石油大學青島校區風環境數值模擬與評估

梁夢吟，李云龍，袁慧娟，張曉宇，孫 睿，劉成文

(中國石油大學(華東)石油工程學院，山東青島 266580)

石油大學青島校區風環境數值模擬與評估

梁夢吟，李云龍，袁慧娟，張曉宇，孫 睿，劉成文

(中國石油大學(華東)石油工程學院，山東青島 266580)

文章采用RNG k-ε湍流模型封閉雷諾方程的時均數值模擬方法，運用CFD模擬軟件Fluent對石油大學青島校區在不同季節主導風向下的繞流風場進行了模擬。針對速度場及壓力場的模擬結果，分析評價了校區的風環境，并對校園建筑物布局規劃提出了建議，同時表明使用數值方法預測校區的風環境可以為優化規劃方案提供科學依據。

風環境; 數值模擬; 速度場; 壓力場

校園是學習和生活的地方，校區內風環境與校內師生息息相關，其受建筑物分布的影響很大。若校區建筑物布局不合理，產生不良的風環境，將會降低校內師生的生活質量。例如，過大的風速將影響人們處于室外時的舒適感，而過大的風壓可能造成物體跌落、玻璃碎裂等，存在極大的安全隱患。近年來，隨著計算機技術的不斷發展，計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)技術在建筑風工程中的應用越來越多，模擬和分析問題的對象也越來越廣泛。本文采用數值模擬方法對中國石油大學青島校區建筑群的風環境進行了模擬。通過研究校內風場的分布規律，有利于給校區內行人通行路徑的選取與新樓群建設提出參考建議，對人們生活環境的改善等有著十分重要的意義。

1 物理模型與網格劃分

1.1 物理模型

石油大學青島校區模型如圖1所示，東西方向長度為1 600 m，南北方向長度為1 500 m，主軸線與正北方向夾角為37.3°。校區由生活區，教學區，工作區三部分組成，中部有較為寬闊的廣場。建筑物主要集中在西部和南部，高度多為20～30 m，校區北部建筑物不多，高矮建筑交錯分布，最高可達90 m；東部建筑物較少，為環保綠化帶。

圖1 石油大學青島校區模型

1.2 網格劃分

建筑物群模型的總體幾何尺寸為 1 600 m×1 500 m×120 m，計算流域取為6 000 m×6 000 m×800 m。流域邊界面和建筑物表面采用三角形非結構網格單元，體網格主要采用四面體網格，個別位置允許有錐體或楔形體，即采用非結構混合網格(TGrid)。網格劃分時，建筑物壁面處進行加密處理，以適應流場變化，外圍區域則布置較粗網格，以減少網格數量，縮短求解時間。最終共生成173 606個節點，1 647 372個面單元和782 572個單元體。

2 控制方程與邊界條件

2.1 控制方程

建筑物風環境的數值模擬，屬于鈍體繞流問題，其控制方程為定常粘性不可壓縮流體的雷諾時均方程組。

連續性方程：

(1)

動量方程：

(2)

RNGk-ε湍流模型：

(3)

(4)

2.2 邊界條件

2.2.1 進口邊界條件

進流面采用速度入口邊界條件(velocity inlet)，進口風速模擬大氣邊界層風速剖面指數分布[1]，公式如下：

(5)

式中：z0、u0分別為參考高度10 m以及參考高度處的風速;α為地面粗糙度指數，根據我國建筑結構載荷規范，取0.16[2]。

進口處的湍流強度I，湍動能k和湍動能耗散率ε分別為：

(6)

(7)

(8)

式中：zg為梯度風高度；u為平均流速；l為湍流長度尺度；Cu=0.09。這些參數的設定均采用Fluent提供的UDF(user-defined functions)編程與Fluent作接口實現。

2.2.2 出口邊界條件

出流面的位置離建筑物較遠，采用完全發展出流邊界條件(outflow)。

2.2.3 其它邊界條件

流域頂部采用對稱邊界條件 (symmetry)，等價于自由滑移的壁面，建筑物表面和地面采用無滑移的壁面條件(wall)[3]。

3 計算方法與計算工況

3.1 計算方法

本文采用有限體積法對控制流動的方程組進行離散，其中對擴散項采用中心差分格式離散，而對流項采用二階迎風格式離散。采用SIMPLE算法進行壓力與速度的解耦，避免出現不合理的壓力和速度。

