基于CFD的贛南住宅風(fēng)環(huán)境模擬系統(tǒng)設(shè)計

蔡麗蓉 張紅嬰

摘? 要： 風(fēng)環(huán)境的情況關(guān)系到居住體驗，所以設(shè)計基于CFD的贛南住宅風(fēng)環(huán)境模擬系統(tǒng)，提高居民居住質(zhì)量。考慮到受熱壓和風(fēng)壓影響的自然通風(fēng)原理，在風(fēng)環(huán)境模擬系統(tǒng)中利用CFD數(shù)值模擬分析贛州于都縣恒大御景小區(qū)風(fēng)環(huán)境的流場湍流特性，將該特性和住宅建筑風(fēng)流場模型導(dǎo)入建筑通風(fēng)斯維爾Vent 2018軟件后，展開住宅風(fēng)環(huán)境的三維流動數(shù)值模擬，確立住宅風(fēng)環(huán)境的來流面邊界條件以及出流面邊界條件，確保住宅風(fēng)環(huán)境模擬更加真實。同時，從建筑平面布局、建筑通風(fēng)窗設(shè)計以及熱壓通風(fēng)三方面研究恒大御景小區(qū)自然通風(fēng)設(shè)計策略。通過模擬實驗得出該小區(qū)夏季住宅外風(fēng)速小于等于4.9 m/s，風(fēng)速最大值為4.621 m/s，冬季迎風(fēng)面與背風(fēng)面的風(fēng)壓分別為4.903 Pa和-3.749 Pa，并且有效模擬該小區(qū)風(fēng)速同人體舒適度關(guān)系，分析小區(qū)各季節(jié)的風(fēng)環(huán)境舒適度。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)環(huán)境模擬; 系統(tǒng)設(shè)計; CFD; 數(shù)值模擬; 自然通風(fēng)設(shè)計; 模擬實驗

中圖分類號： TN911?34; TU119? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）18?0121?04

Abstract： As the wind environment is related to the living experience， a CFD?based wind environment simulation system for residential buildings in south Jiangxi is designed to improve the living quality of residents. Considering the principle of natural ventilation affected by thermal pressure and wind pressure， the CFD numerical simulation is used in the wind environment simulation system to analyze the turbulent characteristics of flow field of the wind environment in Evergrande Yujing residential quarter， Yudu County， Ganzhou. The characteristics and the wind flow field model of residential buildings are introduced into the software of building ventilation Sville Vent 2018， and then the numerical simulation of 3D flow of wind environment for residential building is carried out， the boundary conditions of incoming flow surface and outgoing flow surface of wind environment of the residential buildings are established， so as to ensure that the simulation of wind environment of residential building is more realistic. At the same time， the natural ventilation design strategy of Evergrande Yujing residential quarter is studied from three aspects of architectural plane layout， building ventilation window design and thermal pressure ventilation. The simulation experiments results show that the wind speed outside the residential area in this residential quarter in summer is less than or equal to 4.9 m/s， the maximum wind speed is 4.621m/s， and the wind pressure on the windward side and leeward side in winter is 4.903 Pa and -3.749 Pa， respectively. The relationship between the wind speed of this residential quarter and human comfort is effectively simulated， and the wind environment comfort of this residential quarter in each season is analyzed.

Keywords： wind environment simulation; system design; CFD; numerical simulation; natural ventilation design; simulation experiment

0? 引? 言

贛南地區(qū)主要指江西省贛州市下轄的1縣級市3區(qū)14縣，其與廣州接壤，歷史悠久，風(fēng)光迤邐，礦產(chǎn)豐富，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，地形多以盆地、山地、丘陵為主，氣候溫和，夏季雨量充足，熱量高，冬季潮濕陰冷，全年日照1 810 h，年降水量約1 605 mm，晝夜溫差大。基于贛南夏季濕熱，冬季濕冷的特點，在住宅建設(shè)中對風(fēng)環(huán)境要求很高[1]。

住宅區(qū)域內(nèi)人流量大，活動頻繁，作為高大建筑，住宅本體對風(fēng)有一定的遮擋作用，影響風(fēng)速和走向，如樓群拐角位置的風(fēng)往往大于樓群間道路上的風(fēng)[2]。無論住宅室外整體環(huán)境還是住宅本身，都在各種程度上受到風(fēng)環(huán)境的影響，過大的風(fēng)速會導(dǎo)致高頻噪聲和寒冷的體感，但如果風(fēng)速過小又不能達(dá)到降溫通風(fēng)去濕去味的作用，就會降低住戶的舒適性。針對這些問題，當(dāng)前設(shè)計住宅時越來越把風(fēng)環(huán)境作為重要的參考因素，在保證室外風(fēng)環(huán)境良好，住宅設(shè)計趨于合理的情況下，起到節(jié)能減排保護環(huán)境的作用[3]。

