許 川， 楊坤麗

(西南交通大學(xué)建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院， 四川成都 611756)

夏季成都地區(qū)古鎮(zhèn)的街谷風(fēng)環(huán)境對(duì)比分析

許 川， 楊坤麗

(西南交通大學(xué)建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院， 四川成都 611756)

文章以成都洛帶古鎮(zhèn)和安仁古鎮(zhèn)內(nèi)的主要街谷為研究對(duì)象，通過實(shí)地測量和FLUENT軟件模擬兩種方法，從街谷走向、高寬比(W/H)、天空可視因子SVF(Sky View Factor)三方面入手，對(duì)比分析其在夏季對(duì)街谷內(nèi)風(fēng)環(huán)境的影響，在此基礎(chǔ)上得出對(duì)應(yīng)的策略和建議。

古鎮(zhèn)街谷； 夏季風(fēng)環(huán)境； 軟件模擬； 設(shè)計(jì)策略

目前對(duì)建筑風(fēng)環(huán)境的分析方法主要有三種：實(shí)地測量、風(fēng)洞試驗(yàn)以及計(jì)算機(jī)模擬。實(shí)地測量是最直接、簡單的一種方法，通過相應(yīng)的儀器測量反映當(dāng)?shù)卣鎸?shí)的風(fēng)環(huán)境情況。為了更準(zhǔn)確地反映建筑風(fēng)環(huán)境情況，往往將計(jì)算機(jī)模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)或?qū)嵉赜^測的結(jié)果做對(duì)比。本文在對(duì)成都洛帶古鎮(zhèn)和安仁古鎮(zhèn)主要街谷夏季風(fēng)環(huán)境實(shí)測的基礎(chǔ)上，通過FLUENT計(jì)算機(jī)模擬軟件對(duì)古鎮(zhèn)街谷的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬，對(duì)比分析不同的影響因子對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響情況，以期為古鎮(zhèn)街谷風(fēng)環(huán)境設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)測方案

1.1 實(shí)測地點(diǎn)

(1)洛帶古鎮(zhèn)老街上街，街道走向近似東西走向，與成都夏季主導(dǎo)風(fēng)向近似垂直。其長度為300 m，兩邊建筑屋頂多為雙坡屋頂，屋脊平均高度為5.2 m，街道平均寬度為9.3 m。

(2)安仁古鎮(zhèn)樹人街，街道走向與成都夏季主導(dǎo)風(fēng)向近似平行，其長度為290 m，兩邊建筑屋頂大部分為雙坡屋頂，屋脊平均高度為5.81 m，街道平均寬度為10.57 m。

1.2 測點(diǎn)布置

兩條街谷測點(diǎn)：每60～100 m距離布置一個(gè)測點(diǎn)，共4個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)位于街道中心，高度距地面1.5 m，兩街道測點(diǎn)布置見圖1、圖2。

圖1 洛帶古鎮(zhèn)老街上街測點(diǎn)布置及實(shí)景

2 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

2.1 測量數(shù)據(jù)

選取部分（37臺(tái)）具有代表性的柱塞泵，將改進(jìn)前后的配件使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，改進(jìn)前后同期對(duì)比，盤根、柱塞和銅壓套的使用量明顯減少。其中，盤根由原來的450卷變?yōu)?50卷；柱塞由原來的193卷變?yōu)?03卷；銅壓套由原來的193卷變?yōu)?03卷。年節(jié)約額合計(jì)為36 600元。目前，隨著油田進(jìn)入中后期開發(fā)階段，高壓柱塞泵的使用越來越廣，所以該改進(jìn)方案所帶來的經(jīng)濟(jì)效益是很可觀的。

洛帶古鎮(zhèn)，高寬比約為0.56，SVF(為方便其計(jì)算，本文假設(shè)為理想街谷[1])約為0.67。由圖3知CT1測點(diǎn)最大風(fēng)速為1.25 m/s，最小風(fēng)速為0.28 m/s，平均風(fēng)速為0.56 m/s；CT2測點(diǎn)最大風(fēng)速為1.29 m/s，最小風(fēng)速為0.35 m/s，平均風(fēng)速為0.80 m/s；CT3測點(diǎn)最大風(fēng)速為1.34 m/s，最小風(fēng)速為0.44 m/s，平均風(fēng)速為0.76 m/s；CT4測點(diǎn)的最大風(fēng)速為1.09 m/s，最小風(fēng)速為0.29 m/s，平均風(fēng)速為0.57 m/s；安仁古鎮(zhèn)，高寬比約為0.54，SVF約為0.81。由圖4知CT5測點(diǎn)最大風(fēng)速為1.31 m/s，最小風(fēng)速為0.27 m/s，平均風(fēng)速為0.45 m/s；CT6測點(diǎn)最大風(fēng)速為1.66 m/s，最小風(fēng)速為0.18 m/s，平均風(fēng)速為1.12 m/s；CT7測點(diǎn)最大風(fēng)速為1.01 m/s，最小風(fēng)速為0.22 m/s，平均風(fēng)速為0.63 m/s；CT8測點(diǎn)最大風(fēng)速為0.89 m/s，最小風(fēng)速為0.22 m/s，平均風(fēng)速為0.59 m/s。

