基于CFD風環境模擬下的小區單體建筑受風影響情況分析

孫瑞豐 馬 申（吉林建筑大學，吉林 長春 130000）

基于CFD風環境模擬下的小區單體建筑受風影響情況分析

孫瑞豐 馬 申（吉林建筑大學，吉林 長春 130000）

隨著人們綠色建筑知識的普及，小區內風環境越來越受到重視，其中場地風環境成為影響行人舒適和安全的重要因素。能夠改變小區內風環境的因素比較多，主要包括城市的氣象參數；小區所處的周邊環境；小區的建筑布局和建筑結構形式等。通過數值軟件CFD對小區風環境仿真模擬，分析建筑布局與風場的關系，對小區風環境的設計有一定的指導作用。這就需要考慮小區內部總體風環境就涉及到單體建筑受風的影響，本文主要對建筑單體進行模擬，模擬單體建筑在不同建筑尺寸、風速不同情況下的受風情況，通過模擬分析可以對小區布局及前期規劃等進行參考。

CFD；風環境；單體建筑；受風影響

居住小區是我國現代建筑群構成的主要形式，小區室外空氣流動情況對小區內部的室外風環境有著重要的影響，局部風速過大可能對居民的生活、行動造成不便。因此在規劃設計層面就要考慮小區風環境的影響因素，本文就此方面開展分析研究，以期對小區規劃布局有一定的參考作用。

1 單體建筑風環境數值模擬條件設置介紹

本文的背景是在理想范圍內的，風向采用垂直于建筑立面，速度為5.6m/s，我們采用這個風向與風速做為初始模擬，通過改變單一變量法進行模擬與分析。

2 場地環境與邊界條件

2.1 場地條件

本次模擬采用GAMBIT建模劃分網格，所研究的對象為三維模型，網格單元采用的Tet/Hybrid。采用這種方法生成的網格比較均勻，與實際情況下的通風一致，可用于模擬實際情況下的風環境。

2.2 邊界條件

1）入口邊界條件

采用速度入口邊界條件(velocity inlet)。

2）出流面

假設空氣到達出流面已經充分發展，所謂充分發展，意味著出流面上的流動情況由區域內部向外推得到，對上游流動沒有影響，因此，出流面邊界條件可以設置為outflow。

3）上空、建筑表面與地面

由于本文所設置的計算區域較大，上空面遠離建筑物，可以認為上空面對建筑周圍空氣流動沒有影響，其邊界上法定向速度梯度為零。所以采用了邊界wall，等價于墻。建筑表面與地面采用無滑移的避免邊界條件wall。這種條件的設置是根據模擬實際情況下風的流動來設置的。

3 模擬影響狀況

圖1 來風向垂直于建筑立面示意圖

在本小節中我們模擬的初試風向為正北風，風速為5.6m/s。對6種不同尺寸的建筑進行模擬，分別是：60m×10m×21m；60m×10m×33m；60m×10m×54m；80m×10m×21m；80m×10m×33m；60m×12m×21m（注：長×寬×高）。我們分別對結果提取一定的數據，如圖1所示。提取的數據為受風速影響的區域最遠端的距離如表1所示。

由于在計算域的下游部分留有足夠的長度，可以使得流場充分疊加到湍流的充分發展段。但實際情況時往往建筑的周圍不會留有那么大的距離，所以我們的示意圖是風速進行初次疊加時的面積與效果。

