串列建筑物周邊風(fēng)場的數(shù)值模擬

楊明++陳善群++廖斌

摘 要：建立了6組不同的串列建筑群排列形式，研究了串列建筑物間距、高差等因素對串列建筑物周邊風(fēng)場的影響。計算采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型。數(shù)值計算得到各種布局下建筑群周邊風(fēng)場，并對它們進行了對比分析。結(jié)果表明，串列建筑物間距、串列建筑物高差均會對串列建筑物周邊風(fēng)場產(chǎn)生較大影響。

關(guān)鍵詞：串列建筑物 標(biāo)準(zhǔn)模型 繞流風(fēng)場 數(shù)值模擬

中圖分類號：TU13 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（c）-0033-02

近年來高層建筑物得到了快速發(fā)展，由于高層建筑物的主要控制荷載是風(fēng)荷載，風(fēng)力對高層建筑物及建筑物周邊環(huán)境的影響巨大。在人們?nèi)找骊P(guān)心人居環(huán)境的今天，對高層建筑物周邊風(fēng)場和風(fēng)壓進行系統(tǒng)研究是非常有必要的，可以為評估城市規(guī)劃，及建筑物設(shè)計的合理性提供有價值的參考依據(jù)。

國內(nèi)外學(xué)者對建筑周邊繞流風(fēng)場進行了數(shù)值模擬。呂文瑚等[1]對一棟10 m×10 m×10 m的建筑物模型運用用模型進行繞流計算，得到了建筑物表面壓力分布及周邊風(fēng)速矢量分布。R.Yoshie等人[2]使用DSM、RANS以及LES等湍流數(shù)值模型對東京（新瀉、新宿）現(xiàn)實街區(qū)建筑群風(fēng)場模型進行了數(shù)值模擬。B. Blocken和J.Carmeliet[3]使用CFD方法在不同風(fēng)向，不同風(fēng)速條件下對不同類型的高層住宅建筑繞流風(fēng)場進行了數(shù)值模擬，找到了在高層住宅建筑戶外使人感覺到舒服的風(fēng)場條件。馬劍等[4]采用基于雷諾時均N-S方程和RNG湍流模型的數(shù)值研究方法，分別對具有風(fēng)洞試驗結(jié)果的單幢方形截面建筑和多幢矩形截面建筑組成的建筑群周邊的風(fēng)環(huán)境進行了數(shù)值模擬。目前對建筑風(fēng)環(huán)境的研究較多，但大多集中在對單個建筑物的研究，對多個建筑物建筑物繞流及其相互干擾問題的研究相對較少。由此可見，建筑物群周邊風(fēng)場繞流特性更加復(fù)雜。該文擬采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型對串列建筑群風(fēng)場進行三維數(shù)值模擬，研究串列建筑物間距、高差等因素對串列建筑周邊風(fēng)場變化的影響。

1 數(shù)值模擬理論

1.1 控制方程

建筑物風(fēng)場繞流流動的基本控制方程為N-S方程組[5]，包括連續(xù)性方程和動量方程：

（1）

（2）

對連續(xù)性方程和動量方程分別進行時均化處理，得到基于雷諾平均的連續(xù)性方程和動量方程：

（3）

（4）

式中，為空間位置坐標(biāo)；為方向的時均速度；為時均壓力；為空氣密度；為空氣動力粘性系數(shù)，-為雷諾應(yīng)力。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)模型

標(biāo)準(zhǔn)模型[6]是為半經(jīng)驗公式，源于湍流動能和湍流耗散率，表達式分別如下：

湍流動能方程：

（5）

湍流耗散率方程：

（6）

由于該文所模擬的計算模型為定常工況，可將動量方程（4）、湍流動能方程（5）和湍流耗散率方程（6）簡化為如下形式：

（7）

（8）

（9）

式中：為湍流動力粘度，表達式為；、、、、為模型常數(shù)，取值為，，，，。

2 串列建筑物周邊風(fēng)場數(shù)值模擬與分析

2.1 串列建筑物計算模型的建立

對于串列建筑物，共設(shè)置兩單體建筑模型，如圖1所示，兩建筑底部邊長為25 m×25 m，高度分別為H1、H2，建筑物之間間距為D。

為研究串列建筑間距、串列建筑高差等因素對串列建筑周邊風(fēng)場變化的影響。本文建立了3種不同參數(shù)的串列建筑物風(fēng)場模型，各種模型參數(shù)如表1所示。

