C字型建筑對(duì)于區(qū)域風(fēng)環(huán)境的影響

王培棟,牟曉蕾,許 娜

(1.煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005;2.煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005)

隨著人們生活水平的提高,建筑風(fēng)環(huán)境得到了學(xué)者們的重視。HUTCHINSON 等[1]在1973年首次對(duì)英國(guó)南部銀行大廈周圍的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M,之后人們開(kāi)始將建筑區(qū)域風(fēng)環(huán)境作為設(shè)計(jì)建筑的重要部分。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件水平的飛速發(fā)展和計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)的不斷完善,人們?cè)絹?lái)越多地采用數(shù)值模擬手段來(lái)確定建筑周圍的氣壓、風(fēng)速等因素[2]。BLOCKEN 等[3]研究了埃因霍溫科技大學(xué)校園環(huán)境對(duì)人體舒適度的影響,并得到了湍流風(fēng)的流動(dòng)規(guī)律;張兆昌等[4]根據(jù)對(duì)村鎮(zhèn)房屋室外風(fēng)環(huán)境的模擬結(jié)果,提出了改善空氣環(huán)境質(zhì)量的措施;胡春等[5]針對(duì)高層住宅區(qū)的兩種不同布局格式進(jìn)行模擬,指出構(gòu)建開(kāi)敞的通風(fēng)廊道可以改善區(qū)域通風(fēng)效果;魏小翔等[6]模擬在夏、冬兩季主導(dǎo)風(fēng)條件下的室外風(fēng)環(huán)境,分析了底層商業(yè)建筑對(duì)小區(qū)風(fēng)環(huán)境的影響,為未來(lái)高層底商住區(qū)提供了設(shè)計(jì)參考;李井海等[7]針對(duì)成都宏觀、中觀、微觀3個(gè)層面的城市結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬,總結(jié)出在不同尺度下城市氣候的分布規(guī)律;李順[8]研究了濟(jì)南某大學(xué)建筑群在夏季和冬季工況下有無(wú)樹(shù)木的室外風(fēng)環(huán)境,結(jié)果表明樹(shù)木對(duì)風(fēng)速有明顯削減作用,可通過(guò)合理種植樹(shù)木來(lái)改變區(qū)域風(fēng)環(huán)境;周春艷等[9]分析了沈陽(yáng)市萬(wàn)達(dá)新天地綜合體建筑不同空間位置風(fēng)環(huán)境的特點(diǎn),研究植物、建筑外立面和城市下墊面以及大氣之間的交互關(guān)系并將研究結(jié)果應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。

應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)CAARC標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行模擬,確定了合適的湍流模型,在此基礎(chǔ)上對(duì)華東沿海地區(qū)含有C字型結(jié)構(gòu)的某建筑群進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)比研究在夏季和冬季情況下有無(wú)連廊對(duì)區(qū)域風(fēng)環(huán)境的影響。

1 CAARC標(biāo)準(zhǔn)模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證計(jì)算模型的可靠性,選取了國(guó)際上通用的CAARC標(biāo)準(zhǔn)建筑模型[10](建筑尺寸=30.48 m×45.72 m×182.88 m)進(jìn)行數(shù)值模擬,將結(jié)果與同濟(jì)大學(xué)TJ-2風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果[11](B類場(chǎng)、縮尺比1∶300)、NPL風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果[11](B類場(chǎng)、縮尺比1∶240)和聶少鋒等[12]的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缫?jiàn)表1,表中Dx為模型橫截面寬度,Dy為模型橫截面長(zhǎng)度,H為模型高度,在模型2/3H高度水平面上設(shè)置20個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)(圖1)。

表1 模型尺寸

圖1 CAARC標(biāo)準(zhǔn)模型及2/3H高度處測(cè)點(diǎn)[12]

為保證湍流的充分發(fā)展,選取入口邊界、頂部邊界和側(cè)面邊界距建筑物迎風(fēng)面5H(H是指建筑物的高度),出口邊界距建筑物背風(fēng)面15H(圖2)。用原尺寸進(jìn)行模擬,經(jīng)計(jì)算,該計(jì)算域阻塞比為0.4%,滿足要求。網(wǎng)格劃分形式選用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(圖3),最后共生成網(wǎng)格量約為170萬(wàn)。

