CFD模擬技術在建筑立面造型設計中的應用

楊亞男 李運江 許華華 范 波

（三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002）

隨著人類社會的進步和現代工業的發展，人類對能源的消耗越來越大，導致全球氣溫升高，大氣污染，海平面上升等一系列危機.因此，建筑已經朝著節能、環保和健康的方向發展.從很多方面來講，建筑物室內外的自然通風是十分必要的，自然通風不消耗化石能源，可以減少能耗、降低大氣污染，它是決定人們生活健康和舒適的主要因素之一.同時新鮮空氣進入室內，可以稀釋空氣污染物，進行降溫和除濕，改善人們的舒適感.在我國現階段快速城市化進程中，由于受地形等條件限制，許多小區呈圍合或半圍合狀態，外圍建筑影響到小區的自然通風.所以，在組織建筑物室內外自然通風時，應考慮氣流路線必須經過人的活動區域，同時要達到一定速度，一般應達到0.3～1.0 m／s［1].為了組織好自然通風，在設計過程中除了對建筑朝向、間距及建筑群的總體布置加以關注外，還要對建筑物的平面和剖面布置做出合理的選擇.但在實際設計過程中，建筑師往往缺少對建筑物的平面和剖面造型與風場分布關系的關注.針對以上實際情況，結合宜昌本地通風的特點，本文希望通過應用CFD模擬軟件PHOENICS2009，為建筑師在建筑設計過程中提供參考.

1 宜昌地區氣候環境現狀

宜昌地處長江中上游交界處，鄂西山區向江漢平原的過渡地帶.宜昌地形呈現出自西向東逐級下降的態勢，高低相差懸殊.宜昌屬亞熱帶濕潤季風氣候區，建筑設計熱工分區屬于夏熱冬冷地區，年平均氣溫為16.8℃、平均降雨量1 155.0mm.宜昌最為顯著的氣候特征可概括為：水熱同季，夏季炎熱多雨，冬季相對寒冷干燥；四季分明，冬、夏長，春、秋短［2].

1.1 宜昌市城市平均風速

城市對局部氣象條件以及污染物擴散的影響主要有：建筑物對氣流有摩擦阻力作用、阻止作用；城區風速明顯低于周圍郊區.城區風速的降低與城市建成區的范圍、建筑物的高度和密度，街道的寬度和走向，綠地和空地的面積和分布等因素有關.圖1給出了宜昌及周邊地區多年平均風速的季節變化［2].

圖1 宜昌地區多年月平均風速變化（1959～2000）

從圖1可以看出，宜昌市通風季節大部分時間處于輕風狀態，對于市區建筑物密集區域，自然通風不利，因此有必要對建筑物通風狀況加以研究.

1.2 宜昌市城市年平均風玫瑰圖

宜昌地區的年平均風玫瑰圖見圖2，主導風向為偏東南風.就各個季節而言，冬季主要以東南東風為主，夏季主要以東南風為主［2].

圖2 宜昌地區多年平均風玫瑰圖（1959～2000）

2 建筑模型的建立

2.1 建筑模型的建立

宜昌市為山地城市，由于受地形限制，宜昌市建筑朝向主要為南北向，并有部分為東南西北朝向，因此模型選擇如圖3所示.

模型中建筑物假設為院落型小區外圍建筑.根據《民用建筑設計通則》（GB 50352－2005）有關規定并考慮建筑日照及防火條件，將模型設定為：建筑單體高度為22m.圖示中所標注單位全部為m.

圖3 建筑平面圖及主立面圖

2.2 數學物理模型

數學物理模型的基本假設：牛頓流體是指在受力后極易變形，且切應力與變形速率成正比的低粘性流體.大多數純液體、輕質油以及低速流動的氣體等均為牛頓流體，所以建筑物外環境空氣假設為牛頓流體［3].

根據以上假設，采用標準KECHEN穩態紊流模型［3].室外風環境變化快，但對于宜昌本地的風速較低的實際情況，標準KECHEN穩態紊流模型已經能夠滿足實際要求.根據相關研究確定其流場模擬的計算區域為：建筑物前后距離邊界為建筑物高度的6倍，計算域高度為建筑高度的5倍［4].

2.3 自然通風動力因素

空氣壓力差的作用使空氣產生流動，從而形成風.形成空氣壓力差主要有兩方面的動力因素，即熱壓作用和風壓作用.由于風壓通風對改善室內氣候條件的效果比較顯著，故在組織自然通風時主要考慮風壓通風［1].風壓計算公式如下：

式中，Pw為風壓；v為風速；ρ為室內外空氣密度；g為重力加速度；K為空氣動力系數，即某點上壓力與風的動壓之比，有正負，絕對值在0～1，本次模擬取0.5.

2.4 邊界條件的確定

此次模擬主要針對宜昌地區夏季的通風情況，室外風速采用宜昌當地夏季平均風速，即1.4m／s，同時采用宜昌當地7月份平均大氣壓，參考高度取10m高度.由于選取的計算區域較大，上側面和兩側面的空氣流動幾乎不受建筑物的影響，假設建筑物外墻壁采用固體摩擦平滑的墻壁［5].

3 模擬結果及分析

本次模擬實驗應用CFD軟件，針對夏季7月份時段自然通風狀況，模擬結果如圖4～5所示.

從模擬結果可以看出，在建筑物背風面中部形成較大范圍渦流區，渦流影響范圍接近建筑物高度的2倍［1]，由于該外圍建筑物對小區內部建筑的遮蔽作用，使小區內部自然通風處于不利形勢.在渦流區長度為1.5倍建筑高度處，風速降低至0.16m／s，幾乎處于靜止狀態，此處風壓值Pw＝0.008Pa.

現對建筑物立面造型進行優化處理：在建筑物中部10m處開始進行開口處理，開口規模為10m×10 m×3m，開口數量為4個，在高度方向上隔3m設置一處，如圖6所示.

圖6 優化后建筑平面圖及主立面圖

在模擬參考高度為10m處，得到如下模擬結果.

圖7 優化處理后平面風速分布圖

圖8 優化處理后剖面風速分布圖

通過圖示可以看出，在對建筑立面進行優化后，渦流區域范圍較優化前有較大程度減小，約為優化前范圍的1／2，在渦流區長度為1.5倍建筑高度處，風速提高至0.84m／s，此處風壓值Pw＝0.227Pa.最低風速較優化前有大幅度提高，對于通風狀況的改善較為顯著.模擬實驗結果表明，通過對建筑物造型進行開口處理，可以改善建筑物所處環境的風場分布，便于小區組織自然通風.

4 結 論

宜昌地處夏熱冬冷地區，利用自然通風可以顯著改善室內外風環境，同時還可以達到節能降耗的目的.而且，配合建筑造型的優化，還可以增加建筑物的美觀.通過本次模擬實驗，可以為建筑師對建筑造型的優化改善提供參考.

［1]孟慶林，陳仲林，吳碩賢.建筑物理［M].廣州：華南理工大學出版社，2002：141－149.

［2]宜昌市規劃局.宜昌市大氣環境研究［R].宜昌：宜昌市總體規劃，2005：79－108.

［3]謝軍飛.城市綠地風場的不同數值模擬方法比較研究［J].農業網絡信息，2011（7）：18－21.

［4]戚大海.上海某公共展廳自然通風模擬研究［J].建筑熱能通風空調，2011（6）：41－44.

［5]王冬梅.商用建筑自然通風應用研究［J].建筑科學，2009（12）：89－92.