圖2 安仁古鎮(zhèn)樹人街測點(diǎn)布置及實(shí)景

圖3 洛帶古鎮(zhèn)各測點(diǎn)風(fēng)速(10 min風(fēng)速)

圖4 安仁古鎮(zhèn)各測點(diǎn)風(fēng)速(10 min風(fēng)速)

2.2 對(duì)比分析

由實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比分析可以看出：

(1)橫向?qū)Ρ?。洛帶古?zhèn)內(nèi)各測點(diǎn)風(fēng)速變化比較均勻，未出現(xiàn)過大波動(dòng)。安仁古鎮(zhèn)中CT6測點(diǎn)的平均風(fēng)速較其他測點(diǎn)偏大，其測點(diǎn)的布置在十字路口，測點(diǎn)四個(gè)方向的空氣能形成良好的對(duì)流，使風(fēng)速偏大于同一街谷內(nèi)其他測點(diǎn)。

(2)縱向?qū)Ρ取Ｂ鍘Ч沛?zhèn)的風(fēng)速總體上要稍小于安仁古鎮(zhèn)的風(fēng)速。其原因跟兩街道高寬比，SVF以及街谷的走向有直接關(guān)系：①洛帶古鎮(zhèn)的高寬比0.56稍大于安仁古鎮(zhèn)樹人街的高寬比0.54；②SVF前者為0.67小于后者的0.81；③前者街谷走向近似垂直于成都夏季主導(dǎo)風(fēng)向，而后者則平行于主導(dǎo)風(fēng)向。由于三個(gè)影響因子兩兩均不相同，故不能判斷出影響因子的作用大小。但當(dāng)街谷的天空可視系數(shù)大，以及街谷走向與主導(dǎo)風(fēng)向平行時(shí)，街谷內(nèi)能得到較大的風(fēng)速(表1)。

表1 不同街谷因子對(duì)應(yīng)風(fēng)速大小

3 風(fēng)環(huán)境模擬及其結(jié)果

3.1 湍流模型的選擇

本文采用FLUENT軟件自帶的RNGk-ε模型(renormalization group，RNG，k-εmodel)，該模型由Victor Yakhot及Steven A.Orzag[2]于1986年提出,其表達(dá)式為：

(1)

(2)

式中：

3.2 相關(guān)參數(shù)的設(shè)置

計(jì)算區(qū)域確定為：進(jìn)風(fēng)口方向取建筑長度的4倍。出風(fēng)口方向取建筑長度的10倍。左右方向取建筑寬度的5倍。高度方向取建筑高度的3倍；入口條件采用速度入口(velocity)；出口條件采用出流邊界條件(outflow)；計(jì)算區(qū)域頂部和兩側(cè)采用對(duì)稱邊界條件(symmetry)；建筑物表面及地面采用壁面邊界條件(wall)。

3.3 模擬結(jié)果及分析

(1)不同街谷走向：圖5～圖8為街谷與主導(dǎo)風(fēng)成0°、30°、60°、90°時(shí)街道內(nèi)1.5 m高的風(fēng)速大小。

圖5 與主導(dǎo)風(fēng)向成0°

圖6 與主導(dǎo)風(fēng)向成30°

圖7 與主導(dǎo)風(fēng)成60°

圖8 與主導(dǎo)風(fēng)成90°

圖9 高寬比(H/W)=0.5

由上面各圖及FLUENT面板顯示值可知：當(dāng)與主導(dǎo)風(fēng)向成0°夾角時(shí)，街道內(nèi)風(fēng)速大小在1.03～2.01 m/s之間。當(dāng)與主導(dǎo)風(fēng)向成30°夾角時(shí)，街道內(nèi)風(fēng)速大小在0.89～1.37 m/s之間。與主導(dǎo)風(fēng)向成60°夾角時(shí)，街道內(nèi)風(fēng)速在0.56～1.21 m/s之間。與主導(dǎo)風(fēng)向成90°夾角時(shí)，街道風(fēng)速則在0.19～0.64 m/s之間，與主導(dǎo)風(fēng)向成120°、150°時(shí)街道內(nèi)的風(fēng)速則對(duì)應(yīng)與成30°、60°時(shí)相似。當(dāng)其他影響因子不變時(shí)，街道的走向與主導(dǎo)風(fēng)向的關(guān)系是：以與其成90°夾角為最不利，其次以90°為對(duì)稱軸，越靠近180°或0°方向，街道內(nèi)能較大風(fēng)速。

(2)不同高寬比：圖9～圖11顯示高寬比為0.5(H/W<0.5為淺街谷)、1(H/W=1為標(biāo)準(zhǔn)街谷)、2(H/W>2為深街谷[3])時(shí)街道內(nèi)1.5 m高的風(fēng)速大小。

