不同建模區(qū)域下的建筑群風(fēng)環(huán)境模擬探究

鮮 鑫，李曉虹，游 誠，鐘天蘭，蔣 鵬

(西華大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610039)

0 前 言

合理選擇計算區(qū)域和建模區(qū)域?qū)⒂兄跍p少計算量和加大模擬結(jié)果的準確性，選擇多大的計算區(qū)域和建模區(qū)域進行計算求解才能對建筑群中的流場進行詳細描述，是許多學(xué)者及組織關(guān)注的問題。

對于計算區(qū)域的選取，同濟大學(xué)李崢嶸[1]針對學(xué)校內(nèi)學(xué)生宿舍6棟在不同風(fēng)向作用下對建筑群風(fēng)環(huán)境進行數(shù)值模擬研究，計算區(qū)域根據(jù)AIJ指導(dǎo)手冊[2]選取建筑群內(nèi)最高建筑的高度作為特征長度H，建筑群上游、上部以及兩側(cè)的計算區(qū)域為5H，建筑群下游的計算域長度為15H。溫昕宇[3]在室外風(fēng)環(huán)境CFD模擬小區(qū)規(guī)劃建設(shè)中沿來流方向取一矩形區(qū)域；建筑高度為H，計算區(qū)域高度為3H，來流方向為3H，出流方向為4H，計算區(qū)域?qū)挾葹?H。《民用建筑綠色性能計算標準》(JGJT449—2018)[4]在關(guān)于計算域指出“對象建筑(群)頂部到計算域上邊界的垂直高度應(yīng)大于5H；對象建筑(群)的外緣至水平方向的計算區(qū)域邊界的距離應(yīng)大于5H；與主流方向正交的計算斷面大小的阻塞率應(yīng)小于3%；流入側(cè)邊界至對象建筑(群)外緣的水平距離應(yīng)大于5H，流出側(cè)邊界至對象建筑(群)外緣的水平距離應(yīng)大于10H；”而對于建模區(qū)域的選取《民用建筑綠色設(shè)計規(guī)范》(GJ/T229—2010)[5]中規(guī)定目標建筑邊界H范圍內(nèi)應(yīng)該以最高細節(jié)要求再現(xiàn)，在AIJ指導(dǎo)手冊[2]中規(guī)定目標建筑邊界1H～2H范圍內(nèi)細節(jié)再現(xiàn)，在《民用建筑綠色性能計算標準》(JGJT449—2018)[4]中規(guī)定“進行物理建模時，對象建筑(群)周邊1H～2H范圍內(nèi)應(yīng)按照建筑布局和形狀準確建模”。

綜上，國內(nèi)在進行建筑群室外風(fēng)環(huán)境模擬時，計算區(qū)域和建模區(qū)域范圍的選取存在一定的差異，且多數(shù)學(xué)者都只以目標建筑群作為一個孤立的單體進行建模分析，并未考慮實際周邊建筑群對目標建筑的影響。為了分析建模區(qū)域的大小對目標建筑室外風(fēng)環(huán)境的影響，本文在民用建筑綠色設(shè)計規(guī)范中關(guān)于建模區(qū)域規(guī)定的基礎(chǔ)上逐步擴大周邊建筑群范圍，把目標建筑群周邊的街道、高層建筑考慮進模擬范圍，利用綠建斯維爾通風(fēng)Vent軟件[6]對比分析建模范圍的選取對于目標建筑群風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果的影響，以期為合理選擇模型范圍提供參考建議，使風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果更加準確。

1 模型設(shè)置

1.1 建筑概況及風(fēng)速測點設(shè)置

本次建筑群室外風(fēng)環(huán)境模擬以成都市某一新建小區(qū)為例，小區(qū)區(qū)域規(guī)劃總建筑面積187 445.37 m2，本小區(qū)建筑主要為居住建筑共計12棟，兼3棟商業(yè)建筑和1棟垃圾房。建筑1～8棟建筑高度為50.23 m，9～12棟建筑高度為50.28 m，3棟商業(yè)樓建筑高度為9.3 m。在建筑群內(nèi)1.5 m人行高度處主要活動區(qū)域設(shè)置11個測點。小區(qū)總平圖及測點分布圖見圖1，圖2為目標建筑周圍概況圖。

