被上游建筑遮擋的下游建筑表面風壓CFD模擬的可靠性研究

付琳莉　殷維　王天文　郝小禮　劉何清　張國強　陳翚

摘 要：研究城市通風或建筑風環(huán)境的主要目的是探索建筑之間和建筑內(nèi)外的氣流運動及污染物擴散規(guī)律，主要手段有風洞實驗和計算流體動力學（CFD）模擬，后者相對前者的優(yōu)點是易操作且成本低，但由于流體運動的高度不確定性，其結果的準確性存疑。在城市中，建筑之間的互相遮擋是主要特征之一，提取其中最基本單元，把兩個建筑之間的遮擋問題分為上游建筑有孔（如穿堂風）與無孔兩種情況，運用CFD中的雷諾平均模型（RANS）模擬下游建筑表面的風壓，并與風洞實驗進行嚴格對比，以討論CFD方法在這一基本單元問題中的可靠性。網(wǎng)格敏感性分析顯示，建筑表面最小網(wǎng)格為建筑高度的2%時，可獲得可靠的結果。5種常用RANS模型的結果與風洞實驗嚴格對比表明：RANS模型對模擬上游有孔遮擋的可靠性明顯高于模擬無孔遮擋;RANS模型對于建筑上部的風壓模擬結果普遍好于建筑下部;其中，SST k-ω模型準確性最高，在上游有孔時，平均誤差11%，上游無孔遮擋時，則為16%。

關鍵詞：城市通風;建筑遮擋;風壓;計算流體動力學;風洞

中圖分類號：TU119 文獻標志碼：A 文章編號：2096-6717（2020）01-0180-11

Abstract：Urban ventilation or wind environment focus on the air flow distribution and pollution dispersion which are studied by the tools of wind tunnel and computational fluid dynamics （CFD） simulation. The latter is easy to be employed， but its reliability is under suspicion due to the high uncertainty of air stream. In the city， the sheltering among buildings affects each other in air flow， and the basic element is the two-building model. Shade problem between the two buildings are divided into upstream building with a hole （such as drafts） with no hole two situations， Reynolds average model of using CFD （RANS） simulation of wind pressure on the surface of the building downstream， and compared with wind tunnel experiments are strictly， to discuss the CFD method in question the reliability of the basic unit. The analysis of grid sensitivity states that the smallest side length of the cell around 2% of building height is sufficient to obtain steady results. The comparison of five typical RANS model presents： the reliability of RANS model to the upstream with hole occlusion was significantly higher than that of simulation without hole occlusion; estimations on upper parts of building are more accurate than on lower parts; the SST k-ω model can acquire best results with error of 11% in porous interfering building， and with 16% in sealed one， in comparison of experimental data.

Keywords：urban ventilation; building sheltering; wind pressure; computational fluid dynamics （CFD）; wind tunnel

研究城市通風或建筑風環(huán)境的主要目的是探索建筑之間和建筑內(nèi)外的氣流運動及污染物擴散規(guī)律，例如，自然通風是其中主要研究內(nèi)容之一[1]。建筑間氣流的現(xiàn)場測量存在不穩(wěn)定性、多樣性等特點，而風洞手段結合簡化建筑模型，能夠得到相對穩(wěn)定可靠的實驗結果[2-4]。另一方面，越來越多的研究人員運用更為方便和低成本的計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）來研究此類問題，其中，建筑內(nèi)外的氣流耦合模擬成為研究熱點[5-7]。

Straw等[6]的通風研究表明，與測量的體積流速（偏差為28%～32%）相比，壓力系數(shù)與孔口方程的結合使用，并不能較為準確地預測體積流速，當存在（大）開口時，其壓力系數(shù)與同一主體上的壓力分布不對應。對于自然通風的研究，Kavara等[3]針對一個單區(qū)兩開口的一般性模型進行了風洞實驗，研究分為兩對稱墻上開洞與側墻上開洞兩種情況。結果表明，經(jīng)典的伯努利方程計算出的氣流流量公式與實際情形相差較大，建筑之間的遮擋會極大地削弱自然通風的效果，兩個建筑的互相遮擋是其最簡單的形式。在現(xiàn)有遮擋研究中，主要討論兩建筑之間水平方向、垂直方向?qū)ㄖ奢d的影響[8-10]。基于Kavara等[3]的研究，Tominaga等[11-12]在相同模型下進一步探討了污染物擴散情況，此外，還討論了建筑周邊無遮擋和有遮擋兩種情況，發(fā)現(xiàn)當周邊有遮擋建筑時，穿過建筑的氣流量將下降30%，但Tominaga等僅研究了單區(qū)間建筑內(nèi)部穿堂風的分布規(guī)律。Van Hooff等[13]基于Tominaga等[11]的實驗結果，針對無遮擋的情況，運用CFD方法進行了模擬研究。結果顯示，所有的雷諾平均模型（Reynolds Average Navier-Stokes，簡稱RANS）可以較好地模擬建筑內(nèi)部的氣流場，卻無法較好地模擬湍流動能分布，而大渦模型（Large Eddy Simulation，簡稱LES）則可以較好地模擬出所有參數(shù)，包括速度、湍流動能和換氣量。但Smal[14]針對Tominaga等[12]的有遮擋情況，運用穩(wěn)態(tài)雷諾平均NS方程模型與非穩(wěn)態(tài)雷諾平均NS方程（RANS與URANS）進行了模擬。結果顯示，所有模型所得到的速度和湍流度模擬結果都與實驗結果的吻合度較差，只有RSM湍流模擬出的室內(nèi)氣流的風向與實驗相一致。

