林永暉，張 偉，盛景四

（天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，天津300384）

良好的街道風(fēng)環(huán)境有助于改善行人舒適度以及建筑通風(fēng)狀況，甚至可以消減城市熱島（UHI）效應(yīng)的影響.近年來，研究者們愈加關(guān)注建筑群的形態(tài)對于街區(qū)風(fēng)環(huán)境的作用規(guī)律.

21 世紀初，孫洪波[1]綜述了利用建筑設(shè)計與合理選址來改善室內(nèi)微氣候環(huán)境的方法；2010年，Bourbia[2]討論和評估了街道幾何形狀對氣候的影響，不同形式的街道之間的空氣溫差可達3～6 ℃；Kantzioura[3]通過對微氣候和氣象觀測站的數(shù)據(jù)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)城市峽谷的幾何形狀對街道的氣象參數(shù)起著重要的影響作用；Allegrini 等[4]的研究發(fā)現(xiàn)，建筑物的表面溫度主要受建筑物間距離的影響，并提出減輕熱島效應(yīng)的措施.

秦文翠[5]結(jié)合衛(wèi)星遙感圖與ARCGIS 軟件，建立了基于ENVI-MET 模擬平臺的三維模型，探討不同構(gòu)筑物形態(tài)與街區(qū)尺度城市微氣候之間的關(guān)系；王迅等[6]人利用大氣下的延遲分離渦流模擬（DDES）湍流模型和離散相位模型（DPM）模擬城市環(huán)境中的流場和顆粒邊界層.Cui[7]通過粒子圖像速度測定法對城市半封閉U 型街道峽谷構(gòu)造的PLWE 進行了定量評估.

然而，針對實際街區(qū)風(fēng)環(huán)境的仿真研究往往需要長時間的勘察記錄及計算工作，卻不具有推廣性.故本文在考慮到真實建筑及街區(qū)幾何形態(tài)的復(fù)雜性后，從建筑街區(qū)尺度簡化模型的一般性特征入手，采用CFD 仿真模擬技術(shù)，定量分析建筑高度、建筑布局及建筑與街道高、寬比三個幾何要素對室外風(fēng)環(huán)境的影響，著重探討各要素與風(fēng)環(huán)境之間的關(guān)系，旨在為建筑規(guī)劃和設(shè)計階段形成良好的街區(qū)風(fēng)環(huán)境，提出一些建設(shè)性的建議和改善策略.

1 仿真模型

1.1 控制方程

空氣流動的基本控制方程[8]如下，連續(xù)性方程為

動量方程為

能量方程為

式中：ρ 為密度；u→為速度；gi為重力加速度；p 為壓力；T為溫度；Fi為體積力；μ 為動力黏度；I 為單位張量；cp為定壓比熱容；k 為流體的傳熱系數(shù)；ST為流體內(nèi)熱源及由于黏性作用流體機械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分，即黏性耗散項.

1.2 湍流模型與邊界條件

本文室外風(fēng)速數(shù)據(jù)參考區(qū)域為天津市城市郊區(qū)，氣象參數(shù)選取：時間為2015-05-21，16：00；風(fēng)向南向；風(fēng)速1.9 m/s；參考高度為10 m；空氣溫度設(shè)為26.7 ℃.

研究使用SOLIDWORKS 軟件建立街區(qū)模型，為提高網(wǎng)格劃分效率，分別采用GAMBIT 和ICEM 軟件進行流場的結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格處理. 流體區(qū)域（計算域）中的介質(zhì)為空氣，可假設(shè)其為黏性、不可壓縮、低速湍流流體.考慮到計算域空間較大，且無大尺度分離回流的特點，故針對性地選擇了k-ε 湍流模型.

FLUENT 流動入口邊界條件設(shè)置為速度入口邊界條件.根據(jù)AIJ（architectural institute of Japan，簡稱AIJ）的研究，選用指數(shù)冪法則[9]，即

出口邊界條件采用自由出流邊界條件，并采用對稱邊界條件（symmetry），等價于“自由滑移”面.