圖2 CAARC標(biāo)準(zhǔn)模型計(jì)算域

選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、Realizablek-ε模型和SSTk-ω模型這3種常用的湍流模型對(duì)同濟(jì)大學(xué)TJ-2風(fēng)洞試驗(yàn)[11]中的B類風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算,用平均風(fēng)壓系數(shù)來(lái)分析結(jié)果,計(jì)算式定義為

式中,Pi為測(cè)點(diǎn)處的絕對(duì)靜壓,Pref為參考點(diǎn)靜壓(一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)),ρ為空氣密度,取1.225 kg/m3,Ub為建筑物頂部的風(fēng)速,11.7 m/s。模擬結(jié)果如圖4。

圖3 CAARC標(biāo)準(zhǔn)模型網(wǎng)格

圖4 模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)比

由對(duì)比結(jié)果可知(圖4),數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果總體變化趨勢(shì)保持一致的規(guī)律,3種湍流模型計(jì)算結(jié)果數(shù)值接近,模擬數(shù)據(jù)與NPL試驗(yàn)數(shù)據(jù)[11]相比誤差都在10%以內(nèi),均能滿足工程應(yīng)用精度。但SSTk-ω模型收斂較完全,模擬趨勢(shì)更接近真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果,并與聶少鋒等[12]的模擬數(shù)據(jù)相吻合,進(jìn)一步驗(yàn)證了計(jì)算方法的準(zhǔn)確性,故采用此湍流模型。

2 研究對(duì)象及計(jì)算模型

2.1 研究對(duì)象

以華東沿海地區(qū)含有C字型結(jié)構(gòu)的某建筑群(圖5)為研究對(duì)象,根據(jù)國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心資料[13],該區(qū)域夏季盛行東南風(fēng),平均風(fēng)速為2.8 m/s,冬季盛行西北風(fēng),平均風(fēng)速為3.9 m/s,極大風(fēng)速為12 m/s。在區(qū)域風(fēng)環(huán)境設(shè)計(jì)中,夏季要求考慮露天公共場(chǎng)所借助風(fēng)力降低氣溫,提高舒適度,平均風(fēng)速在該區(qū)域出現(xiàn)的次數(shù)較多,因此選擇平均風(fēng)速來(lái)模擬夏季工況;冬季要求避免某些局部區(qū)域風(fēng)壓過(guò)大致使冷風(fēng)滲透到住宅樓內(nèi),而高風(fēng)速易導(dǎo)致此類狀況的發(fā)生,因此選擇極大風(fēng)速12 m/s來(lái)模擬冬季工況。

圖5 模擬區(qū)域平面

2.2 計(jì)算模型的建立

對(duì)模擬區(qū)域的8座建筑建立計(jì)算模型(圖6),1號(hào)樓、2號(hào)樓和3號(hào)樓為C字型結(jié)構(gòu),建筑高度為20 m,連廊高度為10 m,在不影響計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)地面和建筑物的凹凸處進(jìn)行平整化處理。為方便數(shù)據(jù)對(duì)比,在人行高度1.5 m處[14]選取區(qū)域氣壓最大、最小及變化較為頻繁的14個(gè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)(圖7),用以設(shè)置合適的計(jì)算域。

圖6 計(jì)算模型

計(jì)算域?yàn)殚L(zhǎng)方體狀,分別對(duì)計(jì)算域的寬度和高度進(jìn)行試驗(yàn)。首先對(duì)計(jì)算域?qū)挾冗M(jìn)行試驗(yàn),即在高度固定的條件下,以建筑模型寬度(l=313 m)為基準(zhǔn),取邊界離建筑群1l、2l、3l、4l寬度分別進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果如圖8;然后對(duì)計(jì)算域高度進(jìn)行試驗(yàn),即在寬度固定的條件下,以建筑模型高度(h=20 m)為基準(zhǔn),取計(jì)算域頂部離地面3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h、10h分別進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果如圖9。

