不同建模區(qū)域下的建筑群風(fēng)環(huán)境模擬探究

鮮 鑫，李曉虹，游 誠(chéng)，鐘天蘭，蔣 鵬

(西華大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610039)

0 前 言

合理選擇計(jì)算區(qū)域和建模區(qū)域?qū)⒂兄跍p少計(jì)算量和加大模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，選擇多大的計(jì)算區(qū)域和建模區(qū)域進(jìn)行計(jì)算求解才能對(duì)建筑群中的流場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)描述，是許多學(xué)者及組織關(guān)注的問(wèn)題。

對(duì)于計(jì)算區(qū)域的選取，同濟(jì)大學(xué)李崢嶸[1]針對(duì)學(xué)校內(nèi)學(xué)生宿舍6棟在不同風(fēng)向作用下對(duì)建筑群風(fēng)環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬研究，計(jì)算區(qū)域根據(jù)AIJ指導(dǎo)手冊(cè)[2]選取建筑群內(nèi)最高建筑的高度作為特征長(zhǎng)度H，建筑群上游、上部以及兩側(cè)的計(jì)算區(qū)域?yàn)?H，建筑群下游的計(jì)算域長(zhǎng)度為15H。溫昕宇[3]在室外風(fēng)環(huán)境CFD模擬小區(qū)規(guī)劃建設(shè)中沿來(lái)流方向取一矩形區(qū)域；建筑高度為H，計(jì)算區(qū)域高度為3H，來(lái)流方向?yàn)?H，出流方向?yàn)?H，計(jì)算區(qū)域?qū)挾葹?H?！睹裼媒ㄖG色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》(JGJT449—2018)[4]在關(guān)于計(jì)算域指出“對(duì)象建筑(群)頂部到計(jì)算域上邊界的垂直高度應(yīng)大于5H；對(duì)象建筑(群)的外緣至水平方向的計(jì)算區(qū)域邊界的距離應(yīng)大于5H；與主流方向正交的計(jì)算斷面大小的阻塞率應(yīng)小于3%；流入側(cè)邊界至對(duì)象建筑(群)外緣的水平距離應(yīng)大于5H，流出側(cè)邊界至對(duì)象建筑(群)外緣的水平距離應(yīng)大于10H；”而對(duì)于建模區(qū)域的選取《民用建筑綠色設(shè)計(jì)規(guī)范》(GJ/T229—2010)[5]中規(guī)定目標(biāo)建筑邊界H范圍內(nèi)應(yīng)該以最高細(xì)節(jié)要求再現(xiàn)，在A(yíng)IJ指導(dǎo)手冊(cè)[2]中規(guī)定目標(biāo)建筑邊界1H～2H范圍內(nèi)細(xì)節(jié)再現(xiàn)，在《民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》(JGJT449—2018)[4]中規(guī)定“進(jìn)行物理建模時(shí)，對(duì)象建筑(群)周邊1H～2H范圍內(nèi)應(yīng)按照建筑布局和形狀準(zhǔn)確建模”。

綜上，國(guó)內(nèi)在進(jìn)行建筑群室外風(fēng)環(huán)境模擬時(shí)，計(jì)算區(qū)域和建模區(qū)域范圍的選取存在一定的差異，且多數(shù)學(xué)者都只以目標(biāo)建筑群作為一個(gè)孤立的單體進(jìn)行建模分析，并未考慮實(shí)際周邊建筑群對(duì)目標(biāo)建筑的影響。為了分析建模區(qū)域的大小對(duì)目標(biāo)建筑室外風(fēng)環(huán)境的影響，本文在民用建筑綠色設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于建模區(qū)域規(guī)定的基礎(chǔ)上逐步擴(kuò)大周邊建筑群范圍，把目標(biāo)建筑群周邊的街道、高層建筑考慮進(jìn)模擬范圍，利用綠建斯維爾通風(fēng)Vent軟件[6]對(duì)比分析建模范圍的選取對(duì)于目標(biāo)建筑群風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果的影響，以期為合理選擇模型范圍提供參考建議，使風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確。

1 模型設(shè)置

1.1 建筑概況及風(fēng)速測(cè)點(diǎn)設(shè)置

本次建筑群室外風(fēng)環(huán)境模擬以成都市某一新建小區(qū)為例，小區(qū)區(qū)域規(guī)劃總建筑面積187 445.37 m2，本小區(qū)建筑主要為居住建筑共計(jì)12棟，兼3棟商業(yè)建筑和1棟垃圾房。建筑1～8棟建筑高度為50.23 m，9～12棟建筑高度為50.28 m，3棟商業(yè)樓建筑高度為9.3 m。在建筑群內(nèi)1.5 m人行高度處主要活動(dòng)區(qū)域設(shè)置11個(gè)測(cè)點(diǎn)。小區(qū)總平圖及測(cè)點(diǎn)分布圖見(jiàn)圖1，圖2為目標(biāo)建筑周?chē)艣r圖。

