植物對(duì)街谷流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬與評(píng)價(jià)

周翌晨，付海明，楊　會(huì)

(東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620)

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植物對(duì)街谷流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬與評(píng)價(jià)

周翌晨，付海明，楊會(huì)

(東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620)

摘要：利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件對(duì)三維街谷模型進(jìn)行數(shù)值模擬，采用附加源項(xiàng)法模擬植物的多孔介質(zhì)特性，對(duì)街谷中種植樹木前后的流場(chǎng)變化進(jìn)行分析，并且從街谷中風(fēng)速分布變化、街區(qū)理想風(fēng)速比例及建筑周圍平均風(fēng)速3個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià). 結(jié)果表明：在兩種典型風(fēng)向下，街谷中的風(fēng)速在種植樹木后均有不同程度的降低，不合理極端風(fēng)速得到一定改善，可以認(rèn)為植物對(duì)降低風(fēng)速、穩(wěn)定流場(chǎng)、改善行人區(qū)舒適性有一定的意義；同時(shí)從降低建筑物周圍風(fēng)速、 減少墻面對(duì)流換熱的角度而言，種植樹木對(duì)降低建筑能耗也有一定意義.

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬； 街谷流場(chǎng)； 植物； 風(fēng)速； 舒適性

街谷(street canyon)是街區(qū)的最基本單元，其由兩排高大建筑物及中間空曠車道構(gòu)成，由于形如峽谷，故名為街谷.分析街谷的流場(chǎng)特性，對(duì)于研究整個(gè)街區(qū)甚至是城市區(qū)域都有一定意義[1].綠化布置被認(rèn)為是改善區(qū)域環(huán)境品質(zhì)的重要手段，植物的顏色和氣味可以大幅度提高人體對(duì)室外環(huán)境的滿意度和舒適感[2]，同時(shí)植物會(huì)對(duì)建筑物周圍的流場(chǎng)產(chǎn)生一定的影響，也可以捕集空氣中的塵粒.

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)已經(jīng)成為目前模擬科學(xué)研究的重要手段，其能全真模擬還原出現(xiàn)實(shí)狀態(tài)中區(qū)域的流場(chǎng)特點(diǎn).本文采用CFD軟件分別對(duì)道路兩旁栽種樹木和無樹木的街谷進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并從不同角度對(duì)街谷內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行分析評(píng)價(jià).

對(duì)于街谷中樹木模型的建立，由于還原真實(shí)狀態(tài)十分困難，經(jīng)過了很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的探索，近年來較多采用的是附加源項(xiàng)法.所謂附加源項(xiàng)法，即在動(dòng)量和湍流輸運(yùn)方程中采用附加源/匯項(xiàng)的方法，模擬植物的繞流效應(yīng).文獻(xiàn)[3]通過附加源項(xiàng)法修改動(dòng)量方程，并模擬了防風(fēng)柵對(duì)城市建筑局部風(fēng)環(huán)境的影響.文獻(xiàn)[4]利用附加源項(xiàng)法模擬了樹木對(duì)高層建筑局部風(fēng)環(huán)境的影響.文獻(xiàn)[5]采用附加源項(xiàng)法建立了用于城市污染物擴(kuò)散分析的樹木模型，并對(duì)意大利巴里地區(qū)一處典型街區(qū)進(jìn)行了案例分析.文獻(xiàn)[6]比較了RANS(Reynolds average Navier-Stokes)模型和LES(large eddy simulation)模型對(duì)于街谷研究的優(yōu)缺點(diǎn).文獻(xiàn)[7]評(píng)估了LES模型應(yīng)用于含植物的城市街谷中的表現(xiàn)，其中的植物模型均是使用附加源項(xiàng)法表現(xiàn)的.本文基于附加源項(xiàng)法的植物模型，通過不同角度對(duì)街谷中存在植物的流場(chǎng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，為植物改善室外風(fēng)環(huán)境提供理論支持.

