某建筑群室外風環境的CFD模擬與評價

劉少鋒 任 杰

(1.中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅蘭州 730000; 2.北京中外建建筑設計有限公司西北分公司，陜西西安 710055)

0 引言

建筑風環境與建筑物的外形、尺寸、建筑物之間的相對位置以及周圍的地形地貌有著很復雜的關系。如果在城市規劃和建筑設計中忽略了風環境問題，就有可能給城市環境帶來不利影響［1］。在有較強來流時，建筑物周圍某些地區會出現強風，如果這些強風區出現在建筑物入口、通道、露臺等行人頻繁活動的區域，則可能使行人感到不舒適，甚至帶來傷害，形成惡劣的風環境問題。同時，室外風環境深刻影響建筑室內風環境，特別對建筑防風與自然通風有著決定性影響。因此在設計階段，應對建筑物的室外風環境做出評價，分析建筑之間位置關系對室外風環境的影響。

由于“數值風洞”的計算結果比風洞模型實驗更直觀、更詳細，數值分析方法在國際上已廣泛采用［2］。本文采用數值模擬的方法對室外風環境進行評價。

1 數值計算

根據對建筑室外風環境流場湍流特性的初步分析，建立描述其氣流運動特性的方程為基于 Boussinesq假設［3，4］基礎上的Reynolds時均的包括連續性方程、動量方程、能量方程、狀態方程的控制方程組。為使方程的封閉，湍流模型采用標準的κ—ε雙方程模型。其控制方程組如下:

其中，ρ為密度;Γ為廣義擴散系數;Sφ為廣義源項;U為速度矢量;φ為通用因變量，代表速度u，運動粘性系數v，湍流粘度w，溫度t，湍流動能k，湍流動能耗散率ε，特征尺寸l。

采用四面體結構化網格對計算區域進行網格劃分，對建筑物周圍的區域進行局部細化，網格的質量(長寬比、斜度等)滿足計算要求，總網格數為180萬個，見圖1。

根據當地的氣象數據，本數值報告模擬夏季、冬季及全年最大風速的風向下的3個典型工況下室外不同來流風速與風向下的流場分布特性，計算工況見表1。

圖1 網格劃分示意圖

表1 數值模擬工況

2 結果與討論

1)夏季2.4 m/s(S)。

圖2a)給出地面處的速度分布。當夏季吹南風時，本項目的地面風速基本在2m/s以下，這樣不容易吹起地面上的塵土，有利于提升建筑群周圍的空氣質量。與此同時，在換乘大樓東側的公路上具有較大風速，其風速值達到2.4 m/s，有利于公路上行駛汽車尾氣的排放。換乘大樓西側及東側空間上具有2.5 m左右的風速，有利于換乘車輛的廢氣排放。建筑物周圍沒有明顯不利于污染物擴散的渦旋。

圖2b)給出距地面7.2 m處的速度分布。當夏季吹南風時，購物中心，酒店寫字樓的西面具有較大風速，其值達到2.5 m/s。在此風速下，如果能夠結合合理的建筑開窗，將有效的起到建筑節能的作用。備班樓及換乘大樓可在南向和北向同時開窗，從而形成穿堂風，提到夏季自然通風的通風效率。與此同時，換乘大樓及備班樓內的尾氣會被南風帶向東北方向，不會流向購物中心，酒店寫字樓所處區域。這對購物中心，酒店寫字樓的空氣質量有利。

2)冬季 2.4 m/s(NNW)。

圖2 夏季工況下地面處和距地面7.2 m處的速度場

圖3 a)給出地面處的速度分布。當冬季風向為NNW時，本項目建筑周圍的地面風速基本在2 m/s以下，這樣不容易吹起地面上的塵土，有利于提升建筑群周圍的空氣質量。與此同時，在換乘大樓東側的西二環線及西側的玉蘭路上都具有較大風速，其風速值達到2.3 m/s，有利于公路上行駛汽車尾氣的排放。換乘大樓西側及東側空間上具有1.5 m左右的風速，有利于換乘車輛的廢氣排放。建筑物周圍沒有明顯不利于污染物擴散的渦旋。

