某建筑群室外風(fēng)環(huán)境的CFD模擬與評(píng)價(jià)

劉少鋒 任 杰

(1.中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅蘭州 730000; 2.北京中外建建筑設(shè)計(jì)有限公司西北分公司，陜西西安 710055)

0 引言

建筑風(fēng)環(huán)境與建筑物的外形、尺寸、建筑物之間的相對(duì)位置以及周圍的地形地貌有著很復(fù)雜的關(guān)系。如果在城市規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)中忽略了風(fēng)環(huán)境問題，就有可能給城市環(huán)境帶來不利影響［1］。在有較強(qiáng)來流時(shí)，建筑物周圍某些地區(qū)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)，如果這些強(qiáng)風(fēng)區(qū)出現(xiàn)在建筑物入口、通道、露臺(tái)等行人頻繁活動(dòng)的區(qū)域，則可能使行人感到不舒適，甚至帶來傷害，形成惡劣的風(fēng)環(huán)境問題。同時(shí)，室外風(fēng)環(huán)境深刻影響建筑室內(nèi)風(fēng)環(huán)境，特別對(duì)建筑防風(fēng)與自然通風(fēng)有著決定性影響。因此在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)對(duì)建筑物的室外風(fēng)環(huán)境做出評(píng)價(jià)，分析建筑之間位置關(guān)系對(duì)室外風(fēng)環(huán)境的影響。

由于“數(shù)值風(fēng)洞”的計(jì)算結(jié)果比風(fēng)洞模型實(shí)驗(yàn)更直觀、更詳細(xì)，數(shù)值分析方法在國(guó)際上已廣泛采用［2］。本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 數(shù)值計(jì)算

根據(jù)對(duì)建筑室外風(fēng)環(huán)境流場(chǎng)湍流特性的初步分析，建立描述其氣流運(yùn)動(dòng)特性的方程為基于 Boussinesq假設(shè)［3，4］基礎(chǔ)上的Reynolds時(shí)均的包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、狀態(tài)方程的控制方程組。為使方程的封閉，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的κ—ε雙方程模型。其控制方程組如下:

其中，ρ為密度;Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù);Sφ為廣義源項(xiàng);U為速度矢量;φ為通用因變量，代表速度u，運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)v，湍流粘度w，溫度t，湍流動(dòng)能k，湍流動(dòng)能耗散率ε，特征尺寸l。

采用四面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)建筑物周圍的區(qū)域進(jìn)行局部細(xì)化，網(wǎng)格的質(zhì)量(長(zhǎng)寬比、斜度等)滿足計(jì)算要求，總網(wǎng)格數(shù)為180萬個(gè)，見圖1。

根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)，本數(shù)值報(bào)告模擬夏季、冬季及全年最大風(fēng)速的風(fēng)向下的3個(gè)典型工況下室外不同來流風(fēng)速與風(fēng)向下的流場(chǎng)分布特性，計(jì)算工況見表1。

圖1 網(wǎng)格劃分示意圖

表1 數(shù)值模擬工況

2 結(jié)果與討論

1)夏季2.4 m/s(S)。

圖2a)給出地面處的速度分布。當(dāng)夏季吹南風(fēng)時(shí)，本項(xiàng)目的地面風(fēng)速基本在2m/s以下，這樣不容易吹起地面上的塵土，有利于提升建筑群周圍的空氣質(zhì)量。與此同時(shí)，在換乘大樓東側(cè)的公路上具有較大風(fēng)速，其風(fēng)速值達(dá)到2.4 m/s，有利于公路上行駛汽車尾氣的排放。換乘大樓西側(cè)及東側(cè)空間上具有2.5 m左右的風(fēng)速，有利于換乘車輛的廢氣排放。建筑物周圍沒有明顯不利于污染物擴(kuò)散的渦旋。