本模型中空氣流動情況可歸類為不可壓縮和中等程度可壓縮的流體問題，可使用基于壓力的求解器.由于半隱式方法SIMPLE 算法的通用性強，能保證速度調(diào)節(jié)趨勢的正確性，因此在仿真計算時選用了SIMPLE算法.

2 數(shù)值仿真結(jié)果及分析

2.1 建筑高度對室外風(fēng)環(huán)境的影響

為了研究建筑高度對室外風(fēng)環(huán)境的影響，按建筑高度分類，選取4 種不同高度的建筑進行定量研究.建筑層高均為3 m，建筑高度H 分別是18，36，54，72 m；建筑的單體長度均為20 m，寬度均為10 m；前排建筑與后排建筑之間的距離為20 m；相鄰建筑山墻之間街道的寬度均為20 m，共7 排5 列. 風(fēng)向為Y 軸正方向，筆者選取中間1 列建筑及其兩側(cè)街道進行風(fēng)環(huán)境分析.

不同建筑高度下的室外1.5 m 高風(fēng)速分布如圖1所示.由圖1 可知，除外圍建筑出現(xiàn)角隅風(fēng)現(xiàn)象外，建筑高度的增加導(dǎo)致了高風(fēng)速區(qū)集中在街道上且風(fēng)加速區(qū)域面積增大，“風(fēng)漏斗現(xiàn)象”加劇. 建筑高度為72 m 時，街道上的氣流速度達至2.5 m/s 以上.隨著建筑高度的增加，對小區(qū)街道空氣加速作用越強烈；而當(dāng)建筑高度突破54 m 高后，建筑高度對1.5 m高處風(fēng)場分布影響逐漸減弱.

圖1 不同建筑高度下的室外1.5 m 高風(fēng)速分布

街道上風(fēng)速剖面矢量如圖2 所示.由圖2 可以看出，在流經(jīng)過第一排高層建筑后，空氣流動方向呈斜向上趨勢，且在近地面處風(fēng)速最大；空氣每經(jīng)過一排建筑后，流速被削減，且隨街道兩側(cè)的建筑高度增加，削減現(xiàn)象越明顯，最終速度降低并趨于定值.

圖2 不同建筑高度下街道上剖面速度分布矢量圖

街道處的風(fēng)速變化曲線如圖3 所示. 可以發(fā)現(xiàn)被加速的空氣流過建筑后過流面積增大，風(fēng)速會短暫降低，直至流向下一排建筑重新被加速；空氣流速呈周期性變化且總體趨勢逐漸減小，且其波峰與波谷的平均值是同幅度下降的，建筑高度H=18 m與72 m 時相比，在波峰和波谷平均風(fēng)速分別下降了0.1 m/s 和0.12 m/s；同時隨著建筑高度的增加，空氣加速階段也將提前出現(xiàn)，從而導(dǎo)致高風(fēng)速區(qū)域面積明顯增加.

圖3 不同建筑高度下街道處的風(fēng)速變化曲線

圖4 顯示了一二兩排建筑間的區(qū)域空氣流速變化.從圖中可知，建筑高度的增大，其間的風(fēng)速場雖然整體變化趨勢保持不變，但風(fēng)速場中數(shù)值會整體升高，波動情況也將變得劇烈；而H=36 m 和H=54 m 的兩條速度曲線基本重合，可知在此高度范圍內(nèi)時，首排建筑背面的風(fēng)速與建筑高度無關(guān).

2.2 建筑與街道的高、寬比對室外風(fēng)環(huán)境的影響

為了研究建筑與街道高、寬比對街區(qū)風(fēng)環(huán)境的影響，現(xiàn)設(shè)置四種高、寬比的街道模型，分別是高、寬比K=1.8，1.2，0.9，0.6，對應(yīng)的街道寬度為10，15，20，30 m.建筑單體均為20 m×10 m×18 m（長×寬×高）的六層公寓樓，建筑前后排間距為20 m，相鄰建筑山墻之間街道的長度為190 m，共7 排4 列，風(fēng)向為Y軸正方向，選取中間1 列建筑及其兩側(cè)街道進行風(fēng)環(huán)境分析.