1）60m×10m×21m的建筑選型為普通7層版式住宅的建筑尺寸，具體模擬數據見圖2所示。

圖2 60m×10m×21m速度模型圖與風壓模型圖

圖3 60m×10m×33m速度模型圖與風壓模型圖

2）60m×10m×33m的建筑選型為普通11層板式住宅的建筑尺寸，具體模擬數據見圖3。

3）60m×10m×54m的建筑選型為普通18層板式住宅的建筑尺寸，具體模擬數據見圖4。

圖4 60m×10m×54m速度模型圖與風壓模型圖

4）60m×12m×21m的建筑選型為普通7層板式住宅的建筑尺寸，具體模擬數據見圖5。

圖5 60m×12m×21m速度模型圖與風壓模型圖

5）80m×10m×21m的建筑選型為普通7層板式住宅的建筑尺寸，具體模擬數據如圖6所示。

圖6 80m×10m×21m速度模型圖與風壓模型圖

6）80m×10m×33m的建筑選型為普通11層板式住宅的建筑尺寸，具體模擬數據見圖7。

圖7 80m×10m×33m速度模型圖與風壓模型圖

7）在風速減半且不改變風向角的情況下對80m×10m×33m的板式建筑進行模擬，具體模擬數據見圖8。

圖8 80m×10m×33m速度模型圖與風壓模型圖

由于數據（6）與數據（7）相同，所以統計（1）-（6）數據如表1所示。

表1 模擬提取數據

由以上的圖和表格我們可以得知：

1）每棟建筑單體在風的作用下會在建筑南側和北側產生一定的風減速區，在建筑的東側和西側會產生一定的風加速區。

2）通過對比表格第1、2和3組,第5、6組數據我們可以得出以下結論，如圖9所示：

圖9 高度改變時各數據變化情況

（1）在長度和寬度不變的情況下高度越高的情況下，L1和L2先呈現出減弱趨勢，到達33m之后呈現出增加的趨勢；

（2）在長度和寬度不變的情況下高度越高的情況下L3隨著高度的增加而增加，增加的幅度隨著高度的增加而增加；

（3）在長度和寬度不變的情況下高度越高的情況下L4隨著高度的增加而減小，到達33m之后呈現出增加的趨勢。減小的幅度隨著高度的增加而增加；

（4）在長度和寬度不變的情況下高度越高的情況下L5隨著高度的增加而增加，增加的幅度隨著高度的增加而減弱；

（5）在長度和寬度不變的情況下高度越高的情況下，負風壓最大值區域離建筑立面的垂直距離越遠，也就是前面提到的空腔區距離建筑立面的距離越遠。

3）通過對比表第1、5組和第2、6組數據，我們可以得知以下結論，如圖10所示。

圖10 長度改變時各數據變化情況

（1）在高度和寬度相同的情況下L1和L2隨著長度的增加而增加，高度越高的建筑L1和L2增加的幅度隨著長度的增加而增加。

（2）在高度和寬度相同的情況下L3和L5隨著長度的增加而增加，增加的幅度不隨其他因素變化。

（3）在高度和寬度相同的情況下L4隨著長度的增加而增加，高度越高的建筑L4增加的幅度隨著長度的增加而減小。

（4）在高度和寬度相同的情況下，負風壓最大值區域距離建筑立面的垂直距離不隨著長度的變化而變化。

4）通過對比表格第1和4組數據，我們可以得知以下結論，如圖11所示：

圖11 寬度改變時各數據變化情況

（1）在高度和長度相同的情況下，L1和L2隨著寬度的增加而增加；

（2）在高度和長度相同的情況下，L3隨著寬度的增加而減??；

（3）在高度和長度相同的情況下，L4隨著寬度的增加而減小；

（4）在高度和長度相同的情況下，L5隨著寬度的增加而減小；

在高度和長度相同的情況下，負風壓最大值區域距離建筑的垂直距離隨著寬度的增加而減小。

5）在不改變建筑長度、寬度和高度的情況下，在風速減半且風向角不變的情況下，我們可以得知：

（1）初始風速減半的情況下，L1、L2、L3、L4和L5的數值不變；

（2）初始風速減半的情況下，模擬的全部過程中過速減半；

（3）初始風速減半的情況下，模擬過程中的風壓數值是原始風速的1/4。

4 結 語

我們主要模擬的是垂直于建筑立面方向，風速5.6m/s的初始風速下對單體建筑的模擬，通過對比只改變一個變量的情況下得出一些結論：

1）無論建筑以何種形式存在的板式建筑，當來風向垂直于建筑表面的方向上，在建筑周圍會產生一定面積的風減速區和風加速區，風加速區位于建筑左右兩側面積相等。

2）在只改變建筑高度一種因子的情況下，風減速區與風加速區會產生一定的變化，經過上面的分析我們可以得知：在建筑南側的風減速區最遠端的距離都大于日照間距，這說明在規劃階段時只考慮日照的情況下，建筑按一列排列時前面的建筑會對后面的建筑起到一定的風遮擋作用。

3）在只改變建筑長度一種因子的情況下，風減速區與風加速區會產生一定的變化，經過上面的分析我們可以得知：在規劃階段時我們不建議布置長度過長的建筑。一般布置3個單元60m左右的建筑比較適宜。

4）在只改變建筑寬度一種因子的情況下，風減速區與風加速區會產生一定的變化，經過上面的分析我們可以得知：在規劃階段時我們建議布置寬度大于或等于12m的建筑，可以減少建筑南側風減速區的面積，也可以降低最大負風壓的值，這對保護建筑表面的材料有利。

5）在只有風速改變的時候，風減速區與風加速區的面積不變，風壓呈風速改變的倍數變化。這說明風速降低時對建筑表面的材料保護有更好的作用。

我們可以利用這些規律應用在規劃和建筑的設計層面上，可以在風加速區的位置設置一些耐風的植物來降低風速，可以在風減速區的位置設置一些宅前路和活動場地，這樣可以使人在利用這些場地時感覺到更加的舒適，在負風壓值最大的區域注意保護建筑物表面的材料。在建筑開窗等設計中能夠起到一定的指導作用。

The analysis of monomer building affected by wind situation bBased on CFD wind environmental simulation

With the popularity of green building knowledge for people,more attention paid to the endogenous wind environment,including ground wind environment become the important factors that affect the pedestrian comfort and safety．The fFactors that cCan change the endogenous wind environment are variesfactors,mainly including the city’s meteorological parameters;Area surrounding environment;Village of architectural layout and structure,etc．Simulatingion the wind environment by through numerical software CFD simulation,and analyzes the relations between architectural layout and wind field,It has a certain guiding role for the design of wind environment．That needs to be consider the influence ed within the overall wind environment involves individual buildings is affected by the wind,this paper mainly simulate a single building, simulating different conditions ion of monomer buildings by the wind in different size,and wind speed under different conditions by the wind, through the simulation analysis It can be referenced for of the village layout and preliminary planning can be reference．through the simulation analysis．

CFD；the wind environment；individual buildings；affected by the wind

TU023

B

1003-8965（2017）01-0030-03