圖2b)給出距地面7.2 m處的速度分布。當(dāng)夏季吹南風(fēng)時(shí)，購(gòu)物中心，酒店寫字樓的西面具有較大風(fēng)速，其值達(dá)到2.5 m/s。在此風(fēng)速下，如果能夠結(jié)合合理的建筑開窗，將有效的起到建筑節(jié)能的作用。備班樓及換乘大樓可在南向和北向同時(shí)開窗，從而形成穿堂風(fēng)，提到夏季自然通風(fēng)的通風(fēng)效率。與此同時(shí)，換乘大樓及備班樓內(nèi)的尾氣會(huì)被南風(fēng)帶向東北方向，不會(huì)流向購(gòu)物中心，酒店寫字樓所處區(qū)域。這對(duì)購(gòu)物中心，酒店寫字樓的空氣質(zhì)量有利。

2)冬季 2.4 m/s(NNW)。

圖2 夏季工況下地面處和距地面7.2 m處的速度場(chǎng)

圖3 a)給出地面處的速度分布。當(dāng)冬季風(fēng)向?yàn)镹NW時(shí)，本項(xiàng)目建筑周圍的地面風(fēng)速基本在2 m/s以下，這樣不容易吹起地面上的塵土，有利于提升建筑群周圍的空氣質(zhì)量。與此同時(shí)，在換乘大樓東側(cè)的西二環(huán)線及西側(cè)的玉蘭路上都具有較大風(fēng)速，其風(fēng)速值達(dá)到2.3 m/s，有利于公路上行駛汽車尾氣的排放。換乘大樓西側(cè)及東側(cè)空間上具有1.5 m左右的風(fēng)速，有利于換乘車輛的廢氣排放。建筑物周圍沒有明顯不利于污染物擴(kuò)散的渦旋。

圖3b)給出距地面7.2 m處的速度分布?？梢钥闯?，酒店寫字樓及購(gòu)物中心對(duì)西北吹來的冷風(fēng)起到了良好的隔絕作用，形成了典型的“庭院式”設(shè)計(jì)，有利于整體建筑的冬季節(jié)能，減少整體建筑的供暖能耗損失。建議在酒店寫字樓西北角及換乘大樓的東北角適當(dāng)綠化或興建裝飾性構(gòu)筑物，能夠有效的阻擋被封寒流，更好的起到為建筑物保暖的作用。與此同時(shí)，鑒于酒店寫字樓、購(gòu)物中心及換乘大樓北向及南向的風(fēng)速差別較大，容易引起空氣壓差變化。建議加強(qiáng)酒店寫字樓、購(gòu)物中心及換乘大樓北墻的圍護(hù)建筑氣密性能，減少冷風(fēng)滲透所引起的供暖能耗損失。

圖3 冬季工況下地面處和距地面7.2 m處的速度場(chǎng)

3)全年2.8 m/s(NW)。

圖4a)給出地面處的速度分布。當(dāng)全年工況下吹西北風(fēng)時(shí)，本項(xiàng)目的地面風(fēng)速基本在2 m/s以下，這樣不容易吹起地面上的塵土，有利于提升建筑群周圍的空氣質(zhì)量。與此同時(shí)，在建筑群周圍具有較大風(fēng)速，其風(fēng)速值達(dá)到2.3 m/s，有利于建筑群廢氣的排除。換乘大樓西側(cè)及東側(cè)空間上形成了“峽谷風(fēng)”，具有2 m左右的風(fēng)速，有利于換乘車輛的廢氣排放。建筑物周圍沒有明顯不利于污染物擴(kuò)散的渦旋。

