被上游建筑遮擋的下游建筑表面風(fēng)壓CFD模擬的可靠性研究

付琳莉　殷維　王天文　郝小禮　劉何清　張國(guó)強(qiáng)　陳翚

摘 要：研究城市通風(fēng)或建筑風(fēng)環(huán)境的主要目的是探索建筑之間和建筑內(nèi)外的氣流運(yùn)動(dòng)及污染物擴(kuò)散規(guī)律，主要手段有風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬，后者相對(duì)前者的優(yōu)點(diǎn)是易操作且成本低，但由于流體運(yùn)動(dòng)的高度不確定性，其結(jié)果的準(zhǔn)確性存疑。在城市中，建筑之間的互相遮擋是主要特征之一，提取其中最基本單元，把兩個(gè)建筑之間的遮擋問(wèn)題分為上游建筑有孔（如穿堂風(fēng)）與無(wú)孔兩種情況，運(yùn)用CFD中的雷諾平均模型（RANS）模擬下游建筑表面的風(fēng)壓，并與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)進(jìn)行嚴(yán)格對(duì)比，以討論CFD方法在這一基本單元問(wèn)題中的可靠性。網(wǎng)格敏感性分析顯示，建筑表面最小網(wǎng)格為建筑高度的2%時(shí)，可獲得可靠的結(jié)果。5種常用RANS模型的結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格對(duì)比表明：RANS模型對(duì)模擬上游有孔遮擋的可靠性明顯高于模擬無(wú)孔遮擋;RANS模型對(duì)于建筑上部的風(fēng)壓模擬結(jié)果普遍好于建筑下部;其中，SST k-ω模型準(zhǔn)確性最高，在上游有孔時(shí)，平均誤差11%，上游無(wú)孔遮擋時(shí)，則為16%。

關(guān)鍵詞：城市通風(fēng);建筑遮擋;風(fēng)壓;計(jì)算流體動(dòng)力學(xué);風(fēng)洞

中圖分類號(hào)：TU119 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-6717（2020）01-0180-11

Abstract：Urban ventilation or wind environment focus on the air flow distribution and pollution dispersion which are studied by the tools of wind tunnel and computational fluid dynamics （CFD） simulation. The latter is easy to be employed， but its reliability is under suspicion due to the high uncertainty of air stream. In the city， the sheltering among buildings affects each other in air flow， and the basic element is the two-building model. Shade problem between the two buildings are divided into upstream building with a hole （such as drafts） with no hole two situations， Reynolds average model of using CFD （RANS） simulation of wind pressure on the surface of the building downstream， and compared with wind tunnel experiments are strictly， to discuss the CFD method in question the reliability of the basic unit. The analysis of grid sensitivity states that the smallest side length of the cell around 2% of building height is sufficient to obtain steady results. The comparison of five typical RANS model presents： the reliability of RANS model to the upstream with hole occlusion was significantly higher than that of simulation without hole occlusion; estimations on upper parts of building are more accurate than on lower parts; the SST k-ω model can acquire best results with error of 11% in porous interfering building， and with 16% in sealed one， in comparison of experimental data.

Keywords：urban ventilation; building sheltering; wind pressure; computational fluid dynamics （CFD）; wind tunnel

研究城市通風(fēng)或建筑風(fēng)環(huán)境的主要目的是探索建筑之間和建筑內(nèi)外的氣流運(yùn)動(dòng)及污染物擴(kuò)散規(guī)律，例如，自然通風(fēng)是其中主要研究?jī)?nèi)容之一[1]。建筑間氣流的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量存在不穩(wěn)定性、多樣性等特點(diǎn)，而風(fēng)洞手段結(jié)合簡(jiǎn)化建筑模型，能夠得到相對(duì)穩(wěn)定可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[2-4]。另一方面，越來(lái)越多的研究人員運(yùn)用更為方便和低成本的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD）來(lái)研究此類問(wèn)題，其中，建筑內(nèi)外的氣流耦合模擬成為研究熱點(diǎn)[5-7]。