以上研究表明，CFD模擬對于有遮擋后方的氣流預測準確性較差，且未討論上游建筑有孔時對下游建筑的影響，即未見穿堂風對下游建筑表面壓力的影響。針對上游建筑為有孔遮擋與無孔遮擋兩種遮擋情形，將CFD模擬結果與風洞實驗數(shù)據(jù)進行嚴格對比，探究在提高模擬可靠性的同時，降低計算硬件要求與時間成本。

1 風洞實驗設置

1.1 研究方案與模型

為了避免由實驗模型造成的實驗誤差，上游與下游建筑采用與Karava等[3]相似的建筑模型，與Tominaga等[11]實驗中的模型尺寸完全相同，與真實建筑比例為1∶100，上下游兩個建筑的外形尺寸都為W×D×H=0.2 m×0.2 m×0.16 m，兩建筑間的距離固定為2倍建筑寬度（0.4 m）。只討論一個來流風向——垂直于上游建筑迎風面。實驗對象分為兩組：1）有孔遮擋，上游建筑為中空，且迎風面與背風面各有一個相同面積與位置的對稱開口，開口位置位于迎風面和背風面中心，高度h=80 mm，開口面積為3.3×10-3 m2;2）無孔遮擋，上游建筑同為中空建筑，但建筑各表面無開口，為封閉模型。兩組實驗模型如圖1所示。壓力系數(shù)測量點布置于下游建筑表面，建筑模型測點分布如圖2所示。

1.2 風洞設置

風洞為一座水平直流吸入式單試驗段低速風洞，風洞試驗段長21 m、高3 m、寬4 m，使用尖頂和表面粗糙度的組合來創(chuàng)建近似3類大氣邊界層的流動風剖面。來流風平均速度服從冪指數(shù)為0.25的函數(shù)公式，見式（1）。

4 CFD模擬結果與風洞實驗對比

4.1 上游遮擋建筑有孔情形

研究有孔遮擋時5類RANS模型的可靠性，定義下游建筑頂部為A，迎風面為B，來流風向左側為C，來流風向右側為E，下游建筑背風面為D，展開圖如圖10所示。將模擬結果與風洞實驗結果進行比較，得到有孔遮擋時下游建筑表面平均風壓系數(shù)的中位背脊線及距地1/4、1/2與3/4建筑高度的腰周線，如圖11所示。其中，Exp1、Exp2為兩次有孔遮擋風洞實驗下游建筑表面風壓系數(shù)。為減少風速對結果的影響，將5類模型的面平均壓力系數(shù)進行標準化處理，即每個面的風壓系數(shù)與5個面的平均風壓系數(shù)的比值（等于下游建筑所有測點平均風壓系數(shù)），再與實驗值比較，得到的數(shù)值誤差見表1。表1中Exp1與Exp2分別為上游有孔遮擋風洞實驗的第1次與第2次實驗平均風壓系數(shù)標準化數(shù)值結果。

對比有孔遮擋的不同模型結果與實驗結果可以發(fā)現(xiàn)：

1）圖11（a）背脊線結果表明，SKE模型在迎風面（1～9號測點）明顯高估于實驗值，RSM模型在迎風面的高估程度僅次于SKE模型，5類模型在頂面（10～16號測點）與背風面（17～25號測點）結果較于迎風面均擬合較好。

2）由圖11（b）、（c）、（d）腰周線可知，SKE模型與RSM模型在迎風面（B面1～7號測點）也存在明顯的高估，且SKE模型在下游建筑兩側面（C面22～28號測點和E面8～14號測點）模擬值低估于實驗值。

3）圖11（b）、（c）、（d）還表明，對于不同位置高度的腰周線，5種RANS模型都顯示出建筑上部的模擬結果明顯好于建筑下部，這可能是下墊面的粗糙程度對模擬結果存在干擾。

4）圖11各圖都顯示，SST與RLZ模型在背脊線與腰周線各面的擬合程度都高于SKE、RNG、RSM模型。

5）由表1可知，SST模型在數(shù)值上表現(xiàn)出高的可靠度（與Exp1和Exp2誤差分別為11%、10%），其次為RSM模型（與Exp1和Exp2誤差分別為15%、11%）。

6）由圖11和表1可知，SKE模型的模擬可靠性最低，其標準化結果偏差最高為30%。

由此可見，SST模型模擬可靠度最高。

4.2 上游遮擋建筑無孔情形

圖12（a）為上游建筑為無孔遮擋時，下游建筑中位背脊線平均風壓系數(shù)對比圖。圖12（b）、（c）、（d）分別為下游建筑距地面1/4高度、1/2高度與3/4高度的腰周線風壓系數(shù)，其中，Exp3、Exp4為2次風洞實驗下游建筑平均風壓系數(shù)。將5類模型面平均壓力系數(shù)進行標準化處理，得到的數(shù)值誤差如表2所示。其中Exp3與Exp4為無孔遮擋風洞實驗的兩次實驗平均風壓系數(shù)標準化數(shù)值。

