CFD模擬技術(shù)在建筑立面造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

楊亞男 李運(yùn)江 許華華 范 波

（三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

隨著人類社會(huì)的進(jìn)步和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人類對(duì)能源的消耗越來越大，導(dǎo)致全球氣溫升高，大氣污染，海平面上升等一系列危機(jī).因此，建筑已經(jīng)朝著節(jié)能、環(huán)保和健康的方向發(fā)展.從很多方面來講，建筑物室內(nèi)外的自然通風(fēng)是十分必要的，自然通風(fēng)不消耗化石能源，可以減少能耗、降低大氣污染，它是決定人們生活健康和舒適的主要因素之一.同時(shí)新鮮空氣進(jìn)入室內(nèi)，可以稀釋空氣污染物，進(jìn)行降溫和除濕，改善人們的舒適感.在我國現(xiàn)階段快速城市化進(jìn)程中，由于受地形等條件限制，許多小區(qū)呈圍合或半圍合狀態(tài)，外圍建筑影響到小區(qū)的自然通風(fēng).所以，在組織建筑物室內(nèi)外自然通風(fēng)時(shí)，應(yīng)考慮氣流路線必須經(jīng)過人的活動(dòng)區(qū)域，同時(shí)要達(dá)到一定速度，一般應(yīng)達(dá)到0.3～1.0 m／s［1].為了組織好自然通風(fēng)，在設(shè)計(jì)過程中除了對(duì)建筑朝向、間距及建筑群的總體布置加以關(guān)注外，還要對(duì)建筑物的平面和剖面布置做出合理的選擇.但在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，建筑師往往缺少對(duì)建筑物的平面和剖面造型與風(fēng)場(chǎng)分布關(guān)系的關(guān)注.針對(duì)以上實(shí)際情況，結(jié)合宜昌本地通風(fēng)的特點(diǎn)，本文希望通過應(yīng)用CFD模擬軟件PHOENICS2009，為建筑師在建筑設(shè)計(jì)過程中提供參考.

1 宜昌地區(qū)氣候環(huán)境現(xiàn)狀

宜昌地處長(zhǎng)江中上游交界處，鄂西山區(qū)向江漢平原的過渡地帶.宜昌地形呈現(xiàn)出自西向東逐級(jí)下降的態(tài)勢(shì)，高低相差懸殊.宜昌屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，建筑設(shè)計(jì)熱工分區(qū)屬于夏熱冬冷地區(qū)，年平均氣溫為16.8℃、平均降雨量1 155.0mm.宜昌最為顯著的氣候特征可概括為：水熱同季，夏季炎熱多雨，冬季相對(duì)寒冷干燥；四季分明，冬、夏長(zhǎng)，春、秋短［2].

1.1 宜昌市城市平均風(fēng)速

城市對(duì)局部氣象條件以及污染物擴(kuò)散的影響主要有：建筑物對(duì)氣流有摩擦阻力作用、阻止作用；城區(qū)風(fēng)速明顯低于周圍郊區(qū).城區(qū)風(fēng)速的降低與城市建成區(qū)的范圍、建筑物的高度和密度，街道的寬度和走向，綠地和空地的面積和分布等因素有關(guān).圖1給出了宜昌及周邊地區(qū)多年平均風(fēng)速的季節(jié)變化［2].

圖1 宜昌地區(qū)多年月平均風(fēng)速變化（1959～2000）

從圖1可以看出，宜昌市通風(fēng)季節(jié)大部分時(shí)間處于輕風(fēng)狀態(tài)，對(duì)于市區(qū)建筑物密集區(qū)域，自然通風(fēng)不利，因此有必要對(duì)建筑物通風(fēng)狀況加以研究.

1.2 宜昌市城市年平均風(fēng)玫瑰圖

宜昌地區(qū)的年平均風(fēng)玫瑰圖見圖2，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠珫|南風(fēng).就各個(gè)季節(jié)而言，冬季主要以東南東風(fēng)為主，夏季主要以東南風(fēng)為主［2].

圖2 宜昌地區(qū)多年平均風(fēng)玫瑰圖（1959～2000）

2 建筑模型的建立

2.1 建筑模型的建立

宜昌市為山地城市，由于受地形限制，宜昌市建筑朝向主要為南北向，并有部分為東南西北朝向，因此模型選擇如圖3所示.

模型中建筑物假設(shè)為院落型小區(qū)外圍建筑.根據(jù)《民用建筑設(shè)計(jì)通則》（GB 50352－2005）有關(guān)規(guī)定并考慮建筑日照及防火條件，將模型設(shè)定為：建筑單體高度為22m.圖示中所標(biāo)注單位全部為m.

圖3 建筑平面圖及主立面圖

2.2 數(shù)學(xué)物理模型

數(shù)學(xué)物理模型的基本假設(shè)：牛頓流體是指在受力后極易變形，且切應(yīng)力與變形速率成正比的低粘性流體.大多數(shù)純液體、輕質(zhì)油以及低速流動(dòng)的氣體等均為牛頓流體，所以建筑物外環(huán)境空氣假設(shè)為牛頓流體［3].