圖1 小區(qū)總面及測點分布

圖2 目標建筑群周圍建筑概況三維視圖

1.2 計算模型及邊界條件設(shè)置

本次模擬采用標準K-ε兩方程模型，計算域入口采用速度入口，風(fēng)速按指數(shù)率分布，風(fēng)廓線冪指數(shù)根據(jù)地面類型為城市取值為0.30。出流面上空流動按湍流充分發(fā)展考慮，出口選擇壓力出口，出口靜壓為大氣壓，兩側(cè)邊界及頂部邊界均采用對稱性邊界條件，計算區(qū)域地面以及建筑物外圍護結(jié)構(gòu)設(shè)置為無滑移壁面邊界。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式來劃分網(wǎng)格，因為室外風(fēng)場分析更加關(guān)注靠近建筑物的風(fēng)場特性，近場的地面網(wǎng)格需要采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格加密，對應(yīng)地面細分級數(shù)較大，而遠場地面采用較稀疏的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，地面細分級數(shù)較小。

1.3 四種模擬區(qū)域設(shè)置

本項目位于成都市，根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GB50736—2012)[7]確定夏季模擬工況主導(dǎo)風(fēng)向為NNE，平均風(fēng)速為2.0 m/s，限于篇幅，本文只做夏季的模擬分析。按《民用建筑綠色性能計算標準》(JGJT449—2018)[6]中的規(guī)定建模分析并以此為基礎(chǔ)擴大建模范圍。以目標建筑為中心，分別考慮半徑為1H、3H、5H、10H范圍內(nèi)的周邊建筑建模分析，模型外場尺寸按照AIJ指導(dǎo)[2]手冊給出設(shè)定，四種計算區(qū)域平面圖見圖3。

(a)1H

(b)3H

(c)5H

(c)10H

2 室外風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果對比分析

通過逐漸擴大覆蓋周邊建筑范圍，得到人行高度1.5 m人行高度處風(fēng)速分布云圖(見圖4)，區(qū)域測點數(shù)據(jù)見表1。

(a)1H

(b)3H

(c)5H

(d)10H

表1 區(qū)域測點速度數(shù)據(jù)表

由表1可知，考慮周邊建筑對目標建筑群的影響，采用建模區(qū)域1H和3H時，該目標建筑群室外風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果差值較大，隨著覆蓋周邊建筑范圍的逐漸增大，采用建模區(qū)域5H和10H時，該目標建筑群室外風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果誤差均小于10%，對結(jié)果影響不大且趨于穩(wěn)定。從理論上講，建模區(qū)域范圍選取越大，模擬結(jié)果越接近實際值，但是考慮到計算機性能，根據(jù)實際情況，針對本實際項目的模擬結(jié)果，筆者得出在進行室外風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬分析時，以“目標建筑為中心，半徑為5H范圍內(nèi)為建模區(qū)域覆蓋周邊建筑”為最佳建模范圍，這表明在進行風(fēng)環(huán)境模擬用以輔助設(shè)計時，需要考慮周邊環(huán)境的影響，但是也不能完全依照民用建筑綠色性能計算標準中建模范圍的選取要求，需要根據(jù)具體的實際項目情況，適當擴大研究范圍，才能得出相對準確的結(jié)論。

3 結(jié) 論

本文對不同建模區(qū)域下建筑群室外風(fēng)環(huán)境模擬探究，從模擬結(jié)果來看，可以得出以下結(jié)論：在對實際建筑項目室外風(fēng)環(huán)境模擬分析時，考慮周邊建筑對目標建筑群的影響，不能完全依照民用建筑綠色性能計算標準中關(guān)于周邊建筑區(qū)域選定范圍進行建模，應(yīng)該結(jié)合目標建筑與周邊建筑群的實際情況，適當擴大研究范圍，才能得出相對準確的結(jié)論。結(jié)合本文實際案例，隨著周邊建筑覆蓋區(qū)域范圍的增大，目標建筑群室外風(fēng)環(huán)境逐漸趨于穩(wěn)定，并且最終得出“以目標建筑群為中心，半徑為5H范圍內(nèi)為建模區(qū)域覆蓋周邊建筑”為最佳建模范圍進行室外風(fēng)環(huán)境分析。

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