應(yīng)用CFD模擬城市街區(qū)內(nèi)風(fēng)場變化規(guī)律

余文馨，曹宗政，梅　梅

（1.重慶華地工程勘察設(shè)計院（重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院），重慶400000；2.中冶賽迪重慶環(huán)境咨詢有限公司，重慶400000）

應(yīng)用CFD模擬城市街區(qū)內(nèi)風(fēng)場變化規(guī)律

余文馨1，曹宗政2，梅梅1

（1.重慶華地工程勘察設(shè)計院（重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院），重慶400000；2.中冶賽迪重慶環(huán)境咨詢有限公司，重慶400000）

城市環(huán)境下的大氣污染物擴散由復(fù)雜建筑物結(jié)構(gòu)周圍的風(fēng)場所控制。本研究利用CFD以某城市市區(qū)內(nèi)一段城市街區(qū)為研究對象，建立物理模型與三維湍流模型，模擬出不同幾何結(jié)構(gòu)的城市街區(qū)在不同風(fēng)速下街區(qū)內(nèi)風(fēng)場的氣流變化規(guī)律。模擬結(jié)果對于研究城市街區(qū)內(nèi)建筑布局、道路建設(shè)、交通規(guī)劃和交通控制、污染控制等方面都具有重要意義。

城市街區(qū)；風(fēng)場；數(shù)值模擬；CFD

1　引言

城市環(huán)境下的大氣污染物擴散由復(fù)雜建筑物結(jié)構(gòu)周圍的風(fēng)場所控制。風(fēng)的“下洗”和由于建筑物存在而導(dǎo)致的氣流湍流度增加，不僅強烈影響平均風(fēng)場，也影響到擴散參數(shù)。一種典型的建筑物結(jié)構(gòu)布局形態(tài)就是城市街區(qū)——兩旁都有連續(xù)、高大建筑物的相對狹長的街道空間。因為城市街區(qū)所具有的獨特結(jié)構(gòu)、特殊下墊面和微氣候特征，所以導(dǎo)致了近地逆溫層的形成，造成局地高濃度的大氣污染。本文以某城市主城區(qū)的一段街區(qū)為研究背景，建立一個三維城市街區(qū)模型，該模型可以呈現(xiàn)出不同幾何結(jié)構(gòu)、建筑群結(jié)構(gòu)形狀的街區(qū)，然后在不同溫度、氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向下模擬街區(qū)內(nèi)風(fēng)場的氣流流動情況，從而研究街道幾何結(jié)構(gòu)、建筑群結(jié)構(gòu)形狀綜合對街道微環(huán)境風(fēng)場的影響，從而為可持續(xù)發(fā)展的合理街區(qū)規(guī)劃提供依據(jù)。

2　模型的建立

本文選取的一段街區(qū)由三條道路組合而成，其中兩條道路互相垂直分布，第三條道路與水平布設(shè)的道路相接，且兩條道路的夾角約為135°。具體布設(shè)情況是：水平布設(shè)的街區(qū)寬15m，長約160m，道路兩側(cè)建筑物高度在18～30m之間，整個街區(qū)呈現(xiàn)對稱型幾何結(jié)構(gòu)；垂直布設(shè)的街區(qū)寬20m，長約170m，道路兩側(cè)建筑物高度在18～45m之間，整個街區(qū)呈現(xiàn)狹長型幾何結(jié)構(gòu)；傾斜布設(shè)的街區(qū)寬15m，長約100m，道路兩側(cè)建筑物高度在12～15m之間，整個街區(qū)呈現(xiàn)開闊型幾何結(jié)構(gòu)，效果圖如圖1所示。

圖1　模型區(qū)三維立體效果圖

3　模型的建立及網(wǎng)格劃分

本次研究城市街區(qū)風(fēng)場模擬區(qū)域邊界設(shè)定為：模擬區(qū)域上風(fēng)側(cè)為建筑物高度的2倍，即距離上方第一排建筑物120m；下風(fēng)側(cè)為建筑物高度的4倍，即距離下方最后排建筑物240m；兩側(cè)寬度為建筑物寬度的1/2，即距離兩側(cè)最近的建筑物30m；空間高度為建筑物最高高度的2倍，即距離下方最后排建筑物120m。

在保證準(zhǔn)確的模型尺寸后，直接在GAMBIT軟件中建立幾何模型，然后設(shè)定邊界層，網(wǎng)格長度定為3m，最終網(wǎng)格總數(shù)為255394，效果圖如圖2所示。

圖2　6.4m/s下風(fēng)壓和風(fēng)速分布圖

4　數(shù)學(xué)模型

本文在進(jìn)行CFD模擬中求解器中的基本物理模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[1]，使用耦合求解器，同時采用壁面函數(shù)法對街區(qū)內(nèi)建筑物的近壁區(qū)進(jìn)行處理，從而對風(fēng)場進(jìn)行模擬研究。

