基于內(nèi)蒙古科技大學(xué)西校區(qū)CFD模擬技術(shù)風(fēng)環(huán)境研究*

丁玉賢，孫維娜，張愛琳

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

風(fēng)對建筑內(nèi)外環(huán)境、人員舒適度有顯著影響.合理的建筑空間布置能夠充分利用自然通風(fēng)，改善區(qū)域的微氣候，如消解局部熱島效應(yīng)、生理降溫，釋放建筑物結(jié)構(gòu)中儲存的熱量，同時(shí)促進(jìn)顆粒污染物擴(kuò)散，提高人員對室外環(huán)境舒適度.若建筑空間布置不合理，就會(huì)出現(xiàn)諸多問題，如夏季建筑前后風(fēng)壓差過小不利于建筑的自然通風(fēng)，無法充分利用自然通風(fēng)的冷卻效應(yīng)；冬季風(fēng)速過大會(huì)造成建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冷風(fēng)滲透，從而使得采暖負(fù)荷增加；局部地塊由高層建筑產(chǎn)生的“空氣滯留區(qū)”會(huì)減緩氣流交換、滯留污染物，危害居民的健康[1].因此，需要在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段對區(qū)域內(nèi)的空氣流動(dòng)進(jìn)行分析與優(yōu)化，而對于已建的建筑，可以運(yùn)用具有綠色生態(tài)、適應(yīng)性佳、可操作性強(qiáng)的綠地布局手段改善住區(qū)風(fēng)環(huán)境[2].

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件可以分析并且顯示發(fā)生在流場中的現(xiàn)象，并在城市風(fēng)環(huán)境和污染物擴(kuò)散領(lǐng)域進(jìn)行對象的性能預(yù)測模擬.其中，王曉飛[3]基于降低長春市的霧霾影響，通過CFD技術(shù)模擬中心城區(qū)及重要功能區(qū)的通風(fēng)環(huán)境，識別潛在的通風(fēng)廊道；劉麗珺等[4]基于CFD技術(shù)首次對河谷型地區(qū)蘭州城關(guān)區(qū)的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了模擬及效果分析；黃文鋒等[5]利用CFD數(shù)值模擬探究了行列式、錯(cuò)列式及圍合式這3種典型建筑群對風(fēng)環(huán)境影響；郭毅等[6]使用CFD模擬軟件對某文化中心在不同季節(jié)不同區(qū)位的通風(fēng)情況進(jìn)行模擬并分析其效果；劉濱誼等[7]利用CFD探討了景觀布局對同濟(jì)大學(xué)宿舍區(qū)近地風(fēng)環(huán)境的影響幅度，并對綠色布局的效果進(jìn)行了模擬驗(yàn)證；BUCCOLIERI等[8]采用CFD技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)城市的污染物濃度分布與建筑密度有關(guān)；而BEATRIZ等[9]利用CFD模型對馬德里交通繁忙地區(qū)的污染物濃度進(jìn)行空間分布獲取及分析.

由以上研究可知，在城市風(fēng)環(huán)境和污染物擴(kuò)散領(lǐng)域均出現(xiàn)應(yīng)用CFD模擬的案例.以內(nèi)蒙古科技大學(xué)為例，用CAD建立抽象模型，結(jié)合CFD軟件，對室外的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬，以夏季東南風(fēng)、冬季西北風(fēng)的模擬結(jié)果進(jìn)行分析研究，進(jìn)而提出優(yōu)化策略.

2 模擬分析

2.1 研究區(qū)概況

包頭市有著“鹿城、草原鋼城、稀土之城”的美名，面積為27 691 km2，其中城市建成區(qū)面積360 km2，市中心區(qū)面積315 km2，屬半干旱中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均風(fēng)速在2.4～5.0 m/s，各地盛行風(fēng)向和頻率差別較大[10].內(nèi)蒙古科技大學(xué)位于包頭市昆都侖區(qū)，夏季出現(xiàn)頻率最高的是東南風(fēng)，冬季是西北風(fēng).因此，主要基于這2個(gè)主導(dǎo)風(fēng)向條件下，對學(xué)校室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行研究與分析，確定影響住區(qū)風(fēng)環(huán)境的關(guān)鍵因素，進(jìn)而提出優(yōu)化策略.