3.2 計算工況

石油大學青島校區位于青島市黃島區，屬于東亞季風區，常風向為東南風，次常風向為北及西北偏北，強風向與次常風向基本一致。年平均風速5.3 m/s，以東南風為主導風向，最大風速38 m/s。根據文獻[4]提供的資料：冬季平均風速5.3 m/s，N-NW風是主導風向；夏季平均風速4.5 m/s，S到SE風是其主導風向，其中S風頻率最高；春季平均風速最高為5.6 m/s，以S到SE風向為主，尤以SSE風頻率最高。本文分別采用冬季、夏季和春季三種工況數據進行了模擬，見表1。

4 計算結果與分析

本文選取人行高度z=1.5 m為典型水平界面，考察計算區域內的風速和風壓分布情況，對冬季、夏季和春季三種工況下的計算結果進行了分析。

表1 三種不同工況所采用的數據

4.1 戶外行人區風速控制性指標

根據文獻[5]可知，當室外風速達到10 m/s以上時，室外行人開始行動不便，撐傘困難。本文取10 m/s的風速為不對室外行人行動產生不便的上限值。但是由于文獻[5]中給出的風速是針對距地面10 m高度處的，按照式(5)換算可以得到人行高度處的不對室外行人行動產生不便的上限風速值為7.3 m/s。同時參考Visser于1980年對室外熱舒適進行研究時提出的行人舒適感與風速之間的關系[6]：當距地面1.5 m高度處風速小于或等于5 m/s時，室外行人感覺舒適；當風速達到5～10 m/s之間時，室外行人開始感覺不舒適，行動受影響；當風速達到 10～15 m/s之間時，戶外行人已經很不舒適。因此，本文選取5 m/s為人行高度處室外行人感到舒適的理想上限風速值，7.3 m/s為不對室外行人行動產生不便的警戒上限風速值。行人活動頻繁的區域以理想上限值為標準，一般區域可用警戒上限值[7]。

4.2 春季工況

圖2為春季1.5 m人行高度處風速云圖，可以看出春季校園建筑物周邊風環境總體來說較為理想，絕大部分地區風速小于5 m/s，行人感覺舒適。極少數地區風速偏大，主要集中在迎風面的第一排建筑周圍，最明顯的是逸夫樓和文理樓之間的街道及其以北的廣場風速較大，其中最高風速位于逸夫樓的拐角周圍，可達9.5 m/s，行人在該區域行走感覺極其不舒適，行走困難應增加綠化以隔離行人同時減弱風速。同時工科樓和逸夫樓之間的街道、唐島灣餐廳以北、研究生公寓與文理樓之間的空地存在高于7.3 m/s的較大風速，對行人活動產生障礙性影響。學校已經在該片空地進行了一定的綠化，種植了大量的樹木削弱了該影響。還有一些區域，如玉蘭苑餐廳的東西兩側、講堂群的東側、圖書館南側的廣場，存在5～7.3 m/s的風速，雖然不會影響行走，但卻造成了一定程度的不舒適，且該區域是學生就餐和上課必經區域，人行活動頻繁區域，因此需要采取一定的措施如種植行道樹等使風速降到理想上限值5 m/s以下。

1.安全生產方面。一號煤礦以預算指標的形式分解生產任務與工作任務到各區隊、各部室，以書面文件公開發布，在醒目位置張貼各部室本年度重點工作安排，以月考核、季考核、年考核的監測考核體系來督促各項工作的順利高質量完成；安全目標以宣傳橫幅、LED電子屏、階段性活動開展的主題口號等多種形式公開宣傳，明確目標，鼓舞士氣。

圖2 春季工況下1.5 m人行高度處風速云圖

4.3 夏季工況

在夏季工況下，校區建筑物周圍的風速分布云圖以及部分區域的風流線圖如圖3～圖5所示。

圖3 夏季工況下1.5 m人行高度處風速云圖

圖4 研究生公寓區域流線

圖5 本科生公寓區域流線

夏季校園建筑物周圍風速大多數位于5～7.3 m/s之間。在炎熱的夏季里，行人受到該強度大小的風會感覺涼爽舒適，又不會對人正常行走造成太大干擾，環境十分適宜。風速較大的區域同樣位于中部的廣場，南部的逸夫樓東西兩側的街道，建議行人盡量少在該處通行。