5　邊界條件

本次設(shè)定的邊界條件僅僅設(shè)定流動進(jìn)口處的流動速度和其他相關(guān)的標(biāo)量型流動變量。對于可壓縮流動問題時會使得入口處的總溫度和總壓有一定程度的波動，導(dǎo)致非物理結(jié)果，所以可壓縮流問題不適合采用速度進(jìn)口邊界條件。本研究中采用以velocity inlet為來流面邊界，自由出口為出流面邊界[2～3]。

在本文中城市街區(qū)的來流面邊界條件定位：分別取全年月均最大風(fēng)速6.4m/s，氣壓97.9kPa，溫度21.1℃，主要風(fēng)向為ES；再取全年月平均最小風(fēng)速0.2m/s，氣壓97.4kPa，溫度32℃，主要風(fēng)向為ES。出流面即值得是模型下風(fēng)向區(qū)域，此處的邊界條件（outflow）假設(shè)出流面上流動已充分發(fā)展，邊界條件按自由出口設(shè)定。街區(qū)內(nèi)的壁面邊界條件（wall）指的是街區(qū)兩側(cè)建筑物的壁面，以及整個模型中上空離建筑物壁面較遠(yuǎn)的上界面。在此處設(shè)定的邊界條件中首先要確定其來流風(fēng)速為水平方向，速度沿切線方向的梯度為零。對于街區(qū)兩側(cè)的建筑物表面和街區(qū)內(nèi)地面，均采用無滑移（No Slip）的壁面條件。

6　模擬結(jié)果與分析

根據(jù)風(fēng)場矢量圖中的風(fēng)速分布情況，可以得出以下結(jié)果：

（1）當(dāng)街區(qū)與來流風(fēng)相交時，建筑物的連排分布對街區(qū)內(nèi)風(fēng)壓分布的影響較大。在迎風(fēng)面上，風(fēng)的部分動能變?yōu)殪o壓，使迎風(fēng)面的壓力大于大氣壓力，形成正壓區(qū)；而在背風(fēng)面因受到的壓力小于大氣壓，故形成負(fù)壓區(qū)。在街區(qū)模型中建筑物的拐角處正壓會達(dá)到最大值，而街區(qū)內(nèi)下風(fēng)向側(cè)的排建筑物經(jīng)過街區(qū)另外一側(cè)上風(fēng)向處建筑物的阻擋使風(fēng)速減小，使街區(qū)內(nèi)下風(fēng)向側(cè)的建筑的表面風(fēng)壓均較小。模擬結(jié)果顯示，在由于建筑物圍成的街區(qū)內(nèi)各大都處于低負(fù)壓控制，故在此區(qū)的空氣一般會處于渦流狀態(tài)。

（2）當(dāng)街區(qū)平行于來流風(fēng)時，由于在街區(qū)內(nèi)沒有建筑物的阻擋，因此風(fēng)壓變化不大。

（3）風(fēng)速直接影響著污染物在街區(qū)中的擴散快慢，根據(jù)上述中風(fēng)速矢量圖的結(jié)果可看出：當(dāng)街區(qū)平行于來流風(fēng)時由于街區(qū)內(nèi)沒有建筑物的阻擋，故來風(fēng)在街區(qū)中風(fēng)向不會發(fā)生改變，僅在街區(qū)入口處因建筑物拐角的影響，使風(fēng)速在各自的拐角處達(dá)到最大值，而后逐漸減小，趨于大于入口速度的一個穩(wěn)定值，速度方向均由西向東，基本不變。

較復(fù)雜的情況便是當(dāng)街區(qū)垂直于來流風(fēng)時和與來流風(fēng)成一定斜角時，由于迎風(fēng)面建筑物的阻礙作用以及前后建筑物高度的差異會對風(fēng)速和風(fēng)向產(chǎn)生較大影響，從而也使得街區(qū)內(nèi)的流場分布也因此而變得相對復(fù)雜。下面作者就該情況作出以下較詳細(xì)的分析：

①在迎風(fēng)面由于街區(qū)兩側(cè)建筑物的阻礙作用，尤其是在垂直于來風(fēng)方向的街區(qū)模型中左上側(cè)尖角和左下側(cè)拐角處，氣流發(fā)生了顯著的分離，同時在近地面產(chǎn)生了停止環(huán)流現(xiàn)象。同時在街區(qū)兩側(cè)建筑物頂部產(chǎn)生了氣流回流現(xiàn)象。還可以看到，在街區(qū)兩側(cè)的建筑物頂部尖角處均產(chǎn)生逆與來流的氣流，從而使得在街區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了雙渦環(huán)流現(xiàn)象。而在該街區(qū)的下方，由于此處的建筑物有明顯的倒角結(jié)構(gòu)，使其避免了漩渦的產(chǎn)生。

