李霄霄 李曉穎

摘要：利用CFD風(fēng)環(huán)境模擬研究基本地形和周圍環(huán)境對基本風(fēng)環(huán)境的影響，充分研究了自然通風(fēng)與總體布局，建筑形狀和圍護(hù)界面的關(guān)系。[1]以及不同風(fēng)速方向的風(fēng)、窗戶開啟或關(guān)閉狀態(tài)、利用三維 CFD模擬和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，通過定性分析后整合設(shè)計(jì)方案，在對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行定量分析后，對 CFD風(fēng)環(huán)境評估結(jié)果進(jìn)行修正，以及早期檢測出惡劣的風(fēng)環(huán)境。通過多個(gè)項(xiàng)目的比較評估，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，達(dá)到首選施工方案的目的。最后，將預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較和驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：CFD;塔式建筑;自然通風(fēng)

自然通風(fēng)在節(jié)能減排中發(fā)揮著重要的作用。在平時(shí)的日常生活中，增多自然通風(fēng)能夠有效的減少過渡季節(jié)空調(diào)設(shè)備的使用情況，是高溫和潮濕氣候下最有效的被動(dòng)設(shè)計(jì)策略。因而，在當(dāng)今的空調(diào)技術(shù)和機(jī)械通風(fēng)的普遍應(yīng)用中，對于自然通風(fēng)技術(shù)的研究我們應(yīng)該更加注重。傳統(tǒng)的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)方法是基于風(fēng)玫瑰圖的分析和利用以及氣候區(qū)劃的解釋，基于建筑師的經(jīng)驗(yàn)，建筑師發(fā)現(xiàn)它并不能準(zhǔn)確反映建筑物微環(huán)境，不能完全解決自然通風(fēng)問題。流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的計(jì)算為自然通風(fēng)問題提供了更加精細(xì)復(fù)雜的模擬分析方法，也提供了更準(zhǔn)確直觀的科學(xué)依據(jù)。但如今的建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，依然存在設(shè)計(jì)和技術(shù)方法相互脫節(jié)等問題，這就要求建筑師善于利用CFD進(jìn)行模擬分析，輔助自然通風(fēng)的設(shè)計(jì)。

一、CFD及建筑模擬的研究現(xiàn)狀

日本學(xué)者Toshickt分析了日本上百年的氣候變化，并對比了同段時(shí)間內(nèi)的土地，得出結(jié)論：東京和大阪變得越來越城市化，受到來自太平洋的海洋風(fēng)的影響也逐漸減少，城市的自然通風(fēng)也很大可能被影響，因此風(fēng)環(huán)境與熱環(huán)境相比于從前都有所削弱。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬風(fēng)洞試驗(yàn)廣泛被風(fēng)環(huán)境模擬領(lǐng)域所應(yīng)用。荷蘭的布洛肯利用虛擬風(fēng)洞試驗(yàn)對某體育場的周邊風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬與評價(jià)。在研究中，作者通過精細(xì)的劃分，把計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬與實(shí)測數(shù)據(jù)相結(jié)合。英國的巴頓提出了三個(gè)住宅用地的建筑安排，即獨(dú)立，聯(lián)排別墅和庭院。這將有助于改善附近的風(fēng)環(huán)境，增強(qiáng)自然通風(fēng)，并減少能源消耗。埃曼紐爾先生從英國城市設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，對改善城市街區(qū)風(fēng)環(huán)境、減少熱帶地區(qū)建筑耗能提出解決方法。并闡明了城市的建筑布局對熱島效應(yīng)的影響，提出了減小熱島效應(yīng)的布局建議，因此該布局也對城市街區(qū)風(fēng)環(huán)境有所改善。該研究對有關(guān)亞熱帶、溫帶等氣候地區(qū)的研究提供了幫助。