圖1 小區(qū)總面及測(cè)點(diǎn)分布

圖2 目標(biāo)建筑群周?chē)ㄖ艣r三維視圖

1.2 計(jì)算模型及邊界條件設(shè)置

本次模擬采用標(biāo)準(zhǔn)K-ε兩方程模型，計(jì)算域入口采用速度入口，風(fēng)速按指數(shù)率分布，風(fēng)廓線(xiàn)冪指數(shù)根據(jù)地面類(lèi)型為城市取值為0.30。出流面上空流動(dòng)按湍流充分發(fā)展考慮，出口選擇壓力出口，出口靜壓為大氣壓，兩側(cè)邊界及頂部邊界均采用對(duì)稱(chēng)性邊界條件，計(jì)算區(qū)域地面以及建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置為無(wú)滑移壁面邊界。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式來(lái)劃分網(wǎng)格，因?yàn)槭彝怙L(fēng)場(chǎng)分析更加關(guān)注靠近建筑物的風(fēng)場(chǎng)特性，近場(chǎng)的地面網(wǎng)格需要采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格加密，對(duì)應(yīng)地面細(xì)分級(jí)數(shù)較大，而遠(yuǎn)場(chǎng)地面采用較稀疏的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，地面細(xì)分級(jí)數(shù)較小。

1.3 四種模擬區(qū)域設(shè)置

本項(xiàng)目位于成都市，根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50736—2012)[7]確定夏季模擬工況主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹NE，平均風(fēng)速為2.0 m/s，限于篇幅，本文只做夏季的模擬分析。按《民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》(JGJT449—2018)[6]中的規(guī)定建模分析并以此為基礎(chǔ)擴(kuò)大建模范圍。以目標(biāo)建筑為中心，分別考慮半徑為1H、3H、5H、10H范圍內(nèi)的周邊建筑建模分析，模型外場(chǎng)尺寸按照AIJ指導(dǎo)[2]手冊(cè)給出設(shè)定，四種計(jì)算區(qū)域平面圖見(jiàn)圖3。

(a)1H

(b)3H

(c)5H

(c)10H

2 室外風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)逐漸擴(kuò)大覆蓋周邊建筑范圍，得到人行高度1.5 m人行高度處風(fēng)速分布云圖(見(jiàn)圖4)，區(qū)域測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

(a)1H

(b)3H

(c)5H

(d)10H

表1 區(qū)域測(cè)點(diǎn)速度數(shù)據(jù)表

由表1可知，考慮周邊建筑對(duì)目標(biāo)建筑群的影響，采用建模區(qū)域1H和3H時(shí)，該目標(biāo)建筑群室外風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果差值較大，隨著覆蓋周邊建筑范圍的逐漸增大，采用建模區(qū)域5H和10H時(shí)，該目標(biāo)建筑群室外風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果誤差均小于10%，對(duì)結(jié)果影響不大且趨于穩(wěn)定。從理論上講，建模區(qū)域范圍選取越大，模擬結(jié)果越接近實(shí)際值，但是考慮到計(jì)算機(jī)性能，根據(jù)實(shí)際情況，針對(duì)本實(shí)際項(xiàng)目的模擬結(jié)果，筆者得出在進(jìn)行室外風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬分析時(shí)，以“目標(biāo)建筑為中心，半徑為5H范圍內(nèi)為建模區(qū)域覆蓋周邊建筑”為最佳建模范圍，這表明在進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬用以輔助設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮周邊環(huán)境的影響，但是也不能完全依照民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)中建模范圍的選取要求，需要根據(jù)具體的實(shí)際項(xiàng)目情況，適當(dāng)擴(kuò)大研究范圍，才能得出相對(duì)準(zhǔn)確的結(jié)論。

3 結(jié) 論

本文對(duì)不同建模區(qū)域下建筑群室外風(fēng)環(huán)境模擬探究，從模擬結(jié)果來(lái)看，可以得出以下結(jié)論：在對(duì)實(shí)際建筑項(xiàng)目室外風(fēng)環(huán)境模擬分析時(shí)，考慮周邊建筑對(duì)目標(biāo)建筑群的影響，不能完全依照民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于周邊建筑區(qū)域選定范圍進(jìn)行建模，應(yīng)該結(jié)合目標(biāo)建筑與周邊建筑群的實(shí)際情況，適當(dāng)擴(kuò)大研究范圍，才能得出相對(duì)準(zhǔn)確的結(jié)論。結(jié)合本文實(shí)際案例，隨著周邊建筑覆蓋區(qū)域范圍的增大，目標(biāo)建筑群室外風(fēng)環(huán)境逐漸趨于穩(wěn)定，并且最終得出“以目標(biāo)建筑群為中心，半徑為5H范圍內(nèi)為建模區(qū)域覆蓋周邊建筑”為最佳建模范圍進(jìn)行室外風(fēng)環(huán)境分析。

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