圖7 測(cè)點(diǎn)平面分布

圖8 計(jì)算域?qū)挾饶M結(jié)果

圖9 計(jì)算域高度模擬結(jié)果

通過(guò)模擬結(jié)果可知,在計(jì)算域高度一定的條件下,當(dāng)計(jì)算域?qū)挾冗_(dá)到3l后,測(cè)點(diǎn)相對(duì)壓強(qiáng)不再發(fā)生改變;在計(jì)算域?qū)挾纫欢ǖ臈l件下,當(dāng)計(jì)算域高度達(dá)到7h后,測(cè)點(diǎn)的相對(duì)壓強(qiáng)不再變化,故本文計(jì)算域?qū)挾热∵吔缇嚯x建筑群3l,高度取頂部邊界距離地面7h。

2.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

網(wǎng)格的類型和數(shù)量會(huì)影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,選取混合網(wǎng)格的劃分形式(圖10),即建筑群周邊區(qū)域采用分布較為密集的四面體網(wǎng)格,遠(yuǎn)離建筑群的區(qū)域采用分布較為稀疏的六面體網(wǎng)格,網(wǎng)格連接處通過(guò)軟件自動(dòng)處理成連續(xù)的流域。合理設(shè)置網(wǎng)格數(shù)量可提高計(jì)算的精度和效率,故對(duì)于此模型進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,選取單元數(shù)量為50萬(wàn)、100萬(wàn)和150萬(wàn)的3組網(wǎng)格進(jìn)行模擬計(jì)算,結(jié)果如圖11。網(wǎng)格第一次加密時(shí)(由50萬(wàn)加密至100萬(wàn)),部分測(cè)點(diǎn)的相對(duì)氣壓數(shù)值變化較大,而再次加密網(wǎng)格時(shí)(由100萬(wàn)加密至150萬(wàn)),各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)氣壓數(shù)值誤差均低于1%,因此,單元數(shù)量為150萬(wàn)的網(wǎng)格能夠保證計(jì)算精度,故選用網(wǎng)格數(shù)為150萬(wàn)的網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖10 模擬區(qū)域網(wǎng)格

圖11 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

2.4 邊界條件設(shè)定

來(lái)流邊界應(yīng)用冪指函數(shù)風(fēng)速模型,其形式為

式中:u0為標(biāo)準(zhǔn)參考高度處的平均風(fēng)速,夏季取2.8 m/s,冬季取為12 m/s;z0標(biāo)準(zhǔn)參考高度,取為10 m;α為地面粗糙度指數(shù),模擬區(qū)域?qū)儆贐類地區(qū),數(shù)值取為0.16,通過(guò)編寫UDF接入Fluent實(shí)現(xiàn)。出流邊界設(shè)置為自由出流,壓力速度充分自由發(fā)展不做限制。對(duì)于大氣邊界條件的設(shè)定,通常在計(jì)算域頂部邊界指定入流速度和湍流參數(shù)。對(duì)于側(cè)邊界,當(dāng)流動(dòng)方向平行于側(cè)邊界時(shí),通常設(shè)置為對(duì)稱邊界條件。建筑物表面和地面采用無(wú)滑移的壁面條件。

計(jì)算采用3D單精度、分離式求解器,空氣模型選用不可壓縮的常密度空氣模型,采用SIMPLEC算法,即求解壓力耦合方程組的半隱式方法處理壓力-速度耦合關(guān)系?？刂品匠痰臄U(kuò)散項(xiàng)采用中心差分的離散格式,對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)離散格式。由于室外風(fēng)環(huán)境的研究區(qū)域范圍大,節(jié)點(diǎn)數(shù)量多,同時(shí)考慮計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力、計(jì)算時(shí)間等因素,收斂標(biāo)準(zhǔn)確定為:連續(xù)性方程、各速度分量、k和ω的收斂殘差均為10-4,且同時(shí)監(jiān)測(cè)到各建筑表面壓力系數(shù)基本不發(fā)生變化時(shí),認(rèn)為流動(dòng)達(dá)到了穩(wěn)態(tài)。

3 計(jì)算結(jié)果分析與討論

風(fēng)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣一般由風(fēng)速和氣壓決定,合理的建筑形態(tài)可以提高區(qū)域風(fēng)環(huán)境的質(zhì)量。文獻(xiàn)[8]指出:隨著建筑高度的增加,建筑前后的氣壓差值略有增大,但變化趨勢(shì)保持一致,通常取1.5 m人行高度處的氣壓云圖和風(fēng)速云圖來(lái)研究區(qū)域風(fēng)環(huán)境的規(guī)律,因此本文取1.5 m人行高度來(lái)分析模擬結(jié)果。