②在街區(qū)兩側(cè)某些高大建筑物之間會有一定距離，便形成了“管狹”。本次模型中，在迎風(fēng)面處存在有兩個這樣顯著的“管狹”。可以看到，在來流風(fēng)進(jìn)入該“管狹”后風(fēng)速明顯增大許多，如此便形成了城市中的“管狹風(fēng)”，同時其分別在各自的建筑物的兩側(cè)產(chǎn)生漩渦。而在右側(cè)背風(fēng)面同樣的“管狹”入口處，因來流風(fēng)經(jīng)過回流后速度已降低，故風(fēng)速度變化不大，處于低速區(qū)。

③在該模型中與來流風(fēng)呈一定傾斜角度的街區(qū)，由于在設(shè)計時是按照開闊型街區(qū)的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計的，即建筑物高度小于街區(qū)寬度?？梢钥闯?，風(fēng)場在這種街區(qū)內(nèi)風(fēng)速變化并不大，整個流場分布較平穩(wěn)，沒有產(chǎn)生環(huán)流、漩渦、管狹風(fēng)等現(xiàn)象?？梢婇_闊型街區(qū)有利于污染物地擴散。

7　結(jié)論

通過以上分析，可得出如下結(jié)論：

（1）氣流在街區(qū)建筑物拐角處風(fēng)速呈射流狀地繞過建筑的頂面及兩側(cè)面，然后風(fēng)速會突然地增大很多，同時誘導(dǎo)背風(fēng)面的氣流形成了旋渦。

（2）兩建筑物相距較近時形成了“管狹”，氣流會從該狹縫中穿過，從而氣流到達(dá)建筑物背風(fēng)側(cè)的街區(qū)內(nèi)，風(fēng)速不僅不會降低反而明顯增大，也可稱該現(xiàn)象為“抽風(fēng)效應(yīng)”。

（3）因為街區(qū)上風(fēng)向側(cè)建筑物產(chǎn)生的阻擋作用使得氣流在運動過程中在爬升越過該處的建筑物時在后方出現(xiàn)一個尾流區(qū)，根據(jù)風(fēng)速高的區(qū)域湍流強度小，而低速區(qū)域湍流強度大這一規(guī)律，尾流區(qū)內(nèi)的風(fēng)速會相對較低，所以便在街區(qū)建筑物背風(fēng)面處形成低風(fēng)速區(qū)。而當(dāng)來流風(fēng)向建筑物吹來時，因為建筑物的阻擋使來流風(fēng)的氣流沿著建筑物向上爬升，并且在建筑物附近形成了靜駐漩渦，這樣又使得街區(qū)迎風(fēng)面?zhèn)鹊慕ㄖ锔浇伯a(chǎn)生了低風(fēng)速區(qū)。另外由于氣流分離作用及建筑物誘生的二次流作用，尾流區(qū)內(nèi)速度虧損，湍強增強，兩者共同作用使建筑物背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)風(fēng)速的低值區(qū)，且越靠近建筑物地面處風(fēng)速越低。

[1]江 帆，黃 鵬.Fluent高級應(yīng)用與實例分析[D].北京：清華大學(xué)，2008.

[2]王 超，邱衛(wèi)國，李文孟，黃遠(yuǎn)東，呂 品.城市帶廊道街道峽谷內(nèi)氣流運動及污染物擴散的數(shù)值研究沈陽建筑大學(xué)學(xué)報，2006，22（5）：782～786.

[3]蔣維嵋，苗世光，劉紅年.城市街區(qū)污染散布的數(shù)值模擬與風(fēng)洞實驗的比較分析.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2003，23（5）：652～656.

Application of CFD to Simulation ofWind Field Variation in Urban Blocks

Yu Wenxin1，Cao Zongzheng2，MeiMei1
（1.Chongqing InstituteofGeologyand MineralResources，Chongqing400000；2.ChongqingCCIDEnvironmentalConsultingCo.，Ltd.Chongqing400000）

Urban environment of the atmospheric pollutants spread by complex structure around the wind place control.This study uses the CFD in city,sometime city streets as the research object，the establishment of physicalmodel and three-dimension turbulentmodel，simulate different geometric structure in the city streets under differentwind speed of air flow.the simulation results in the research of urban streets for the architectural layout，road construction，transportation planning and traffic control，pollution control is very significant.

City streets；Flow-field distribution；Numerical simulation；CFD

TM614

A

2095-2066（2016）31-0011-02

2016-10-23