2.2 模型的簡化

依據(jù)建筑實(shí)際尺寸在AutoCAD建立三維幾何模型，進(jìn)行建筑單體或建筑群的分析時(shí)，在不影響建筑周邊流場分布的前提下，可以對學(xué)校的教學(xué)樓、辦公樓、宿舍、食堂等建筑的凸凹部分進(jìn)行簡化，圖1為內(nèi)科大CFD模擬簡化模型，以此減少計(jì)算以及加快計(jì)算收斂的速度.

2.3 計(jì)算域設(shè)置

該學(xué)校的建筑布局呈錯(cuò)列式，依據(jù)《建筑環(huán)境數(shù)值模擬分析技術(shù)規(guī)程》(DB31/T 922—2015)設(shè)置計(jì)算域，以目標(biāo)建筑群中最大高度H為基準(zhǔn)設(shè)定計(jì)算域，目標(biāo)建筑群長寬方向延伸4H～6H，高度方向3H～6H，本文設(shè)置的計(jì)算域?yàn)閄=5H，Y=5H，Z=3H.

2.4 邊界條件

建筑室外風(fēng)的流動(dòng)一般屬于不可壓縮、低速湍流.采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型以及工程上廣泛使用的SIMPLE算法，在進(jìn)口邊界條件設(shè)置過程中，本模型假設(shè)風(fēng)速剖面的平均風(fēng)速與高度呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)分布規(guī)律，計(jì)算式(1)如下：

(1)

對地面及排放源側(cè)壁采用壁面邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件.

2.5 模擬結(jié)果及分析

基于CFD平臺對學(xué)校風(fēng)環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬，為使得計(jì)算結(jié)果加快且精度得以保證，設(shè)置計(jì)算迭代次數(shù)100次，并行CPU核數(shù)為16，網(wǎng)格拆分方案SIMPLE，網(wǎng)格總數(shù)為1 102 213，數(shù)據(jù)收斂精度至10-4.夏、冬季工況分別以包頭市最多風(fēng)向平均風(fēng)速3.4，2.9 m/s作為模擬入流風(fēng)速，其中以人行高度Z=1.5 m處的模擬結(jié)果進(jìn)行分析.

圖2(a)～2(d)，2(e)～2(h)分別為該學(xué)校在夏季東南風(fēng)、冬季西北風(fēng)工況下的模擬結(jié)果，從圖2(a)、圖2(e)可以看出，在人行高度1.5 m處，無論是夏季、冬季，風(fēng)速分布較為均勻的是建筑群內(nèi)部，而風(fēng)速較強(qiáng)大多分布在建筑物順風(fēng)向通道處及建筑的外圍區(qū)域，如在文馨書院及體育館周邊地區(qū)，道路空曠，風(fēng)速幾乎沒有被高的建筑阻擋，風(fēng)速大小在2.7 m/s以上，通風(fēng)效果良好，但在食堂附近、教學(xué)樓背風(fēng)面及東北角高密度分布地帶出現(xiàn)了靜風(fēng)現(xiàn)象，不利于空氣流通和污染物擴(kuò)散，但在夏季東南角的教學(xué)樓處于迎風(fēng)面，風(fēng)速過大，使空氣中可吸入顆粒物濃度增加，導(dǎo)致空氣污染加重，影響人們健康.