如圖2所示，計算域網(wǎng)格在三維模型壁面處附近采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格進行了加密處理，遠場采用均勻網(wǎng)格，其網(wǎng)格間距最小尺寸取值在1～4 m之間。

2.2 邊界條件的設(shè)定

速度入口條件：設(shè)定風(fēng)速恒為1.6 m/s，其他方向的速度梯度為零。

壓力出口條件：沿出口方向壓力梯度為0。

壁面邊界條件：采用固壁無滑移邊界條件，即速度在各個方向梯度為0，壓力法向梯度為0。

2.3 計算結(jié)果與分析

（1）串列建筑物高度H1=H2。

由速度矢量分布可知，它們速度分布圖大體一致，都是上游建筑物頂部速度最大，而在兩建筑物之間和下游建筑物背風(fēng)面，速度方向發(fā)生改變出現(xiàn)了負(fù)值。隨著兩建筑物之間的間距增大，上游建筑物頂部風(fēng)速增加，而兩建筑物建筑之間風(fēng)速和下游建筑物背風(fēng)面回流速度絕對值同樣增加。

速度流線顯示在兩建筑物之間和下游建筑的背風(fēng)面產(chǎn)生大的旋渦區(qū)；在上游建筑物的頂部分離區(qū)和上游建筑物迎風(fēng)面近地面處，產(chǎn)生小的旋渦區(qū)。

（2）串列建筑物高度H1>H2。

速度矢量分布與上一種情況類似，但有所不同是，隨著兩建筑物之間的間距增大，兩建筑物建筑之間和下游建筑物背風(fēng)面發(fā)生回流的速度的絕對值變小。

速度流線兩等高建筑物的速度流線圖相似，都在上游建筑物的頂部產(chǎn)生小渦區(qū)，以及下游建筑背風(fēng)面和在兩建筑物之間產(chǎn)生大的渦區(qū)。

（3）串列建筑物高度H1

由速度矢量分布可知，它們速度分布圖都是在下游建筑物的頂部的速度最大，而在兩建筑物之間和下游建筑物后面，速度出現(xiàn)了負(fù)值。隨著兩建筑物之間的間距增大，上游建筑物迎風(fēng)面以及下游建筑物正方向的速度變大，而兩建筑物建筑之間和下游建筑物背風(fēng)面的發(fā)生回流的速度的絕對值變小。

在間距在臨界間距且相等的情況下，建筑物的高度不等且分布不一樣時，速度流場明顯有很大的區(qū)別，但在上游建筑迎風(fēng)面處速度流場大體一致。而在兩建筑物之間由于建筑高度的影響，速度流場發(fā)生明顯的變化，在等高時，兩建筑物之間形成規(guī)則的反向漩渦；在前高后低時，回旋漩渦從上游建筑物背風(fēng)面頂端一直延伸到下游建筑物迎風(fēng)面的底端，整個渦流非常明顯，作用在整個下游建筑物；而在前低后高時，建筑物之間的渦流對下游建筑物的影響較小。但在下游建筑物背風(fēng)面三種布局形式均會出現(xiàn)明顯的回流，以及在兩建筑物頂部都會看到有較小的回流漩渦。從而進一步證實建筑物的布局前低后高是較為符合空氣環(huán)境以及人性化的布局方式。在三種布局形式下，上游建筑迎風(fēng)面的風(fēng)速流場大體一致，在上游建筑迎風(fēng)面均會出現(xiàn)明顯的漩渦回流，在兩建筑物之間由于風(fēng)速流場在建筑物的影響作用下反向速度值均明顯小于進口風(fēng)速，這種低速回流在下游建筑物背風(fēng)面亦會出現(xiàn)，并且明顯可以看出此風(fēng)速一直延伸很遠的距離，甚于到達壓力壁面出風(fēng)口處。但在兩建筑物的左右兩側(cè)也會出現(xiàn)明顯的漩渦回流。