AP和Lam KM建造了具有相同規(guī)模的建筑物模型，并探索了建筑物布局對其風(fēng)環(huán)境的影響。同時(shí)，研究了風(fēng)向?qū)δＰ惋L(fēng)環(huán)境的影響，其方向垂直于建筑物的方向，與建筑物的方向平行。通過觀察建筑物間通道和拐角處的風(fēng)速，對相鄰建筑物之間的相互作用進(jìn)行分析。得出結(jié)論：當(dāng)建筑物的朝向與風(fēng)速方向處于垂直狀態(tài)時(shí)，迎風(fēng)側(cè)的建筑物會(huì)對風(fēng)的移動(dòng)具有很大的阻礙，同時(shí)對后排建筑物的風(fēng)環(huán)境也有所影響。風(fēng)渦形成，影響風(fēng)運(yùn)動(dòng)的分離和重新附著，當(dāng)風(fēng)速方向與建筑物的方向平行時(shí)，在建筑物之間便會(huì)形成風(fēng)洞，產(chǎn)生“海峽風(fēng)”，也就是局部高風(fēng)速現(xiàn)象。Ishizaki、Sung和Wiren在做了類似模擬后，得出建筑間通道中心線的平均風(fēng)速規(guī)律。日本Tetsuk等學(xué)者建立了模型，該模型含有22個(gè)街區(qū)的日本住宅街區(qū)陣列，通過風(fēng)環(huán)境模擬，研究了街區(qū)建筑面積與街道平均風(fēng)速之間存在的關(guān)系。得出結(jié)論，建筑物在區(qū)域中占比越高，區(qū)域中的平均風(fēng)速就越低。在此基礎(chǔ)上，他們提出了以地塊建筑密度作為參考因素的設(shè)計(jì)方法。

二、CFD對建筑風(fēng)模擬的應(yīng)用方案

利用CFD風(fēng)環(huán)境模擬研究基本地形和周圍環(huán)境對基本風(fēng)環(huán)境的影響，充分研究了自然通風(fēng)與總體布局，建筑形狀和圍護(hù)界面的關(guān)系。[1]以及不同風(fēng)速方向的風(fēng)、窗戶開啟或關(guān)閉狀態(tài)、利用三維 CFD模擬和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，通過定性分析后整合設(shè)計(jì)方案，在對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行定量分析后，對 CFD風(fēng)環(huán)境評估結(jié)果進(jìn)行修正，以及早期檢測出惡劣的風(fēng)環(huán)境。通過多個(gè)項(xiàng)目的比較評估，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，達(dá)到首選施工方案的目的。最后，將預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較和驗(yàn)證。

（一）單體建筑的模擬及優(yōu)化

本研究先選一個(gè)塔式建筑街區(qū)作為研究對象，利用CFD模擬分析基地風(fēng)環(huán)境，建立三維立體模型，在此平面上進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬。因考慮到舒適性問題，故將研究平面定在距離地面12m處，并對冬夏季主導(dǎo)風(fēng)向和分析了強(qiáng)度，周圍建筑物或結(jié)構(gòu)引起的風(fēng)場變化和特定地形引起的地形風(fēng)等因素進(jìn)行分析。

（二）整體布局的建筑自然通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于塔樓，考慮周圍城市街區(qū)的影響。以塔式建筑街區(qū)為中心，建立了8塊樓及其周圍的整體模型，并將其引入PHOENICS軟件中對其進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬。風(fēng)洞是利用由主導(dǎo)風(fēng)向，基本地形和周圍建筑物等因素形成的風(fēng)環(huán)境建立的。[2]這樣可以減少局部不利的風(fēng)環(huán)境，增加建筑物間隙或降低建筑物高度，并改善室外風(fēng)環(huán)境的影響。

（三）為室內(nèi)外風(fēng)和熱環(huán)境創(chuàng)造有利條件

通過CFD模擬讀取建筑物表面的風(fēng)壓值，并計(jì)算房間的表面風(fēng)壓差以估計(jì)風(fēng)壓通風(fēng)的可能性。在設(shè)定條件下，通過CFD模擬優(yōu)化氣流路徑，改變氣流以改善通風(fēng)效果。在風(fēng)的形狀和開口位置附近，需要注意風(fēng)速值是否過大，是否會(huì)影響使用者的舒適性和安全性。一些CFD軟件可以對模型的輻射和溫度進(jìn)行耦合計(jì)算，通過讀取風(fēng)速值和溫度值來預(yù)測熱壓通風(fēng)效果，為加強(qiáng)建筑物的熱壓通風(fēng)性能提供可行性條件。

參考文獻(xiàn)：

[1]張曉敏.CFD技術(shù)在綠色建筑自然通風(fēng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[D].學(xué)術(shù)期刊，低碳世界，2016.7.

[2]郭衛(wèi)宏，劉驍，袁旭.基于 CFD 模擬的綠色建筑自然通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].學(xué)術(shù)期刊，建筑節(jié)能，2015.9.

[3]村上周三.朱清宇，等，譯.CFD 與建筑環(huán)境設(shè)計(jì)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[4]趙彬，林波榮，李先庭，江億.建筑群風(fēng)環(huán)境的數(shù)值模擬仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].城市規(guī)劃匯刊，2002-02.

作者簡介：李霄霄（1996-），女，本科，研究方向：建筑環(huán)境與能源應(yīng)用。