1數(shù)值模擬

1.1模型介紹

本文采用兩種模型來分析不同風(fēng)向?qū)止攘鲌?chǎng)分布的影響，如圖1所示. 建筑物長(zhǎng)為100 m，寬為40 m，高為20 m，兩棟建筑物間隔為40 m；流域總長(zhǎng)為660 m，寬為400 m，高為140 m.本文中植物模型是基于常見的街道樹——香樟，由于其連續(xù)布置于街道兩側(cè)，故可近似為長(zhǎng)條形區(qū)域，將該區(qū)域簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)區(qū)域，長(zhǎng)為100 m，寬為4 m，高為4 m，離地高度為4 m，布置于街區(qū)內(nèi)中軸兩旁.建立坐標(biāo)系，風(fēng)沿著x軸正方向吹，高度方向?yàn)閦軸.

(a) 風(fēng)縱(豎)向吹過街谷

(b) 風(fēng)橫向吹過街谷

本文使用Ansys-ICEM軟件，用四面體網(wǎng)格劃分物理模型，對(duì)于建筑物及樹冠區(qū)域采用局部加密處理.使用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，湍流模型采用RNGκ-ε模型，壓力-速度耦合方程的解法采用SIMPLE算法.使用Tecplot后處理軟件進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)的采集，使用Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析.

1.2模擬設(shè)置

入口邊界使用UDS(user-defined funtions)編寫的指數(shù)風(fēng)函數(shù)描述速度入口條件，見式(1)，并根據(jù)氣象參數(shù)及文獻(xiàn)[8]，取參考高度z0=10 m時(shí)，平均風(fēng)速u(z0)為3.94 m/s.

(1)

式中：u(z)為高度為z處的平均風(fēng)速；z0為參考高度；α為地面粗糙指數(shù)(地面越粗糙，對(duì)氣流的滯留作用越明顯)，取α=0.3.

出口邊界采用流量出口邊界條件(outflow)，兩側(cè)和頂部采用對(duì)稱邊界條件(symmetry)，地面和建筑墻面采用無滑移邊界條件，粗糙度分別取0.005和0.002 m[9].

1.3控制方程及源項(xiàng)

流域內(nèi)的空氣為不可壓縮理想氣體.由于樹冠區(qū)復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，若進(jìn)行全真建模，對(duì)網(wǎng)格劃分以及模擬計(jì)算都是很大的考驗(yàn).因此，參照文獻(xiàn)[10-12]，本文的研究選擇用源項(xiàng)的形式描述速度及壓力的損失，表現(xiàn)樹冠的多孔介質(zhì)特性.以下給出涉及的控制方程及源項(xiàng).

連續(xù)性方程為

(2)

式中：ui為速度；xi為空間坐標(biāo)；i為方向角標(biāo)，可取1,2,3.

動(dòng)量方程為

(3)

(4)

湍動(dòng)能方程為

(5)

湍流耗散率方程為

(6)

式中：p為空氣壓力；ρ為空氣密度；νe為有效黏度；ν為運(yùn)動(dòng)黏度；νt為湍流黏度；σk和σε為普朗特?cái)?shù)；Cμ,Cε1,Cε2為無量綱常數(shù)(取值見表1)；S、Sk、Sε分別為動(dòng)量源項(xiàng)、湍流動(dòng)能源項(xiàng)和湍流耗散率源項(xiàng)，用于表現(xiàn)氣流流經(jīng)植物的樹葉樹枝后產(chǎn)生的變化，具體公式為

S=-ρCdA|u|ui

(7)

(8)

(9)

表1　各系數(shù)取值

1.4可靠性驗(yàn)證

對(duì)于樹冠模型可靠性驗(yàn)證，使用源項(xiàng)作為植物模型(樹高為h)，在與文獻(xiàn)[16]相同邊界條件下進(jìn)行模擬，得到了樹后垂直方向風(fēng)廓線，如圖2所示.由圖2可以看出，使用本文源項(xiàng)進(jìn)行數(shù)值模擬的結(jié)果趨勢(shì)與文獻(xiàn)[16]的研究結(jié)果基本一致，故本文中使用該源項(xiàng)表現(xiàn)植物對(duì)風(fēng)的阻力作用是可靠的.