圖4 一二兩排建筑間的區(qū)域風(fēng)速變化曲線

圖5 顯示了不同街道高、寬比下1.5 m 高度處室外壓力分布.由圖5 可以觀察到：隨著街道高、寬比的減小，街道相對越寬，氣流流通越通暢，沿途壓力變化越小，壓力分布越均勻；首排建筑和第二排建筑之間的壓力低于-2 Pa；街道高寬比為1.8 時，第二排建筑至最后一排建筑之間的街道壓力分布不均；街道高、寬比為0.6 時，第二排建筑至最后一排建筑之間的壓力分布均勻，為-0.1 Pa.

圖5 不同街道高、寬比下1.5 m 高度處室外壓力分布

圖6 顯示了街道高、寬比K=1.8 時，自首排建筑以后在街道上出現(xiàn)多個風(fēng)低速區(qū)，最低達1.25 m/s，隨著街道高、寬比的降低，街道的空氣流速越接近周圍空氣流速.

圖6 不同街道高、寬比下的街道上速度分布云圖

圖7 顯示了在不同建筑與街道高、寬比下，街道上風(fēng)速的變化情況：隨著建筑高、寬比的減小，街道上的風(fēng)場趨于穩(wěn)定、波動漸緩，至K=0.6 時街道上風(fēng)速波已趨于平緩；當(dāng)建筑高、寬比K=1.8 時，此時街道寬度僅為10 m，風(fēng)漏斗現(xiàn)象最為明顯，空氣動壓被過早消耗掉，導(dǎo)致后排街道空氣流速要低于其他工況，且風(fēng)場分布不均勻，最低流速為1.5 m/s.

圖7 不同建筑與街道高、寬比下的街道風(fēng)速變化曲線

圖8 顯示了一二兩排建筑間的區(qū)域流場變化，可以觀察到：隨著建筑與街道高、寬比的增加，街道的空氣流量減小，風(fēng)加速現(xiàn)象增大；其間的風(fēng)速分布是受街道的空氣壓力的影響，并且由于建筑背面的空氣亂流和負壓，風(fēng)速變化也不是線性的.

圖8 首排建筑后街道剖面速度變化曲線

2.3 建筑布局對風(fēng)環(huán)境的影響

室外風(fēng)熱環(huán)境從宏觀上受建筑布局的影響，不僅影響到室外活動人員的舒適性，而且影響建筑前后的壓力分布.建筑布局不當(dāng)可能會導(dǎo)致局部風(fēng)速過大，不利于污染物擴散和熱量擴散.合理的建筑布局可以提高室外人員的舒適性，可利用建筑的通道和壓差來進行高效的自然通風(fēng)[10].

本節(jié)在既有的場地和不同的風(fēng)速條件下，探討不同的建筑布局對室外風(fēng)環(huán)境的影響，分析建筑夏季的通風(fēng)能力.為了研究建筑布局對室外風(fēng)環(huán)境的影響，設(shè)置四種不同建筑布局形式：行列式；b T 型；交錯式；圍合式.每棟建筑的尺寸均為20 m×10 m×18 m（長×寬×高）的六層公寓樓，編號為A、B、C、D；場地面積為60 m ×60 m（3 600 m2），風(fēng)向沿Y 軸正方向，具體建筑布置如圖9 所示.

圖9 不同建筑布局三維示意

圖10 為四種布局的室外1.5 m 高處壓力分布云圖.如圖10 所示，四種建筑布置中，建筑負壓區(qū)域總面積大小為：（a）行列式（1 600 m2）＞（d）圍合式（1 200 m2）＞（c）交錯式（1 100 m2）＞（b）T 型（1 000 m2）. 可見在此模型尺度下，T 型布局下建筑背面的負壓區(qū)域總面積最小.

圖11 為四種布局的室外1.5 m 高處速度分布云圖. 結(jié)合圖10 與圖11，可以觀察到，在行列式布局下，建筑背面的風(fēng)影區(qū)最大，最低風(fēng)速為-1.25 m/s，出現(xiàn)在前后兩排建筑中間位置，大部分氣流不會到達兩排建筑之間，而街區(qū)空氣流速卻無法降低，風(fēng)環(huán)境較為惡劣.

