應用CFD模擬城市街區內風場變化規律

余文馨，曹宗政，梅　梅

（1.重慶華地工程勘察設計院（重慶地質礦產研究院），重慶400000；2.中冶賽迪重慶環境咨詢有限公司，重慶400000）

應用CFD模擬城市街區內風場變化規律

余文馨1，曹宗政2，梅梅1

（1.重慶華地工程勘察設計院（重慶地質礦產研究院），重慶400000；2.中冶賽迪重慶環境咨詢有限公司，重慶400000）

城市環境下的大氣污染物擴散由復雜建筑物結構周圍的風場所控制。本研究利用CFD以某城市市區內一段城市街區為研究對象，建立物理模型與三維湍流模型，模擬出不同幾何結構的城市街區在不同風速下街區內風場的氣流變化規律。模擬結果對于研究城市街區內建筑布局、道路建設、交通規劃和交通控制、污染控制等方面都具有重要意義。

城市街區；風場；數值模擬；CFD

1　引言

城市環境下的大氣污染物擴散由復雜建筑物結構周圍的風場所控制。風的“下洗”和由于建筑物存在而導致的氣流湍流度增加，不僅強烈影響平均風場，也影響到擴散參數。一種典型的建筑物結構布局形態就是城市街區——兩旁都有連續、高大建筑物的相對狹長的街道空間。因為城市街區所具有的獨特結構、特殊下墊面和微氣候特征，所以導致了近地逆溫層的形成，造成局地高濃度的大氣污染。本文以某城市主城區的一段街區為研究背景，建立一個三維城市街區模型，該模型可以呈現出不同幾何結構、建筑群結構形狀的街區，然后在不同溫度、氣壓、風速和風向下模擬街區內風場的氣流流動情況，從而研究街道幾何結構、建筑群結構形狀綜合對街道微環境風場的影響，從而為可持續發展的合理街區規劃提供依據。

2　模型的建立

本文選取的一段街區由三條道路組合而成，其中兩條道路互相垂直分布，第三條道路與水平布設的道路相接，且兩條道路的夾角約為135°。具體布設情況是：水平布設的街區寬15m，長約160m，道路兩側建筑物高度在18～30m之間，整個街區呈現對稱型幾何結構；垂直布設的街區寬20m，長約170m，道路兩側建筑物高度在18～45m之間，整個街區呈現狹長型幾何結構；傾斜布設的街區寬15m，長約100m，道路兩側建筑物高度在12～15m之間，整個街區呈現開闊型幾何結構，效果圖如圖1所示。

圖1　模型區三維立體效果圖

3　模型的建立及網格劃分

本次研究城市街區風場模擬區域邊界設定為：模擬區域上風側為建筑物高度的2倍，即距離上方第一排建筑物120m；下風側為建筑物高度的4倍，即距離下方最后排建筑物240m；兩側寬度為建筑物寬度的1/2，即距離兩側最近的建筑物30m；空間高度為建筑物最高高度的2倍，即距離下方最后排建筑物120m。

在保證準確的模型尺寸后，直接在GAMBIT軟件中建立幾何模型，然后設定邊界層，網格長度定為3m，最終網格總數為255394，效果圖如圖2所示。

圖2　6.4m/s下風壓和風速分布圖

4　數學模型

本文在進行CFD模擬中求解器中的基本物理模型選用標準k-ε模型[1]，使用耦合求解器，同時采用壁面函數法對街區內建筑物的近壁區進行處理，從而對風場進行模擬研究。

5　邊界條件

本次設定的邊界條件僅僅設定流動進口處的流動速度和其他相關的標量型流動變量。對于可壓縮流動問題時會使得入口處的總溫度和總壓有一定程度的波動，導致非物理結果，所以可壓縮流問題不適合采用速度進口邊界條件。本研究中采用以velocity inlet為來流面邊界，自由出口為出流面邊界[2～3]。

在本文中城市街區的來流面邊界條件定位：分別取全年月均最大風速6.4m/s，氣壓97.9kPa，溫度21.1℃，主要風向為ES；再取全年月平均最小風速0.2m/s，氣壓97.4kPa，溫度32℃，主要風向為ES。出流面即值得是模型下風向區域，此處的邊界條件（outflow）假設出流面上流動已充分發展，邊界條件按自由出口設定。街區內的壁面邊界條件（wall）指的是街區兩側建筑物的壁面，以及整個模型中上空離建筑物壁面較遠的上界面。在此處設定的邊界條件中首先要確定其來流風速為水平方向，速度沿切線方向的梯度為零。對于街區兩側的建筑物表面和街區內地面，均采用無滑移（No Slip）的壁面條件。

6　模擬結果與分析

根據風場矢量圖中的風速分布情況，可以得出以下結果：

（1）當街區與來流風相交時，建筑物的連排分布對街區內風壓分布的影響較大。在迎風面上，風的部分動能變為靜壓，使迎風面的壓力大于大氣壓力，形成正壓區；而在背風面因受到的壓力小于大氣壓，故形成負壓區。在街區模型中建筑物的拐角處正壓會達到最大值，而街區內下風向側的排建筑物經過街區另外一側上風向處建筑物的阻擋使風速減小，使街區內下風向側的建筑的表面風壓均較小。模擬結果顯示，在由于建筑物圍成的街區內各大都處于低負壓控制，故在此區的空氣一般會處于渦流狀態。