圖2　模型驗(yàn)證Fig.2　Model validation

2街谷流場(chǎng)描述

對(duì)于風(fēng)縱向吹過街谷的流場(chǎng)，如圖3(a)所示，吹向建筑物的氣流受到建筑物的阻擋，其中一部分向下運(yùn)動(dòng)，之后遇到地面阻擋后產(chǎn)生與來流方向相反的氣流，形成渦流，于是在建筑物迎風(fēng)面前形成氣流滯留區(qū)；另一部分向上運(yùn)動(dòng)，最終在建筑物頂部逃逸.在建筑物的前端拐角處同樣也發(fā)生了分離，這些分離使局部位置獲得了較大的風(fēng)速，尤其是在冬季，會(huì)對(duì)行人產(chǎn)生極不舒適的感受.同樣，由于街谷的存在，前端拐角的分離氣流向街谷擠壓，使街谷區(qū)域成為高流速區(qū)域，并且當(dāng)街谷越窄時(shí)，該現(xiàn)象越明顯.當(dāng)氣流吹過建筑物后，在建筑物背風(fēng)面產(chǎn)生較大范圍的負(fù)壓區(qū)，在拐角處氣流發(fā)生分離，形成較大的渦流.

(b) 橫向吹過街谷

對(duì)于橫向吹過街谷的流場(chǎng)，如圖3(b)所示，迎風(fēng)建筑與縱向情況中的建筑相似，前端有部分氣流滯留區(qū)，拐角處流速增大.街谷中的氣流較為雜亂，主要來源是迎風(fēng)建筑背風(fēng)拐角處的渦流和從街谷頂部產(chǎn)生的繞流，街谷中的流場(chǎng)情況主要與街谷的寬度有關(guān).后部建筑物背風(fēng)側(cè)有較大的渦流區(qū)，該區(qū)域風(fēng)速偏低，易形成氣流死區(qū)，在夏季會(huì)造成悶熱等不舒適感.

圖4(a)和4(b)分別為離地1.5 m高度風(fēng)縱向吹過街道兩旁不含樹木和種植樹木的街谷形成的流場(chǎng)，左端為速度入口方向. 由圖4(a)和4(b)可知，街谷中栽種樹木后，行人高度1.5 m處風(fēng)速普遍低于不含樹木的街谷，局部區(qū)域的風(fēng)速有較大改善.圖4(c)和4(d)分別為離地1.5 m高度風(fēng)橫向吹過街道兩旁不含樹木和種植樹木的街谷形成的流場(chǎng)，產(chǎn)生的現(xiàn)象和風(fēng)縱向吹過街谷類似.不同之處在于當(dāng)風(fēng)縱向吹過街谷時(shí)，樹木對(duì)街谷中風(fēng)速的削弱作用強(qiáng)于風(fēng)橫向吹過街谷.

(a) 無樹，縱向，z=1.5 m

(b) 有樹，縱向，z=1.5 m

(c) 無樹，橫向，z=1.5 m

(d) 有樹，橫向，z=1.5 m

3對(duì)街谷周圍流場(chǎng)的評(píng)價(jià)方法

(1) 沿街谷中軸速度分布及街谷中心垂直方向速度分布.取街谷中軸1.5 m高度水平方向，觀察種樹前后風(fēng)速分布變化；取街谷中心處垂直方向，觀察種植樹木前后風(fēng)速分布變化.該數(shù)據(jù)可以直接反映樹木對(duì)于來流強(qiáng)風(fēng)的阻擋效果.