3.1 夏季模擬結(jié)果

圖12(a)是在夏季有連廊情況下的相對(duì)氣壓云,由圖可得:此高度處最大相對(duì)氣壓分布在2號(hào)樓、4號(hào)樓和8號(hào)樓拐角處,數(shù)值為3.12 Pa,最小相對(duì)氣壓分布在2號(hào)樓連廊區(qū)域,數(shù)值為-4.52 Pa,最大壓差為7.64 Pa。除了1號(hào)樓和3號(hào)樓外,其他建筑都存在一定的壓差,合理利用有利于室內(nèi)自然通風(fēng)。圖12(b)為去掉連廊后的相對(duì)氣壓云,與圖12(a)對(duì)比發(fā)現(xiàn),去掉連廊對(duì)區(qū)域相對(duì)氣壓影響不大。

雖然從相對(duì)氣壓云圖看連廊對(duì)區(qū)域影響不大,但是從風(fēng)速云圖上可以看出明顯的差異。由風(fēng)速云圖13(a)可得:該區(qū)域平均風(fēng)速為1.87 m/s,最大風(fēng)速出現(xiàn)在2號(hào)樓迎風(fēng)面拐角處,數(shù)值為2.5 m/s,最小風(fēng)速出現(xiàn)在多個(gè)氣流流通不暢的背風(fēng)面區(qū)域,數(shù)值為0.24 m/s,熱量和灰塵會(huì)在該區(qū)域聚集。圖13(b)為去掉連廊后的風(fēng)速云,對(duì)比圖13(a)發(fā)現(xiàn),1號(hào)樓和2號(hào)樓連廊處風(fēng)速提高,熱量和灰塵可以有效及時(shí)地?cái)U(kuò)散,4號(hào)樓北面道路受回流風(fēng)影響,風(fēng)環(huán)境質(zhì)量得到改善。綜上分析,在夏季工況下C字型建筑去掉連廊可以改善區(qū)域風(fēng)環(huán)境質(zhì)量。

圖12 夏季工況相對(duì)氣壓云

3.2 冬季模擬結(jié)果

圖14(a)是在冬季有連廊情況下的相對(duì)氣壓云,由圖可得:該區(qū)域相對(duì)氣壓范圍為-52～86 Pa,除1號(hào)樓、3號(hào)樓和5號(hào)樓外,大部分建筑迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)壓差在10 ～20 Pa,1號(hào)樓和2號(hào)樓連廊部分相對(duì)壓差達(dá)到了60 Pa,局部區(qū)域需要提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性,防止冷風(fēng)滲透進(jìn)入室內(nèi)。圖14(b)為去掉連廊后的相對(duì)氣壓云,對(duì)比發(fā)現(xiàn):原連廊位置處的相對(duì)壓差大幅度減少,氣流流動(dòng)順暢;受1號(hào)樓氣流影響,3號(hào)樓迎風(fēng)面的正壓減小,中間過(guò)道氣壓分布均勻。

圖13 夏季工況風(fēng)速云

圖15(a)是在冬季有連廊情況下的風(fēng)速云,由圖可得:區(qū)域平均風(fēng)速為7 m/s,最大風(fēng)速在1號(hào)樓迎風(fēng)面拐角處,數(shù)值為13.2 m/s,最小風(fēng)速出現(xiàn)在多個(gè)建筑物背風(fēng)面,數(shù)值為0.5 m/s;圖16(a)為冬季有連廊情況下的流線,結(jié)合圖15(a)可以看到1號(hào)樓、2號(hào)樓中間會(huì)產(chǎn)生漩渦,故此處風(fēng)速較低,周圍的污染物和灰塵會(huì)在此處聚集。圖15(b)和圖16(b)分別為去掉連廊后的風(fēng)速云與流線,與圖15(a)和圖16(a)對(duì)比發(fā)現(xiàn),1號(hào)樓、2號(hào)樓、3號(hào)樓原連廊處的風(fēng)速提高了6 ～7 m/s,氣流滯留區(qū)消失,區(qū)域氣流分布均勻;4號(hào)樓北面風(fēng)速平穩(wěn),南面低風(fēng)速區(qū)域范圍減小。