圖10 高寬比(H/W)=1.0

圖11 高寬比(H/W)=2.0

從模擬結(jié)果得知：當(dāng)高寬比H/W=0.5時(shí)，街道內(nèi)風(fēng)速大部分在1.0～1.2 m/s之間。當(dāng)高寬比H/W=1時(shí)，風(fēng)速集中在1.42～1.78 m/s范圍內(nèi)。當(dāng)高寬比H/W=2時(shí)，街道內(nèi)80%以上的區(qū)域風(fēng)速在1.50～1.96 m/s之間。即隨著高寬比的增大，容易形成“峽管效應(yīng)”，而街谷內(nèi)的整體風(fēng)速也在增加。

(3)不同天空可視因子(SVF)：圖12～圖14分別為SVF值(其值在0～1之間[4])為0.1、0.5、0.9時(shí)街道內(nèi)1.5 m高風(fēng)速大小。

圖12 SVF值為0.1

圖13 SVF值為0.5

圖14 SVF值為0.9

由于是按理想街谷處理，SVF值分別為0.1、0.5、0.9時(shí)，其對(duì)應(yīng)的高寬比H/W分別為4.98、0.87、0.23。當(dāng)SVF值為0.1時(shí)，街道內(nèi)風(fēng)速大小主要在1.0～1.2 m/s之間。其值為0.5時(shí)，風(fēng)速大小主要在1.0～1.3 m/s之間。其值為0.9時(shí)，風(fēng)速大小主要在1.2～1.4 m/s范圍內(nèi)。由此知隨著SVF值的增大，街道內(nèi)風(fēng)速也在增加。

4 策略和建議

針對(duì)夏季實(shí)測及模擬分析的結(jié)果，研究提出古鎮(zhèn)街谷風(fēng)環(huán)境優(yōu)化的設(shè)計(jì)策略及建議。

(1)街谷走向與主導(dǎo)風(fēng)向的關(guān)系，以平行為最佳，其次考慮與主導(dǎo)風(fēng)向成60°以下或者120°以上夾角，盡量避免與主導(dǎo)風(fēng)向成垂直關(guān)系。結(jié)合成都夏季風(fēng)玫瑰圖，適宜的街谷走向見圖15，即街谷走向首先考慮0°～45°范圍，其次考慮292.5°～337.5°范圍。

圖15 成都夏季街谷朝向范圍

(2)街道高寬比，從模擬結(jié)果來看，隨著高寬比的增大，街道內(nèi)的風(fēng)速也在增加。當(dāng)設(shè)計(jì)成深街谷時(shí)(H/W>2)，容易形成“峽管效應(yīng)”從而帶來更大的風(fēng)速，但深街谷容易給行人造成心理和視覺上的不適，不應(yīng)一味追求多大的高寬比。筆者參考大部分古鎮(zhèn)街谷高寬比的大小，得出較合適的高寬比在H/W=1左右，既能得到較大風(fēng)速，又不至于給行人造成視覺上的沖擊。

(3)天空可視因子(SVF)與風(fēng)速大小成正相關(guān)的關(guān)系，即隨著SVF值的增大，風(fēng)速也在增加。但SVF值的增加，高寬比反而在減小，故需要權(quán)衡兩者的大小，找出對(duì)風(fēng)速影響最小的范圍。除模擬的幾組SVF值外，筆者同時(shí)計(jì)算出表2中不同高寬比對(duì)應(yīng)的SVF值。由表2可知：當(dāng)SVF在0.40～0.71之間時(shí)，高寬比在0.50～1.15之間(即介于淺街谷與標(biāo)準(zhǔn)街谷之間)，這樣即滿足兩者值的大小，又能得到較大的風(fēng)速。

表2 不同高寬比對(duì)應(yīng)的天空可視因子

(4)若街谷較長時(shí)，可考慮打斷街道兩側(cè)建筑的連續(xù)性，形成交叉路口，從而在該處能得到較大風(fēng)速。

5 結(jié)束語

古鎮(zhèn)步行街道風(fēng)環(huán)境狀況好壞不僅與行人主觀感受有關(guān)，同時(shí)與街道的走向，高寬比，天空可視因子(SVF)等因素也有直接關(guān)系。因此在設(shè)計(jì)或改造古鎮(zhèn)時(shí)應(yīng)結(jié)合這些因素綜合考慮，創(chuàng)造良好的街谷風(fēng)環(huán)境。

[1] 王振.夏熱冬冷地區(qū)基于城市微氣候的街區(qū)層峽氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)策略研[D].武漢：華中科技大學(xué)，2008.

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國家自然科學(xué)基金(編號(hào):51508469)

許川(1989～)，男，碩士，研究方向?yàn)榻ㄖh(huán)境控制。

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[定稿日期]2017-03-28