(2) 流速特性分布指標(biāo). 與空氣分布特性指標(biāo)(ADPI)類似，該指標(biāo)是所有樣本點(diǎn)中理想風(fēng)速樣本點(diǎn)所占的比例.小于5 m/s的風(fēng)速被認(rèn)為是舒適風(fēng)速[17]，而理想風(fēng)速應(yīng)比舒適風(fēng)速要求更高，由于夏季室外風(fēng)速過小會(huì)給人造成悶熱的感覺，故本文中的理想風(fēng)速取1～4 m/s，即小于1 m/s和大于4 m/s 的風(fēng)速被認(rèn)為是不理想風(fēng)速.該指標(biāo)可以反映種植樹木前后流場(chǎng)對(duì)行人舒適度的影響.

(3) 墻面平均風(fēng)速. 取距離墻面1 m位置的切面作為參考面，計(jì)算該面上所有樣本點(diǎn)風(fēng)速的平均值.該參數(shù)主要反映建筑物墻面上的風(fēng)速大小，這對(duì)于建筑能耗有很大意義，尤其是在冬季，建筑物周圍的風(fēng)速直接影響墻面與空氣的對(duì)流換熱，從而影響建筑物室內(nèi)的熱負(fù)荷.因此，降低建筑物周圍的平均風(fēng)速可以間接降低建筑能耗.

4模擬結(jié)果與評(píng)價(jià)分析

4.1風(fēng)速分布對(duì)比

4.1.1街谷中軸1.5 m高度水平方向風(fēng)速分布

街谷中種植樹木和不含樹木兩種情形下繪制水平方向風(fēng)速分布曲線如圖5所示.由圖5(a)可知，由于街口的構(gòu)造使風(fēng)速產(chǎn)生驟升，但隨后逐漸降低.不同的是，不種植樹木時(shí)，風(fēng)速隨后的趨勢(shì)是先減小后增大，結(jié)合圖4(a)可知，風(fēng)速增大的原因可能是拐角的高速氣流在街區(qū)后半段產(chǎn)生的影響.而種植樹木時(shí)，這些高速氣流由于樹木阻擋，風(fēng)速逐漸減小.將圖5(a)中兩曲線對(duì)比可知，種植樹木時(shí)風(fēng)速均小于不種植樹木，可見樹木對(duì)于氣流的阻擋作用明顯，整個(gè)街區(qū)的后部氣流平穩(wěn)舒適. 由圖5(b)可知，氣流在街口位置發(fā)生分離，在建筑物后的街區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了渦流，由于兩邊都有街口，氣流進(jìn)入街區(qū)后會(huì)發(fā)生碰撞和混合，加之湍流運(yùn)動(dòng)本身具有很大的波動(dòng)性和不穩(wěn)定性，因此氣流橫向吹過街谷的情況下流場(chǎng)比較復(fù)雜和隨機(jī)，并沒有很好的對(duì)稱性，這在之前的流場(chǎng)描述中已有提到.但是對(duì)比種植和不種植樹木兩種情況，依然能夠看出在種植樹木的情況下，相同位置處風(fēng)速要低于不種植樹木的情況.

(a) z=1.5 m，y=200 m，縱向

(b) z=1.5 m，x=210 m，橫向

4.1.2街谷中心垂直方向風(fēng)速分布

街谷中種植樹木和不種樹木兩種情形下繪制垂直方向風(fēng)速分布曲線如圖6所示.從圖6(a)和6(b)可知，不管是縱向還是橫向，種植樹木情況下的風(fēng)速均小于不種植樹木的情況.不同的是，氣流縱向吹過街谷時(shí)，風(fēng)速的趨勢(shì)比較單一，基本是逐漸增加的.植物存在時(shí)增加速度較慢，氣流較為穩(wěn)定，可以明顯看出樹木對(duì)于氣流的阻擋作用.而對(duì)于氣流橫向吹過街谷的情況，風(fēng)速的變化隨著高度變化較為復(fù)雜，這與街谷內(nèi)存在較多渦流有關(guān)，并且在高度較大的區(qū)域，但植物的存在依然可以對(duì)風(fēng)速產(chǎn)生影響.