圖17為氣流經(jīng)過(guò)1號(hào)樓的三維流線。從圖17(a)和圖17(c)可以看出,氣流經(jīng)過(guò)C字型建筑時(shí)會(huì)分成兩部分:一部分氣流受墻壁的阻擋,形成地面漩渦,另一部分氣流受漩渦氣流的影響,在建筑上方形成螺旋上升的氣流。當(dāng)風(fēng)速較大時(shí),地面上的灰塵、落葉等被漩渦聚集,而后體積小的灰塵顆粒會(huì)隨螺旋風(fēng)上升,易產(chǎn)生揚(yáng)塵;1號(hào)樓后方的區(qū)域由于連廊的阻擋流線較為紊亂,降低了區(qū)域風(fēng)環(huán)境質(zhì)量;圖17(b)和圖17(d)為去掉連廊后不同視角下的流線圖,與圖17(a)和圖17(b)對(duì)比發(fā)現(xiàn):去掉連廊后,上升氣流量減少,不易產(chǎn)生揚(yáng)塵;后方區(qū)域氣流分布均勻,改善了該區(qū)域風(fēng)環(huán)境的質(zhì)量。

圖14 冬季工況相對(duì)氣壓云

圖15 冬季工況風(fēng)速云

圖16 冬季工況流線

4 總 結(jié)

首先對(duì)CAARC標(biāo)準(zhǔn)建筑模型進(jìn)行模擬,確定了湍流模型,然后計(jì)算得到了夏季和冬季工況下華東沿海地區(qū)含有C字型結(jié)構(gòu)的某建筑群的空氣流動(dòng)情況,通過(guò)分析,總結(jié)如下:

圖17 冬季工況三維流線

(1)在夏季工況下,C字型建筑的連廊阻擋了來(lái)流風(fēng),在連廊后方出現(xiàn)氣流滯留區(qū),熱量和灰塵易在此處聚集,難以及時(shí)地?cái)U(kuò)散出去;去掉連廊后,區(qū)域氣流流通順暢,1號(hào)樓和2號(hào)樓的低風(fēng)速區(qū)消失,提高了區(qū)域風(fēng)環(huán)境質(zhì)量。

(2)在冬季工況下,C字型建筑連廊處壓差較大,數(shù)值達(dá)到了60 Pa,易產(chǎn)生冷風(fēng)滲透墻體的現(xiàn)象,在建筑側(cè)面出現(xiàn)漩渦,周圍的灰塵和污染物在此處聚集;去掉連廊后,區(qū)域氣壓分布均勻,原連廊處的壓差消失,建筑側(cè)面漩渦強(qiáng)度減弱,污染物和灰塵聚集能力下降。

(3)氣流經(jīng)過(guò)C字型建筑會(huì)分成兩部分:一部分氣流形成地面漩渦,另一部分氣流螺旋上升,易導(dǎo)致此處產(chǎn)生揚(yáng)塵,且由于連廊阻擋,后方區(qū)域流線紊亂,降低了區(qū)域風(fēng)環(huán)境的質(zhì)量;去掉連廊后,上升氣流量減少,不易產(chǎn)生揚(yáng)塵,整體區(qū)域氣流流動(dòng)順暢,風(fēng)環(huán)境質(zhì)量得到改善。

(4)從風(fēng)環(huán)境質(zhì)量的角度分析,發(fā)現(xiàn)C字型建筑的連廊對(duì)區(qū)域風(fēng)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生消極影響,去掉連廊可改善區(qū)域風(fēng)環(huán)境質(zhì)量,但連廊連接兩棟建筑,可在連廊內(nèi)設(shè)置傳達(dá)室、進(jìn)出口等,方便管理,節(jié)省空間,還可以調(diào)整連廊位置來(lái)實(shí)現(xiàn)高層采光和構(gòu)建消防通道,可提高居民生活舒適度和便捷性,因此對(duì)連廊的取舍設(shè)計(jì)需綜合考慮。