對比無孔遮擋的不同模型背脊線和腰周線計算結果與實驗結果可以發(fā)現(xiàn)：

1）圖12（a）下游建筑表面平均風壓系數(shù)中位背脊線顯示，SKE與RSM模型在迎風面（B面1～9號測點）明顯高估于實驗值，在頂面（A面10～16號測點）與背風面（D面17～25號測點）5類模型模擬結果均擬合較好。

2）由圖（b）、（c）、（d）中的腰周線可知，在迎風面（B面1～7號測點）上，SKE、RSM、RNG模型存在明顯高估。總體上SST模型（與Exp3和Exp4誤差分別為16%、19%）與RLZ模型（誤差分別為25%、27%）擬合最好

3）由表2數(shù)據(jù)可知，無孔遮擋的RSM模型模擬結果的可靠性最差，與Exp3和Exp4誤差分別達54%、59%，其次為SKE模型，與Exp3和Exp4誤差分別為51%、54%。

由此可見，SST模型對于無孔遮擋的模擬可靠性最高。

4.3 有孔遮擋與無孔遮擋比較

表1與表2顯示同一種RANS模型對于不同遮擋情形的模擬結果偏差不一樣。分別比較有孔遮擋與無孔遮擋的5種RANS模型可以發(fā)現(xiàn)，RSM模型針對有孔遮擋情形的模擬可靠性結果較好，但對于無孔遮擋情形的模擬結果可靠度最低。表1與表2也表明，無論是有孔遮擋還是無孔遮擋，其模擬結果可靠性最高的都為SST模型。

基于SST模型分別得到兩種遮擋情形的中垂面速度矢量圖，如圖13所示。由圖13（a）可知，當上游為封閉建筑，即為無孔遮擋時，氣流繞過上游遮擋建筑，在兩個建筑間形成一個大的渦旋;由圖13（b）可知，當上游為有孔遮擋時，上游建筑的穿堂風會影響建筑間的渦旋，因此，減少上游建筑遮擋的作用，進而流場更接近無遮擋情形，模擬結果更為精確。

將模擬結果進行處理，得到標準化誤差表，見表3。由于兩次風洞實驗值接近，對比結果都取第1次實驗結果。由表3平均風壓系數(shù)標準化后結果可知：有孔遮擋模擬結果相較于無孔遮擋誤差約小40%（誤差11%與16%的對比）。

由此可見，SST模型對于有孔遮擋情形好于無孔遮擋情形。

4.4 可視化實驗

可視化實驗中發(fā)煙口位于上游建筑地面中心，發(fā)煙試劑采用了15%的丙烯乙二醇溶液，實拍照片如圖14所示。可視化實驗效果（圖14）與SST模型模擬結果（圖13（b））有比較好的相似性。

圖14與圖13（b）都顯示，上游建筑的穿堂風在出口處形成沖擊氣流，破壞了兩建筑間的渦旋，在一定程度上減少了建筑遮擋的作用，使得下游建筑更接近于無遮擋的環(huán)境。這有可能是有孔遮擋的CFD模擬好于無孔遮擋的原因。

5 結論

通過與風洞實驗數(shù)據(jù)的嚴格對比，分析上游建筑有孔、無孔兩種遮擋情形下，下游建筑表面壓力CFD模擬可靠性與準確性。通過比較分析3種網(wǎng)格密度及5種RANS模型，得到以下結論：

1）網(wǎng)格敏感性分析顯示，當建筑表面的最小網(wǎng)格為建筑高度的約2%時，計算結果滿足網(wǎng)格獨立性要求。

2）對上游建筑為有孔遮擋或無孔遮擋時，5種常見RANS模型中，SST k-ω模型的模擬可靠性最高。采用SST k-ω模型對有孔遮擋與無孔遮擋的模擬對比顯示，對前者的模擬誤差比后者誤差還要低，即上游建筑有孔時，下游建筑表面的風壓的數(shù)據(jù)預測準確性反而更高。這有可能是由于穿過的氣流更接近無遮擋的情形造成的。

3）發(fā)煙可視化實驗顯示，有孔遮擋SST k-ω模型模擬的中垂面氣流組織與風洞可視化實驗有比較好的相似性。穿堂風氣流破壞了建筑間的回流渦旋，削弱了建筑遮擋的效果，使得氣流運動更接近無遮擋的情況，這也許是有孔遮擋較無孔遮擋模擬可靠性更高的原因。

采用的CFD設置方法可作為類似風環(huán)境模擬的參考方法。只討論一個風向與一個間距，討論了穩(wěn)態(tài)RANS模型，而未討論非穩(wěn)態(tài)RANS模型和LES大渦模擬，這些需要在以后的研究中逐步完成。

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（編輯 鄧云）