從風(fēng)速矢量圖2(b)，2(f)來看，在西北角17#，18#，19#，20#宿舍樓之間存在明顯的渦流區(qū)，對建筑群尾部建筑的風(fēng)環(huán)境造成影響，對行人舒適性造成了較不利影響.而在秋實(shí)樓、文馨書院、春暉樓內(nèi)部，由于建筑的內(nèi)部空間狹小封閉及周邊建筑物樓層較高，風(fēng)速僅有0.74 m/s左右，甚至也存在風(fēng)速為0的靜風(fēng)區(qū)，嚴(yán)重影響了課間活動(dòng)區(qū)的通風(fēng)效果，尤其在夏季，通風(fēng)不暢尤為明顯.而風(fēng)壓圖2(c)，2(g)，發(fā)現(xiàn)迎風(fēng)面的建筑前、后側(cè)壓力差較大，當(dāng)開窗時(shí)，可能引起室內(nèi)人們感到不舒適，尤其是夏季東南風(fēng)時(shí)，教學(xué)樓迎風(fēng)面風(fēng)壓接近6.17 Pa，背風(fēng)面3.0 Pa，相差了3.17 Pa，嚴(yán)重影響學(xué)生上課.在圖書館和秋實(shí)樓的邊角處風(fēng)壓也大，不利于學(xué)生的通行.而冬季，23#宿舍樓樓層高，迎風(fēng)面積大，在1.5 m處的風(fēng)壓可達(dá)6.0 Pa以上，其樓后是自行車道與機(jī)動(dòng)車道，大風(fēng)天氣下嚴(yán)重影響出行.在體育館的拐角處，風(fēng)壓也達(dá)到了5.3 Pa以上，不利于學(xué)生，活動(dòng)鍛煉.而其它建筑的前、后側(cè)壓力差很小，自然通風(fēng)效果不好.

圖2(d)，2(h)是夏冬兩季1.5 m高度的空氣齡，由它可知空氣在被測點(diǎn)上的停留時(shí)間，反映出空氣的新鮮程度，可以綜合衡量空間的通風(fēng)換氣效果，空氣齡越小說明空氣齡越新鮮.從圖中可以看出，迎風(fēng)面建筑的空氣齡基本在92.65 s以下，而后面建筑的空氣齡相對長一點(diǎn)，超過了208.06 s，另外，風(fēng)影區(qū)的空氣齡相對于其他區(qū)域的也會(huì)長一點(diǎn).

3 結(jié)論與建議

本文以內(nèi)蒙古科技大學(xué)為工程實(shí)例，以計(jì)算流體力學(xué)CFD軟件為平臺，首先在AutoCAD平臺里進(jìn)行簡化建模，隨后根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定計(jì)算流域的大小和邊界條件的選取，最后導(dǎo)入CFD軟件中進(jìn)行模擬結(jié)果分析，這一過程為數(shù)值模擬方法在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供有益參考.其中，得出的結(jié)論與建議如下：

(1)建筑物布局、道路寬度、建筑密度、地表粗糙度及風(fēng)向?qū)νL(fēng)效果有影響，如文馨書院及體育館周邊地區(qū)，道路空曠，通風(fēng)良好，而食堂周邊建筑布局緊密，常會(huì)出現(xiàn)靜風(fēng)現(xiàn)象，不利于空氣流通和污染物擴(kuò)散.同時(shí)，迎風(fēng)面建筑的風(fēng)速和風(fēng)壓普遍比其他區(qū)域高.

(2)在出現(xiàn)靜風(fēng)區(qū)的食堂和教學(xué)樓附近通過合理規(guī)劃綠地的規(guī)模、位置、形態(tài)、空間結(jié)構(gòu)、植被組成等來有效引導(dǎo)污染物的空間擴(kuò)散，改善周邊環(huán)境.

(3)在冬季，對于強(qiáng)風(fēng)區(qū)，23#宿舍樓和東南角的教學(xué)樓，可以通過種植密植喬灌木，增設(shè)構(gòu)筑物導(dǎo)流防風(fēng)，有效阻擋寒風(fēng)對建筑物的侵襲，降低建筑熱負(fù)荷.

本文是基于純屬建筑，無任何綠地情況下進(jìn)行的數(shù)值模擬，結(jié)果可能與實(shí)際有所偏差，但對于改善提升校區(qū)風(fēng)環(huán)境質(zhì)量是有參考價(jià)值的，而綠地布局這一措施既可以美化校園，也可促進(jìn)空氣流通和污染擴(kuò)散，是一種利于執(zhí)行、較為有效的方式，值得被參考借鑒.