Straw等[6]的通風(fēng)研究表明，與測(cè)量的體積流速（偏差為28%～32%）相比，壓力系數(shù)與孔口方程的結(jié)合使用，并不能較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)體積流速，當(dāng)存在（大）開(kāi)口時(shí)，其壓力系數(shù)與同一主體上的壓力分布不對(duì)應(yīng)。對(duì)于自然通風(fēng)的研究，Kavara等[3]針對(duì)一個(gè)單區(qū)兩開(kāi)口的一般性模型進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，研究分為兩對(duì)稱墻上開(kāi)洞與側(cè)墻上開(kāi)洞兩種情況。結(jié)果表明，經(jīng)典的伯努利方程計(jì)算出的氣流流量公式與實(shí)際情形相差較大，建筑之間的遮擋會(huì)極大地削弱自然通風(fēng)的效果，兩個(gè)建筑的互相遮擋是其最簡(jiǎn)單的形式。在現(xiàn)有遮擋研究中，主要討論兩建筑之間水平方向、垂直方向?qū)ㄖ奢d的影響[8-10]。基于Kavara等[3]的研究，Tominaga等[11-12]在相同模型下進(jìn)一步探討了污染物擴(kuò)散情況，此外，還討論了建筑周邊無(wú)遮擋和有遮擋兩種情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)周邊有遮擋建筑時(shí)，穿過(guò)建筑的氣流量將下降30%，但Tominaga等僅研究了單區(qū)間建筑內(nèi)部穿堂風(fēng)的分布規(guī)律。Van Hooff等[13]基于Tominaga等[11]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)無(wú)遮擋的情況，運(yùn)用CFD方法進(jìn)行了模擬研究。結(jié)果顯示，所有的雷諾平均模型（Reynolds Average Navier-Stokes，簡(jiǎn)稱RANS）可以較好地模擬建筑內(nèi)部的氣流場(chǎng)，卻無(wú)法較好地模擬湍流動(dòng)能分布，而大渦模型（Large Eddy Simulation，簡(jiǎn)稱LES）則可以較好地模擬出所有參數(shù)，包括速度、湍流動(dòng)能和換氣量。但Smal[14]針對(duì)Tominaga等[12]的有遮擋情況，運(yùn)用穩(wěn)態(tài)雷諾平均NS方程模型與非穩(wěn)態(tài)雷諾平均NS方程（RANS與URANS）進(jìn)行了模擬。結(jié)果顯示，所有模型所得到的速度和湍流度模擬結(jié)果都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吻合度較差，只有RSM湍流模擬出的室內(nèi)氣流的風(fēng)向與實(shí)驗(yàn)相一致。

以上研究表明，CFD模擬對(duì)于有遮擋后方的氣流預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性較差，且未討論上游建筑有孔時(shí)對(duì)下游建筑的影響，即未見(jiàn)穿堂風(fēng)對(duì)下游建筑表面壓力的影響。針對(duì)上游建筑為有孔遮擋與無(wú)孔遮擋兩種遮擋情形，將CFD模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格對(duì)比，探究在提高模擬可靠性的同時(shí)，降低計(jì)算硬件要求與時(shí)間成本。

1 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.1 研究方案與模型

為了避免由實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮斐傻膶?shí)驗(yàn)誤差，上游與下游建筑采用與Karava等[3]相似的建筑模型，與Tominaga等[11]實(shí)驗(yàn)中的模型尺寸完全相同，與真實(shí)建筑比例為1∶100，上下游兩個(gè)建筑的外形尺寸都為W×D×H=0.2 m×0.2 m×0.16 m，兩建筑間的距離固定為2倍建筑寬度（0.4 m）。只討論一個(gè)來(lái)流風(fēng)向——垂直于上游建筑迎風(fēng)面。實(shí)驗(yàn)對(duì)象分為兩組：1）有孔遮擋，上游建筑為中空，且迎風(fēng)面與背風(fēng)面各有一個(gè)相同面積與位置的對(duì)稱開(kāi)口，開(kāi)口位置位于迎風(fēng)面和背風(fēng)面中心，高度h=80 mm，開(kāi)口面積為3.3×10-3 m2;2）無(wú)孔遮擋，上游建筑同為中空建筑，但建筑各表面無(wú)開(kāi)口，為封閉模型。兩組實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。壓力系數(shù)測(cè)量點(diǎn)布置于下游建筑表面，建筑模型測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示。

1.2 風(fēng)洞設(shè)置

風(fēng)洞為一座水平直流吸入式單試驗(yàn)段低速風(fēng)洞，風(fēng)洞試驗(yàn)段長(zhǎng)21 m、高3 m、寬4 m，使用尖頂和表面粗糙度的組合來(lái)創(chuàng)建近似3類大氣邊界層的流動(dòng)風(fēng)剖面。來(lái)流風(fēng)平均速度服從冪指數(shù)為0.25的函數(shù)公式，見(jiàn)式（1）。