少數建筑物的迎風面拐角處，如工科樓西側、研究生公寓東側、國際交流中心東側、存在大于9 m/s的大風。這是由于建筑物作為鈍體存在于風場中有阻擋作用，風經過建筑物前緣的直角頂點處時會發生劇烈分離，使得拐角處來流紊亂，風速急劇增大?？稍谠O計建造時改變建筑物的邊角，增加一定的切角或進行圓滑處理，從而減弱分離流的影響。

大部分建筑物的背風面出現回流旋渦，風速較低，甚至出現“死區”，影響散熱和對流，不利于污染物的擴散和空氣的凈化。例如在本科生和研究生公寓的背風面，見圖4和圖5，均出現了滯留的旋渦區，使該地區的空氣不能進行交換, 污染氣體或其他污染物體將長期滯留而使空氣質量變壞，不利于居住在此的學生的身體健康。因此學生公寓在建造設計時應考慮常風向對建筑物周邊風環境的影響，選取合適的建造角度。

圖6和圖7分別為冬季工況下1.5 m人行高度處速度和壓力云圖。從圖6可以看出，冬季校園建筑物周圍整體風場較強，最高風速值可達11 m/s以上，只有少數位于建筑物背風面的區域由于遮擋作用風速小于理想上限風速值5 m/s，校園內主要街道和行人活動范圍風速均高于警戒上限風速值7.3 m/s，嚴重影響師生的出行。

圖6 冬季工況下1.5 m人行高度處風速云圖

圖7 冬季工況下1.5 m人行高度處壓力云圖

強風主要集中在兩大塊區域。一個位于校園中部，包括整個廣場區域并向南北兩側延伸，貫穿整個校園，由于沒有建筑物遮擋，給北邊來風提供了一條通路，使其迅速發展并逐漸增大。另一大范圍的大風區域位于西側兩組本科生公寓群之間的狹長街道，由于峽谷效應的影響，風流經建筑物之間的狹長地帶時風速迅速增大，這兩部分區域是校園師生通行的主干道，應加強綠化。建筑物的拐角處，如體育館東西兩側，研究生公寓東側，國際交流中心東側，存在大于10 m/s的大風，給行人行走造成極大不便，甚至安全隱患。師生避免經過該區域，并給該區域的公共設施加固，防止其被吹散，砸傷行人。圖7表明校園北部、南部及東部區域建筑物迎風面和背風面均存在風壓極高或極低的情況，可能會造成明顯的冷風滲透現象。因此需要注意門窗加固，增強建筑的密封性能，同時建議在此類建筑物北側區域種植行道樹等景觀綠化植物形成擋風構筑物。

5 結論

(1)本文對石油大學青島校區建筑物群的風場進行了三維數值模擬, 結果表明校區的風場環境在春季時較為理想，夏季存在空氣不流通的問題，冬季大部分區域風力較大，環境惡劣，校內師生盡量避免外出，在大風天氣里還需注意緊閉門窗，做好安全措施。

(2)校園建筑群的布局對校區內風場有很大的影響，建筑物的拐角處和建筑群之間的狹長街道是最易出現大風的區域。在進行規劃建設時，應考慮季節的主導風向和氣候特點，選取合適的建造角度和排列間距，優化建設方案來獲得良好的風環境。

(3)本文模擬結果與實際情況基本吻合，充分說明利用數值模擬方法可以快速、高效地分析建筑布置方案與局部風環境之間的關系, 從中總結出創造舒適風環境的建筑設計準則，為設計可持續發展的建筑提供指導。

致謝：中國石油大學(華東)規劃建設處技術科李健老師提供了校園建筑圖紙。

[1] [1] Muralami S, Mochida A. Three-dimensional numerical simulation of turbulence flow around buildings using the k-( turbulence model[J] . Building and Environment, 1989, 24(5):283-303

[2] GB 50009-2001建筑結構荷載規范[S]

[3] 陶文銓. 數值傳熱學[M] . 西安：西安交通大學出版社，1988

[4] 顏梅，徐勤愛，邵滋和. 青島百年氣壓與風場統計特征分析[J]. 海洋預報，2003, 20(8):14-15

[5] 凱文·林奇. 總體設計[M].北京：中國建筑工業出版社，1999

[6] ISBN4-8189-0459-7C3052 P4450 E-1996，AIJ Recommendations for Loads on Buildings[S]

[7] 王英童. 中新生態城城市風環境生態指標評測體系研究[D]. 天津：天津大學，2010：15-17

中國石油大學(華東)2013年大學生創新創業訓練計劃(20131030)

梁夢吟(1994～)，女，本科生。

TU-023

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[定稿日期]2014-11-04