（2）當街區平行于來流風時，由于在街區內沒有建筑物的阻擋，因此風壓變化不大。

（3）風速直接影響著污染物在街區中的擴散快慢，根據上述中風速矢量圖的結果可看出：當街區平行于來流風時由于街區內沒有建筑物的阻擋，故來風在街區中風向不會發生改變，僅在街區入口處因建筑物拐角的影響，使風速在各自的拐角處達到最大值，而后逐漸減小，趨于大于入口速度的一個穩定值，速度方向均由西向東，基本不變。

較復雜的情況便是當街區垂直于來流風時和與來流風成一定斜角時，由于迎風面建筑物的阻礙作用以及前后建筑物高度的差異會對風速和風向產生較大影響，從而也使得街區內的流場分布也因此而變得相對復雜。下面作者就該情況作出以下較詳細的分析：

①在迎風面由于街區兩側建筑物的阻礙作用，尤其是在垂直于來風方向的街區模型中左上側尖角和左下側拐角處，氣流發生了顯著的分離，同時在近地面產生了停止環流現象。同時在街區兩側建筑物頂部產生了氣流回流現象。還可以看到，在街區兩側的建筑物頂部尖角處均產生逆與來流的氣流，從而使得在街區內產生了雙渦環流現象。而在該街區的下方，由于此處的建筑物有明顯的倒角結構，使其避免了漩渦的產生。

②在街區兩側某些高大建筑物之間會有一定距離，便形成了“管狹”。本次模型中，在迎風面處存在有兩個這樣顯著的“管狹”。可以看到，在來流風進入該“管狹”后風速明顯增大許多，如此便形成了城市中的“管狹風”，同時其分別在各自的建筑物的兩側產生漩渦。而在右側背風面同樣的“管狹”入口處，因來流風經過回流后速度已降低，故風速度變化不大，處于低速區。

③在該模型中與來流風呈一定傾斜角度的街區，由于在設計時是按照開闊型街區的幾何結構進行設計的，即建筑物高度小于街區寬度。可以看出，風場在這種街區內風速變化并不大，整個流場分布較平穩，沒有產生環流、漩渦、管狹風等現象。可見開闊型街區有利于污染物地擴散。

7　結論

通過以上分析，可得出如下結論：

（1）氣流在街區建筑物拐角處風速呈射流狀地繞過建筑的頂面及兩側面，然后風速會突然地增大很多，同時誘導背風面的氣流形成了旋渦。

（2）兩建筑物相距較近時形成了“管狹”，氣流會從該狹縫中穿過，從而氣流到達建筑物背風側的街區內，風速不僅不會降低反而明顯增大，也可稱該現象為“抽風效應”。

（3）因為街區上風向側建筑物產生的阻擋作用使得氣流在運動過程中在爬升越過該處的建筑物時在后方出現一個尾流區，根據風速高的區域湍流強度小，而低速區域湍流強度大這一規律，尾流區內的風速會相對較低，所以便在街區建筑物背風面處形成低風速區。而當來流風向建筑物吹來時，因為建筑物的阻擋使來流風的氣流沿著建筑物向上爬升，并且在建筑物附近形成了靜駐漩渦，這樣又使得街區迎風面側的建筑物附近也產生了低風速區。另外由于氣流分離作用及建筑物誘生的二次流作用，尾流區內速度虧損，湍強增強，兩者共同作用使建筑物背風側出現風速的低值區，且越靠近建筑物地面處風速越低。

[1]江 帆，黃 鵬.Fluent高級應用與實例分析[D].北京：清華大學，2008.

[2]王 超，邱衛國，李文孟，黃遠東，呂 品.城市帶廊道街道峽谷內氣流運動及污染物擴散的數值研究沈陽建筑大學學報，2006，22（5）：782～786.

[3]蔣維嵋，苗世光，劉紅年.城市街區污染散布的數值模擬與風洞實驗的比較分析.環境科學學報，2003，23（5）：652～656.

Application of CFD to Simulation ofWind Field Variation in Urban Blocks

Yu Wenxin1，Cao Zongzheng2，MeiMei1
（1.Chongqing InstituteofGeologyand MineralResources，Chongqing400000；2.ChongqingCCIDEnvironmentalConsultingCo.，Ltd.Chongqing400000）

Urban environment of the atmospheric pollutants spread by complex structure around the wind place control.This study uses the CFD in city,sometime city streets as the research object，the establishment of physicalmodel and three-dimension turbulentmodel，simulate different geometric structure in the city streets under differentwind speed of air flow.the simulation results in the research of urban streets for the architectural layout，road construction，transportation planning and traffic control，pollution control is very significant.

City streets；Flow-field distribution；Numerical simulation；CFD

TM614

A

2095-2066（2016）31-0011-02

2016-10-23