4 CFD模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對(duì)比

4.1 上游遮擋建筑有孔情形

研究有孔遮擋時(shí)5類RANS模型的可靠性，定義下游建筑頂部為A，迎風(fēng)面為B，來(lái)流風(fēng)向左側(cè)為C，來(lái)流風(fēng)向右側(cè)為E，下游建筑背風(fēng)面為D，展開(kāi)圖如圖10所示。將模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，得到有孔遮擋時(shí)下游建筑表面平均風(fēng)壓系數(shù)的中位背脊線及距地1/4、1/2與3/4建筑高度的腰周線，如圖11所示。其中，Exp1、Exp2為兩次有孔遮擋風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)下游建筑表面風(fēng)壓系數(shù)。為減少風(fēng)速對(duì)結(jié)果的影響，將5類模型的面平均壓力系數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即每個(gè)面的風(fēng)壓系數(shù)與5個(gè)面的平均風(fēng)壓系數(shù)的比值（等于下游建筑所有測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)），再與實(shí)驗(yàn)值比較，得到的數(shù)值誤差見(jiàn)表1。表1中Exp1與Exp2分別為上游有孔遮擋風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的第1次與第2次實(shí)驗(yàn)平均風(fēng)壓系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值結(jié)果。

對(duì)比有孔遮擋的不同模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：

1）圖11（a）背脊線結(jié)果表明，SKE模型在迎風(fēng)面（1～9號(hào)測(cè)點(diǎn)）明顯高估于實(shí)驗(yàn)值，RSM模型在迎風(fēng)面的高估程度僅次于SKE模型，5類模型在頂面（10～16號(hào)測(cè)點(diǎn)）與背風(fēng)面（17～25號(hào)測(cè)點(diǎn)）結(jié)果較于迎風(fēng)面均擬合較好。

2）由圖11（b）、（c）、（d）腰周線可知，SKE模型與RSM模型在迎風(fēng)面（B面1～7號(hào)測(cè)點(diǎn)）也存在明顯的高估，且SKE模型在下游建筑兩側(cè)面（C面22～28號(hào)測(cè)點(diǎn)和E面8～14號(hào)測(cè)點(diǎn)）模擬值低估于實(shí)驗(yàn)值。

3）圖11（b）、（c）、（d）還表明，對(duì)于不同位置高度的腰周線，5種RANS模型都顯示出建筑上部的模擬結(jié)果明顯好于建筑下部，這可能是下墊面的粗糙程度對(duì)模擬結(jié)果存在干擾。

4）圖11各圖都顯示，SST與RLZ模型在背脊線與腰周線各面的擬合程度都高于SKE、RNG、RSM模型。

5）由表1可知，SST模型在數(shù)值上表現(xiàn)出高的可靠度（與Exp1和Exp2誤差分別為11%、10%），其次為RSM模型（與Exp1和Exp2誤差分別為15%、11%）。

6）由圖11和表1可知，SKE模型的模擬可靠性最低，其標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果偏差最高為30%。

由此可見(jiàn)，SST模型模擬可靠度最高。

4.2 上游遮擋建筑無(wú)孔情形

圖12（a）為上游建筑為無(wú)孔遮擋時(shí)，下游建筑中位背脊線平均風(fēng)壓系數(shù)對(duì)比圖。圖12（b）、（c）、（d）分別為下游建筑距地面1/4高度、1/2高度與3/4高度的腰周線風(fēng)壓系數(shù)，其中，Exp3、Exp4為2次風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)下游建筑平均風(fēng)壓系數(shù)。將5類模型面平均壓力系數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到的數(shù)值誤差如表2所示。其中Exp3與Exp4為無(wú)孔遮擋風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的兩次實(shí)驗(yàn)平均風(fēng)壓系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值。

對(duì)比無(wú)孔遮擋的不同模型背脊線和腰周線計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：

1）圖12（a）下游建筑表面平均風(fēng)壓系數(shù)中位背脊線顯示，SKE與RSM模型在迎風(fēng)面（B面1～9號(hào)測(cè)點(diǎn)）明顯高估于實(shí)驗(yàn)值，在頂面（A面10～16號(hào)測(cè)點(diǎn)）與背風(fēng)面（D面17～25號(hào)測(cè)點(diǎn)）5類模型模擬結(jié)果均擬合較好。

2）由圖（b）、（c）、（d）中的腰周線可知，在迎風(fēng)面（B面1～7號(hào)測(cè)點(diǎn)）上，SKE、RSM、RNG模型存在明顯高估。總體上SST模型（與Exp3和Exp4誤差分別為16%、19%）與RLZ模型（誤差分別為25%、27%）擬合最好

3）由表2數(shù)據(jù)可知，無(wú)孔遮擋的RSM模型模擬結(jié)果的可靠性最差，與Exp3和Exp4誤差分別達(dá)54%、59%，其次為SKE模型，與Exp3和Exp4誤差分別為51%、54%。

