū)域距離建筑立面的垂直距離不隨著長(zhǎng)度的變化而變化。

4）通過(guò)對(duì)比表格第1和4組數(shù)據(jù)，我們可以得知以下結(jié)論，如圖11所示：

圖11 寬度改變時(shí)各數(shù)據(jù)變化情況

（1）在高度和長(zhǎng)度相同的情況下，L1和L2隨著寬度的增加而增加；

（2）在高度和長(zhǎng)度相同的情況下，L3隨著寬度的增加而減?。?/p>

（3）在高度和長(zhǎng)度相同的情況下，L4隨著寬度的增加而減?。?/p>

（4）在高度和長(zhǎng)度相同的情況下，L5隨著寬度的增加而減?。?/p>

在高度和長(zhǎng)度相同的情況下，負(fù)風(fēng)壓最大值區(qū)域距離建筑的垂直距離隨著寬度的增加而減小。

5）在不改變建筑長(zhǎng)度、寬度和高度的情況下，在風(fēng)速減半且風(fēng)向角不變的情況下，我們可以得知：

（1）初始風(fēng)速減半的情況下，L1、L2、L3、L4和L5的數(shù)值不變；

（2）初始風(fēng)速減半的情況下，模擬的全部過(guò)程中過(guò)速減半；

（3）初始風(fēng)速減半的情況下，模擬過(guò)程中的風(fēng)壓數(shù)值是原始風(fēng)速的1/4。

4 結(jié) 語(yǔ)

我們主要模擬的是垂直于建筑立面方向，風(fēng)速5.6m/s的初始風(fēng)速下對(duì)單體建筑的模擬，通過(guò)對(duì)比只改變一個(gè)變量的情況下得出一些結(jié)論：

1）無(wú)論建筑以何種形式存在的板式建筑，當(dāng)來(lái)風(fēng)向垂直于建筑表面的方向上，在建筑周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生一定面積的風(fēng)減速區(qū)和風(fēng)加速區(qū)，風(fēng)加速區(qū)位于建筑左右兩側(cè)面積相等。

2）在只改變建筑高度一種因子的情況下，風(fēng)減速區(qū)與風(fēng)加速區(qū)會(huì)產(chǎn)生一定的變化，經(jīng)過(guò)上面的分析我們可以得知：在建筑南側(cè)的風(fēng)減速區(qū)最遠(yuǎn)端的距離都大于日照間距，這說(shuō)明在規(guī)劃階段時(shí)只考慮日照的情況下，建筑按一列排列時(shí)前面的建筑會(huì)對(duì)后面的建筑起到一定的風(fēng)遮擋作用。

3）在只改變建筑長(zhǎng)度一種因子的情況下，風(fēng)減速區(qū)與風(fēng)加速區(qū)會(huì)產(chǎn)生一定的變化，經(jīng)過(guò)上面的分析我們可以得知：在規(guī)劃階段時(shí)我們不建議布置長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)的建筑。一般布置3個(gè)單元60m左右的建筑比較適宜。

4）在只改變建筑寬度一種因子的情況下，風(fēng)減速區(qū)與風(fēng)加速區(qū)會(huì)產(chǎn)生一定的變化，經(jīng)過(guò)上面的分析我們可以得知：在規(guī)劃階段時(shí)我們建議布置寬度大于或等于12m的建筑，可以減少建筑南側(cè)風(fēng)減速區(qū)的面積，也可以降低最大負(fù)風(fēng)壓的值，這對(duì)保護(hù)建筑表面的材料有利。

5）在只有風(fēng)速改變的時(shí)候，風(fēng)減速區(qū)與風(fēng)加速區(qū)的面積不變，風(fēng)壓呈風(fēng)速改變的倍數(shù)變化。這說(shuō)明風(fēng)速降低時(shí)對(duì)建筑表面的材料保護(hù)有更好的作用。

我們可以利用這些規(guī)律應(yīng)用在規(guī)劃和建筑的設(shè)計(jì)層面上，可以在風(fēng)加速區(qū)的位置設(shè)置一些耐風(fēng)的植物來(lái)降低風(fēng)速，可以在風(fēng)減速區(qū)的位置設(shè)置一些宅前路和活動(dòng)場(chǎng)地，這樣可以使人在利用這些場(chǎng)地時(shí)感覺(jué)到更加的舒適，在負(fù)風(fēng)壓值最大的區(qū)域注意保護(hù)建筑物表面的材料。在建筑開(kāi)窗等設(shè)計(jì)中能夠起到一定的指導(dǎo)作用。

The analysis of monomer building affected by wind situation bBased on CFD wind environmental simulation

With the popularity of green building knowledge for people,more attention paid to the endogenous wind environment,including ground wind environment become the important factors that affect the pedestrian comfort and safety．The fFactors that cCan change the endogenous wind environment are variesfactors,mainly including the city’s meteorological parameters;Area surrounding environment;Village of architectural layout and structure,etc．Simulatingion the wind environment by through numerical software CFD simulation,and analyzes the relations between architectural layout and wind field,It has a certain guiding role for the design of wind environment．That needs to be consider the influence ed within the overall wind environment involves individual buildings is affected by the wind,this paper mainly simulate a single building, simulating different conditions ion of monomer buildings by the wind in different size,and wind speed under different conditions by the wind, through the simulation analysis It can be referenced for of the village layout and preliminary planning can be reference．through the simulation analysis．

CFD；the wind environment；individual buildings；affected by the wind

TU023

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1003-8965（2017）01-0030-03