圖4b)給出距地面7.2 m處的速度分布?？梢钥闯?，酒店寫字樓及購(gòu)物中心對(duì)西北吹來的冷風(fēng)起到了良好的隔絕作用，形成了典型的“庭院式”設(shè)計(jì)，有利于整體建筑的冬季節(jié)能，減少整體建筑的供暖能耗損失。與此同時(shí)，在購(gòu)物中心西南角、SOHO公寓入口處具有較大風(fēng)速，容易引起室外活動(dòng)的舒適性和建筑通風(fēng)。建議在此處添加裝飾性構(gòu)筑物或進(jìn)行綠化。同時(shí)在換乘大樓東北方，風(fēng)速同樣偏大，建議對(duì)此處進(jìn)行綠化，并加強(qiáng)換乘大樓北外墻和東外墻的建筑氣密性，從而減少供暖損失。

圖4 全年工況下地面處和距地面7.2m處的速度場(chǎng)

3 結(jié)論與建議

根據(jù)對(duì)夏季、冬季及全年最大風(fēng)荷載下3個(gè)典型工況的模擬分析，根據(jù)模擬分析結(jié)果，本項(xiàng)目建筑群的室外氣流組織，能夠達(dá)到如下效果:1)模擬表明本項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)內(nèi)主要通道內(nèi)的風(fēng)速均小于5 m/s，滿足行人室外活動(dòng)的舒適性要求。2)在備班大樓及換乘大樓周圍均有2 m/s以上風(fēng)速，有利于周圍汽車尾氣的排除。3)本項(xiàng)目的地面風(fēng)速基本在2 m/s以下，這樣不容易吹起地面上的塵土，有利于提升建筑群周圍的空氣質(zhì)量。4)建筑物周圍沒有明顯不利于污染物擴(kuò)散的渦旋。5)夏季通風(fēng)時(shí)，建筑群周圍風(fēng)速不低于2 m/s，有利于自然通風(fēng)及減少空調(diào)冷負(fù)荷。6)酒店寫字樓及購(gòu)物中心對(duì)西北吹來的冷風(fēng)起到了良好的隔絕作用，形成了典型的“庭院式”設(shè)計(jì)，有利于整體建筑的冬季節(jié)能，減少整體建筑的供暖能耗損失。7)換乘大樓及備班樓內(nèi)的尾氣會(huì)被室外風(fēng)帶離建筑群，不會(huì)影響購(gòu)物中心，酒店寫字樓，SOHO公寓等建筑周圍的空氣品質(zhì)。同時(shí)，根據(jù)對(duì)夏季、冬季及全年最大風(fēng)荷載下3個(gè)典型工況的模擬分析，根據(jù)模擬分析結(jié)果，提出如下優(yōu)化建議:1)建議在酒店寫字樓西北角及換乘大樓的東北角適當(dāng)綠化或修建裝飾性構(gòu)筑物，能夠有效的阻擋被封寒流，更好的起到為建筑物保暖的作用。2)當(dāng)夏季吹南風(fēng)時(shí)，購(gòu)物中心，酒店寫字樓的西面具有較大風(fēng)速，其值達(dá)到2.5 m/s。在此風(fēng)速下，如果能夠結(jié)合合理的建筑開窗，將有效的起到建筑節(jié)能的作用。3)備班樓及換乘大樓可在南向和北向同時(shí)開窗，從而形成穿堂門，提高夏季自然通風(fēng)的通風(fēng)效率。4)建議在酒店寫字樓西北角、換乘大樓的東北角、SOHO公寓入口處適當(dāng)綠化或興建裝飾性構(gòu)筑物，能夠有效的阻擋被封寒流，更好的起到為建筑物保暖的作用。5)建議加強(qiáng)酒店寫字樓、購(gòu)物中心及換乘大樓北墻的圍護(hù)建筑氣密性能，減少冷風(fēng)滲透所引起的供暖能耗損失。

［1］一 丁，雨 露，洪 涌.中國(guó)古代風(fēng)水與建筑選址［M］.石家莊:河北科學(xué)技術(shù)出版社，1996.

［2］David Hutchinson，Wind-aplanner’sview，Joumal of mdustrial aerodynamics［J］.1978(3):117-127.

［3］王啟杰.對(duì)流傳熱傳質(zhì)分析［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，1991.

［4］陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，1988.