由此可見(jiàn)，SST模型對(duì)于無(wú)孔遮擋的模擬可靠性最高。

4.3 有孔遮擋與無(wú)孔遮擋比較

表1與表2顯示同一種RANS模型對(duì)于不同遮擋情形的模擬結(jié)果偏差不一樣。分別比較有孔遮擋與無(wú)孔遮擋的5種RANS模型可以發(fā)現(xiàn)，RSM模型針對(duì)有孔遮擋情形的模擬可靠性結(jié)果較好，但對(duì)于無(wú)孔遮擋情形的模擬結(jié)果可靠度最低。表1與表2也表明，無(wú)論是有孔遮擋還是無(wú)孔遮擋，其模擬結(jié)果可靠性最高的都為SST模型。

基于SST模型分別得到兩種遮擋情形的中垂面速度矢量圖，如圖13所示。由圖13（a）可知，當(dāng)上游為封閉建筑，即為無(wú)孔遮擋時(shí)，氣流繞過(guò)上游遮擋建筑，在兩個(gè)建筑間形成一個(gè)大的渦旋;由圖13（b）可知，當(dāng)上游為有孔遮擋時(shí)，上游建筑的穿堂風(fēng)會(huì)影響建筑間的渦旋，因此，減少上游建筑遮擋的作用，進(jìn)而流場(chǎng)更接近無(wú)遮擋情形，模擬結(jié)果更為精確。

將模擬結(jié)果進(jìn)行處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化誤差表，見(jiàn)表3。由于兩次風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)值接近，對(duì)比結(jié)果都取第1次實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由表3平均風(fēng)壓系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化后結(jié)果可知：有孔遮擋模擬結(jié)果相較于無(wú)孔遮擋誤差約小40%（誤差11%與16%的對(duì)比）。

由此可見(jiàn)，SST模型對(duì)于有孔遮擋情形好于無(wú)孔遮擋情形。

4.4 可視化實(shí)驗(yàn)

可視化實(shí)驗(yàn)中發(fā)煙口位于上游建筑地面中心，發(fā)煙試劑采用了15%的丙烯乙二醇溶液，實(shí)拍照片如圖14所示。可視化實(shí)驗(yàn)效果（圖14）與SST模型模擬結(jié)果（圖13（b））有比較好的相似性。

圖14與圖13（b）都顯示，上游建筑的穿堂風(fēng)在出口處形成沖擊氣流，破壞了兩建筑間的渦旋，在一定程度上減少了建筑遮擋的作用，使得下游建筑更接近于無(wú)遮擋的環(huán)境。這有可能是有孔遮擋的CFD模擬好于無(wú)孔遮擋的原因。

5 結(jié)論

通過(guò)與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的嚴(yán)格對(duì)比，分析上游建筑有孔、無(wú)孔兩種遮擋情形下，下游建筑表面壓力CFD模擬可靠性與準(zhǔn)確性。通過(guò)比較分析3種網(wǎng)格密度及5種RANS模型，得到以下結(jié)論：

1）網(wǎng)格敏感性分析顯示，當(dāng)建筑表面的最小網(wǎng)格為建筑高度的約2%時(shí)，計(jì)算結(jié)果滿足網(wǎng)格獨(dú)立性要求。

2）對(duì)上游建筑為有孔遮擋或無(wú)孔遮擋時(shí)，5種常見(jiàn)RANS模型中，SST k-ω模型的模擬可靠性最高。采用SST k-ω模型對(duì)有孔遮擋與無(wú)孔遮擋的模擬對(duì)比顯示，對(duì)前者的模擬誤差比后者誤差還要低，即上游建筑有孔時(shí)，下游建筑表面的風(fēng)壓的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性反而更高。這有可能是由于穿過(guò)的氣流更接近無(wú)遮擋的情形造成的。

3）發(fā)煙可視化實(shí)驗(yàn)顯示，有孔遮擋SST k-ω模型模擬的中垂面氣流組織與風(fēng)洞可視化實(shí)驗(yàn)有比較好的相似性。穿堂風(fēng)氣流破壞了建筑間的回流渦旋，削弱了建筑遮擋的效果，使得氣流運(yùn)動(dòng)更接近無(wú)遮擋的情況，這也許是有孔遮擋較無(wú)孔遮擋模擬可靠性更高的原因。

采用的CFD設(shè)置方法可作為類似風(fēng)環(huán)境模擬的參考方法。只討論一個(gè)風(fēng)向與一個(gè)間距，討論了穩(wěn)態(tài)RANS模型，而未討論非穩(wěn)態(tài)RANS模型和LES大渦模擬，這些需要在以后的研究中逐步完成。

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（編輯 鄧云）