(a) x=210 m，y=200 m，縱向

(b) x=210 m，y=200 m，橫向

4.2流速特性分布指標(biāo)

由于植物的存在不僅僅只作用于街區(qū)內(nèi)部，還對(duì)上下游建筑物周圍流場(chǎng)有影響.因此將統(tǒng)計(jì)區(qū)域擴(kuò)大，選取街區(qū)及建筑物周圍10 m范圍作為統(tǒng)計(jì)區(qū)，水平高度依然是行人高度1.5 m(即z=1.5 m平面上街谷及離建筑物10 m內(nèi)的所有樣本點(diǎn)，要求選取的樣本點(diǎn)分布均勻).統(tǒng)計(jì)整個(gè)平面內(nèi)的所有樣本點(diǎn)，整理得到表2.由表2可知，當(dāng)氣流縱向吹過街谷且無種植樹木時(shí)，共有16 882個(gè)模擬樣本點(diǎn)被統(tǒng)計(jì)，平均風(fēng)速為2.82 m/s，理想風(fēng)速的模擬樣本點(diǎn)有14 560個(gè)，占總體的86.25%，即有86.25%的樣本點(diǎn)風(fēng)速較為理想.統(tǒng)計(jì)植物存在時(shí)的模擬結(jié)果，模擬樣本點(diǎn)還是16 882個(gè)，平均為2.38 m/s，理想風(fēng)速樣本點(diǎn)的個(gè)數(shù)有15 242，占了90.29%，比不種植樹木時(shí)提高了4.1%.由此可見，種植樹木有改善不合理風(fēng)速的效果.

表2　理想風(fēng)速統(tǒng)計(jì)

在氣流橫向吹過街谷時(shí)，效果則不太明顯.平均風(fēng)速在種植樹木后減少了0.21 m/s，理想風(fēng)速的比例只從原先的81.46%提高到了81.90%，改善的幅度很有限.這是由于風(fēng)并沒有直接吹過樹木，大部分流過樹木的氣流是建筑物兩側(cè)和頂部形成的渦流，因此植物對(duì)于氣流的改善作用就會(huì)小得多.

4.3墻面平均風(fēng)速對(duì)比

取距建筑物墻面(包括屋面)1 m位置作為參考面(即墻面向外平移1 m后得到的面)，分別編號(hào)1,

2,…，20，共20個(gè)面.統(tǒng)計(jì)參考面上所有點(diǎn)的風(fēng)速值，取該參考面風(fēng)速的平均值作為對(duì)應(yīng)墻面的平均風(fēng)速值.縱向和橫向模型中參考面編號(hào)與墻面的對(duì)應(yīng)關(guān)系分別如圖7所示.

(a) 縱向　(b) 橫向

縱向情況墻面平均風(fēng)速值數(shù)據(jù)如表3所示. 由表3可知，當(dāng)氣流縱向吹過街谷時(shí)，種植樹木后，墻面3和6上的平均風(fēng)速均有0.5 m/s左右的降低，其余墻面沒有較大影響.同樣地，橫向情況墻面平均風(fēng)速值數(shù)據(jù)如表4所示. 由表4可知，當(dāng)風(fēng)橫向吹過街谷時(shí)，在墻面14、17、20處種樹木后風(fēng)速均有0.4 m/s左右的降低，其余墻面速度變化可以忽略不計(jì).

表3　縱向情況墻面平均風(fēng)速值

表4　橫向情況墻面平均風(fēng)速值

結(jié)合表3和4以及圖7可以看出，平均風(fēng)速有所降低的墻面都是與植物最接近的墻面，墻面20是由于受到從街谷中向上逃逸氣流的影響，因此也有所降低.因此，可以認(rèn)為若在每個(gè)墻面附近均種植樹木，墻面的平均風(fēng)速均會(huì)降低，而墻體表面風(fēng)速的降低對(duì)于冬季降低建筑物墻體的對(duì)流換熱有很大的意義，一定程度上可以降低建筑能耗.