圖3b)給出距地面7.2 m處的速度分布。可以看出，酒店寫字樓及購物中心對西北吹來的冷風起到了良好的隔絕作用，形成了典型的“庭院式”設計，有利于整體建筑的冬季節能，減少整體建筑的供暖能耗損失。建議在酒店寫字樓西北角及換乘大樓的東北角適當綠化或興建裝飾性構筑物，能夠有效的阻擋被封寒流，更好的起到為建筑物保暖的作用。與此同時，鑒于酒店寫字樓、購物中心及換乘大樓北向及南向的風速差別較大，容易引起空氣壓差變化。建議加強酒店寫字樓、購物中心及換乘大樓北墻的圍護建筑氣密性能，減少冷風滲透所引起的供暖能耗損失。

圖3 冬季工況下地面處和距地面7.2 m處的速度場

3)全年2.8 m/s(NW)。

圖4a)給出地面處的速度分布。當全年工況下吹西北風時，本項目的地面風速基本在2 m/s以下，這樣不容易吹起地面上的塵土，有利于提升建筑群周圍的空氣質量。與此同時，在建筑群周圍具有較大風速，其風速值達到2.3 m/s，有利于建筑群廢氣的排除。換乘大樓西側及東側空間上形成了“峽谷風”，具有2 m左右的風速，有利于換乘車輛的廢氣排放。建筑物周圍沒有明顯不利于污染物擴散的渦旋。

圖4b)給出距地面7.2 m處的速度分布。可以看出，酒店寫字樓及購物中心對西北吹來的冷風起到了良好的隔絕作用，形成了典型的“庭院式”設計，有利于整體建筑的冬季節能，減少整體建筑的供暖能耗損失。與此同時，在購物中心西南角、SOHO公寓入口處具有較大風速，容易引起室外活動的舒適性和建筑通風。建議在此處添加裝飾性構筑物或進行綠化。同時在換乘大樓東北方，風速同樣偏大，建議對此處進行綠化，并加強換乘大樓北外墻和東外墻的建筑氣密性，從而減少供暖損失。

圖4 全年工況下地面處和距地面7.2m處的速度場

3 結論與建議

根據對夏季、冬季及全年最大風荷載下3個典型工況的模擬分析，根據模擬分析結果，本項目建筑群的室外氣流組織，能夠達到如下效果:1)模擬表明本項目場區內主要通道內的風速均小于5 m/s，滿足行人室外活動的舒適性要求。2)在備班大樓及換乘大樓周圍均有2 m/s以上風速，有利于周圍汽車尾氣的排除。3)本項目的地面風速基本在2 m/s以下，這樣不容易吹起地面上的塵土，有利于提升建筑群周圍的空氣質量。4)建筑物周圍沒有明顯不利于污染物擴散的渦旋。5)夏季通風時，建筑群周圍風速不低于2 m/s，有利于自然通風及減少空調冷負荷。6)酒店寫字樓及購物中心對西北吹來的冷風起到了良好的隔絕作用，形成了典型的“庭院式”設計，有利于整體建筑的冬季節能，減少整體建筑的供暖能耗損失。7)換乘大樓及備班樓內的尾氣會被室外風帶離建筑群，不會影響購物中心，酒店寫字樓，SOHO公寓等建筑周圍的空氣品質。同時，根據對夏季、冬季及全年最大風荷載下3個典型工況的模擬分析，根據模擬分析結果，提出如下優化建議:1)建議在酒店寫字樓西北角及換乘大樓的東北角適當綠化或修建裝飾性構筑物，能夠有效的阻擋被封寒流，更好的起到為建筑物保暖的作用。2)當夏季吹南風時，購物中心，酒店寫字樓的西面具有較大風速，其值達到2.5 m/s。在此風速下，如果能夠結合合理的建筑開窗，將有效的起到建筑節能的作用。3)備班樓及換乘大樓可在南向和北向同時開窗，從而形成穿堂門，提高夏季自然通風的通風效率。4)建議在酒店寫字樓西北角、換乘大樓的東北角、SOHO公寓入口處適當綠化或興建裝飾性構筑物，能夠有效的阻擋被封寒流，更好的起到為建筑物保暖的作用。5)建議加強酒店寫字樓、購物中心及換乘大樓北墻的圍護建筑氣密性能，減少冷風滲透所引起的供暖能耗損失。

［1］一 丁，雨 露，洪 涌.中國古代風水與建筑選址［M］.石家莊:河北科學技術出版社，1996.

［2］David Hutchinson，Wind-aplanner’sview，Joumal of mdustrial aerodynamics［J］.1978(3):117-127.

［3］王啟杰.對流傳熱傳質分析［M］.西安:西安交通大學出版社，1991.

［4］陶文銓.數值傳熱學［M］.西安:西安交通大學出版社，1988.