圖10 四種布局的室外1.5 m 高處壓力分布云圖

圖11 四種布局的室外1.5 m 高處速度分布云圖

在T 型建筑布局下，左側(cè)建筑與來流風(fēng)向垂直，其大的迎風(fēng)面積造成風(fēng)影區(qū)域也較為寬闊；而右側(cè)建筑與來流風(fēng)向平行，背風(fēng)面的空氣流速較低，這是由于右側(cè)建筑的距離更小，不易受兩側(cè)高速空氣的影響，風(fēng)速幾乎不受影響.

在圍合型布局下，建筑群有效地將風(fēng)阻擋在小區(qū)迎風(fēng)面，且中間大兩邊小，其壓力分布也有助于引導(dǎo)來流風(fēng)向周圍擴散，這導(dǎo)致了四棟建筑的正中心產(chǎn)生負壓區(qū)，而速度最小為-1.3 m/s.

建筑迎風(fēng)面與背風(fēng)面壓力和速度數(shù)據(jù)如表1 所示.四種布局中，與來流方向垂直的建筑前后壓差大于與來流平行的建筑前后壓差，規(guī)律如下.

（1）建筑前后壓差的大小與迎風(fēng)方向的建筑間距有關(guān).如T 型、交錯式中D 建筑前后壓差分別是0.79、0.54 Pa，背風(fēng)側(cè)壓力分別是0.12、0.34 Pa.建筑背部壓力與風(fēng)方向的建筑間距關(guān)系是：間距越小，壓力越小，越不容易受兩側(cè)氣流影響.

（2）四種建筑布局中，區(qū)域總壓差大小為：T 型（2.05 Pa）＞圍合式（1.75 Pa）＞交錯式（1.55 Pa）＞行列式（1.27 Pa）.T 型布局的區(qū)域總壓差最大，為2.05 Pa，行列式布局區(qū)域總壓差最小，為1.27 Pa，可知T 型布局的夏季通風(fēng)能力最好.建筑前后壓差與建筑前后速度差沒有相關(guān)性，建筑前后壓差最大不一定建筑前后的速度差最大，反之亦然.

表1 建筑迎風(fēng)面與背風(fēng)面壓力和速度

3 結(jié) 論

本文采用CFD 仿真方法，研究了建筑高度、建筑布局及建筑與街道高、寬比等要素對建筑物周圍風(fēng)速場及壓力場的影響，研究得出的主要結(jié)論如下.

（1）隨著建筑高度的增加，對小區(qū)街道出空氣加速作用越強烈；而當(dāng)建筑高度突破54 m 后，建筑高度對1.5 m 高處風(fēng)場分布影響逐漸減弱；對于街道上的流場變化，空氣經(jīng)每過一排建筑，流速會重新增加，并且建筑越高，各排平均風(fēng)速越高，壓力下降越多.

（2）街道高、寬比越小，街道的空氣流量越大，“風(fēng)漏斗現(xiàn)象”越不明顯，因此風(fēng)速場和壓力場的變化不是線性的.隨著街道高、寬比的增加，街道上的風(fēng)速和壓力趨于一致.對于街道上的流場變化，街道高、寬比K=1.8 時，街道上出現(xiàn)多個低風(fēng)速區(qū)，風(fēng)速變化曲線的波動幅度最大.對于首排建筑背面，受兩側(cè)街道寬度的影響，風(fēng)速的變化不是線性的.

（3）本文設(shè)置了四種不同的建筑布局，其中T 型布局的建筑前后壓差最大，且負壓區(qū)域面積也最大，提高了夏季通風(fēng)能力；交錯式分布可利于夏季通風(fēng)，冬季抗風(fēng)；圍合型布局能有效地將風(fēng)阻擋在小區(qū)外側(cè)，但其通風(fēng)效果差，適宜在風(fēng)速常年較大的城市規(guī)劃中使用.