5結(jié)語(yǔ)

本文提出了3個(gè)針對(duì)大空間流場(chǎng)中行人區(qū)舒適性的評(píng)價(jià)角度，并運(yùn)用CFD數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，得到以下結(jié)論：

(1) 不管是氣流縱向吹過街谷還是橫向吹過街谷，從水平及垂直速度分布情況均可以看出，植物對(duì)氣流有一定阻擋作用，可以在一定程度上降低風(fēng)速.縱向情況下樹木對(duì)氣流的阻擋作用更明顯，對(duì)街谷中的環(huán)境改善也較為明顯，并且這一改善作用會(huì)持續(xù)到街谷尾部之后的區(qū)域.

(2) 從理想風(fēng)速比例角度，縱向情況下植物對(duì)于建筑周圍氣流環(huán)境的改善作用更為明顯，理想風(fēng)速比例由86.25%提高到90.29%，橫向情況下提高的幅度相對(duì)較弱，這與街谷內(nèi)部復(fù)雜的氣流狀況有關(guān).

(3) 值得注意的是，對(duì)于建筑物墻面上的平均風(fēng)速，不管縱向還是橫向情況下，種植樹木后均有所降低，最高降幅可達(dá)20%左右，這對(duì)于冬季降低建筑能耗有一定意義.當(dāng)然，根據(jù)種植樹木的種類及種植密度的不同，降低的程度和改善的效果會(huì)有所不同.

綜上所述，不管風(fēng)向如何，在街谷中種植樹木對(duì)于改善行人區(qū)舒適性有一定的意義.本文旨在證明植物對(duì)于街谷流場(chǎng)的影響，也許某些風(fēng)向情況下效果并不明顯，但是依然可以通過增加綠化率或是種植葉面積密度較大的植物來加強(qiáng)植物對(duì)流場(chǎng)的影響.

需要指出的是，雖然本文研究的是樹木改變流場(chǎng)以達(dá)到改善人體舒適性的目的，但是樹木對(duì)人體舒適性的改善主要來源還是其對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收和對(duì)熱環(huán)境的改善.另一方面，本文中的街谷模型只是眾多街谷樣式中的一種，實(shí)際情況下，由于街谷兩旁的建筑物高度、兩邊的對(duì)稱程度、上游建筑的布局以及樹木的布置位置等影響，都會(huì)形成更加復(fù)雜的流場(chǎng).另外，本文中的部分情況有一定的特殊性，例如樹木四季的變化引起葉面積密度的變化，冬季時(shí)可能并沒有那么理想的效果，更深入的分析還有待之后的課題研究.

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文章編號(hào)：1671-0444(2016)03-0419-07

收稿日期：2015-05-25

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41371445)

作者簡(jiǎn)介：周翌晨(1990—)，男，浙江紹興人，碩士研究生，研究方向?yàn)橥L(fēng)空調(diào)與氣體凈化.E-mail：zyc427@126.com 付海明(聯(lián)系人)，男，高級(jí)工程師，E-mail：fhm@dhu.edu.cn

中圖分類號(hào)：S 731.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Numerical Simulation and Evaluation of Flow Field of the Street Canyon with Plants

ZHOUYi-chen,FUHai-ming,YANGHui

(School of Environmental Science and Engineering,Donghua University, Shanghai 201620, China)

Abstract:Based on the CFD(computational fluid dynamics)method, using additional source term,3D numerical calculation was used to simulate air flow in street canyon to study the influence of plants in the street canyon.The flow field of street with plants was analyzed and evaluated on three aspects, including wind speed in street, the ideal wind velocity distribution performance index and the average wind speed around the buildings.The results indicate that street with plants can reduce wind speed and improve pedestrian comfort in different wind directions cases. And from the perspective of reducing the wind speed around the buildings and convective heat transfer of the wall, planting trees is significant for reducing building energy consumption in the winter.

Key words:numerical simulation; flow field of street canyon; plants; wind velocity; comfort