根據(jù)以上假設(shè)，采用標(biāo)準(zhǔn)KECHEN穩(wěn)態(tài)紊流模型［3].室外風(fēng)環(huán)境變化快，但對(duì)于宜昌本地的風(fēng)速較低的實(shí)際情況，標(biāo)準(zhǔn)KECHEN穩(wěn)態(tài)紊流模型已經(jīng)能夠滿足實(shí)際要求.根據(jù)相關(guān)研究確定其流場(chǎng)模擬的計(jì)算區(qū)域?yàn)椋航ㄖ锴昂缶嚯x邊界為建筑物高度的6倍，計(jì)算域高度為建筑高度的5倍［4].

2.3 自然通風(fēng)動(dòng)力因素

空氣壓力差的作用使空氣產(chǎn)生流動(dòng)，從而形成風(fēng).形成空氣壓力差主要有兩方面的動(dòng)力因素，即熱壓作用和風(fēng)壓作用.由于風(fēng)壓通風(fēng)對(duì)改善室內(nèi)氣候條件的效果比較顯著，故在組織自然通風(fēng)時(shí)主要考慮風(fēng)壓通風(fēng)［1].風(fēng)壓計(jì)算公式如下：

式中，Pw為風(fēng)壓；v為風(fēng)速；ρ為室內(nèi)外空氣密度；g為重力加速度；K為空氣動(dòng)力系數(shù)，即某點(diǎn)上壓力與風(fēng)的動(dòng)壓之比，有正負(fù)，絕對(duì)值在0～1，本次模擬取0.5.

2.4 邊界條件的確定

此次模擬主要針對(duì)宜昌地區(qū)夏季的通風(fēng)情況，室外風(fēng)速采用宜昌當(dāng)?shù)叵募酒骄L(fēng)速，即1.4m／s，同時(shí)采用宜昌當(dāng)?shù)?月份平均大氣壓，參考高度取10m高度.由于選取的計(jì)算區(qū)域較大，上側(cè)面和兩側(cè)面的空氣流動(dòng)幾乎不受建筑物的影響，假設(shè)建筑物外墻壁采用固體摩擦平滑的墻壁［5].

3 模擬結(jié)果及分析

本次模擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用CFD軟件，針對(duì)夏季7月份時(shí)段自然通風(fēng)狀況，模擬結(jié)果如圖4～5所示.

從模擬結(jié)果可以看出，在建筑物背風(fēng)面中部形成較大范圍渦流區(qū)，渦流影響范圍接近建筑物高度的2倍［1]，由于該外圍建筑物對(duì)小區(qū)內(nèi)部建筑的遮蔽作用，使小區(qū)內(nèi)部自然通風(fēng)處于不利形勢(shì).在渦流區(qū)長(zhǎng)度為1.5倍建筑高度處，風(fēng)速降低至0.16m／s，幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)，此處風(fēng)壓值Pw＝0.008Pa.

現(xiàn)對(duì)建筑物立面造型進(jìn)行優(yōu)化處理：在建筑物中部10m處開始進(jìn)行開口處理，開口規(guī)模為10m×10 m×3m，開口數(shù)量為4個(gè)，在高度方向上隔3m設(shè)置一處，如圖6所示.

圖6 優(yōu)化后建筑平面圖及主立面圖

在模擬參考高度為10m處，得到如下模擬結(jié)果.

圖7 優(yōu)化處理后平面風(fēng)速分布圖

圖8 優(yōu)化處理后剖面風(fēng)速分布圖

通過圖示可以看出，在對(duì)建筑立面進(jìn)行優(yōu)化后，渦流區(qū)域范圍較優(yōu)化前有較大程度減小，約為優(yōu)化前范圍的1／2，在渦流區(qū)長(zhǎng)度為1.5倍建筑高度處，風(fēng)速提高至0.84m／s，此處風(fēng)壓值Pw＝0.227Pa.最低風(fēng)速較優(yōu)化前有大幅度提高，對(duì)于通風(fēng)狀況的改善較為顯著.模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過對(duì)建筑物造型進(jìn)行開口處理，可以改善建筑物所處環(huán)境的風(fēng)場(chǎng)分布，便于小區(qū)組織自然通風(fēng).

4 結(jié) 論

宜昌地處夏熱冬冷地區(qū)，利用自然通風(fēng)可以顯著改善室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境，同時(shí)還可以達(dá)到節(jié)能降耗的目的.而且，配合建筑造型的優(yōu)化，還可以增加建筑物的美觀.通過本次模擬實(shí)驗(yàn)，可以為建筑師對(duì)建筑造型的優(yōu)化改善提供參考.

［1]孟慶林，陳仲林，吳碩賢.建筑物理［M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2002：141－149.

［2]宜昌市規(guī)劃局.宜昌市大氣環(huán)境研究［R].宜昌：宜昌市總體規(guī)劃，2005：79－108.

［3]謝軍飛.城市綠地風(fēng)場(chǎng)的不同數(shù)值模擬方法比較研究［J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2011（7）：18－21.

［4]戚大海.上海某公共展廳自然通風(fēng)模擬研究［J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2011（6）：41－44.

［5]王冬梅.商用建筑自然通風(fēng)應(yīng)用研究［J].建筑科學(xué)，2009（12）：89－92.