本文以江西省贛州市于都縣恒大御景小區(qū)為研究對象，采用CFD工具模擬其風(fēng)環(huán)境，設(shè)計風(fēng)環(huán)境模擬系統(tǒng)，研究該小區(qū)住宅風(fēng)環(huán)境。

1? 建立模型

1.1? 實驗對象數(shù)據(jù)

本文選取的住宅區(qū)域為江西省贛州市于都縣恒大御景小區(qū)，位于思源大道與大昌路交匯處，占地面積7萬余m2，建筑面積2萬余m2，整體建筑俯視圖見圖1。北部5棟是高層住宅，最南部3棟是低層洋房，中間位置樓高適中。受亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候影響，夏季高溫多雨，以西南風(fēng)為主，冬季潮濕低溫，以西北風(fēng)為主[4]。

1.2? 計算模型

為節(jié)約成本，縮短模擬周期，并且適用于住宅風(fēng)環(huán)境，采用數(shù)值模擬方法對贛州市于都縣恒大御景小區(qū)住宅風(fēng)環(huán)境展開分析。

模擬實際建筑工程風(fēng)環(huán)境流場湍流特性時，常運用CFD（Computational Fluid Dynamics），即計算流體動力學(xué)，為獲得目的物理量近似值，需要使用計算機給住宅本體及周邊環(huán)境建立計算模型并進(jìn)行數(shù)值求解[5]。為建立包含能量守恒方程、流體連續(xù)性方程、動量守恒方程的基本控制方程組（此方程組可表達(dá)氣流運動特性），需要了解住宅外部風(fēng)環(huán)境流場湍流特性，其方程的具體表達(dá)式如下：

式中：溫度和通用因變量分別用[θ]和[ν]表示;密度和速度矢量分別用[χ]和[T]描述;[η]和[F]分別表示廣義源項和廣義擴散系數(shù)。

本文模擬分析恒大御景小區(qū)人行高度1.5 m位置的風(fēng)環(huán)境，使用的軟件是建筑通風(fēng)斯維爾Vent 2018，運用的數(shù)值模擬方法為[k?ε]湍流模型，采用該模型的原因是住宅小區(qū)區(qū)域空氣流動為低速湍流，不能壓縮[6]。將CFD模擬的住宅小區(qū)住宅流場湍流特性以及住宅建筑風(fēng)流場模型導(dǎo)入Vent 2018軟件后展開三維流動數(shù)值模擬（風(fēng)速、風(fēng)壓）。若要搭建精簡的住宅外風(fēng)場模型，需要把對風(fēng)環(huán)境干擾較小的拐角和凸起精簡化，精簡前要對住宅周圍地理環(huán)境、住宅外形與位置進(jìn)行考量[7?8]，構(gòu)建的精簡住宅風(fēng)流場模型見圖2。

1.3? 自然通風(fēng)原理

自然通風(fēng)是住宅的一種通風(fēng)方式，其原理有2種：一種是住宅內(nèi)與住宅外空氣密度有差異導(dǎo)致熱壓[9];另一種是風(fēng)力引起的風(fēng)壓導(dǎo)致的。這2種壓力都能促進(jìn)空氣流動產(chǎn)生自然通風(fēng)[10]。

1） 熱壓原理的自然通風(fēng)

這種自然通風(fēng)又叫作溫差導(dǎo)致的熱壓作用，其原理是空氣密度在室內(nèi)外溫差下出現(xiàn)變化，導(dǎo)致空氣出現(xiàn)流動形成的熱壓自然通風(fēng)[11]。

2） 風(fēng)壓原理的自然通風(fēng)

風(fēng)壓分為正壓和負(fù)壓，正壓的形成是由于住宅遮擋住迎面吹來的風(fēng)，降低了風(fēng)速，住宅迎風(fēng)面產(chǎn)生由部分風(fēng)動壓轉(zhuǎn)化而成的靜壓，住宅迎風(fēng)面大氣壓低于風(fēng)壓;負(fù)壓的形成則是由于旋繞的空氣流，導(dǎo)致背風(fēng)面大氣壓高于風(fēng)壓。由于實際情況下風(fēng)環(huán)境千變?nèi)f化，因此本文考慮的風(fēng)環(huán)境為常規(guī)情況。

1.4? 處理邊界條件

為了使住宅風(fēng)環(huán)境模擬更接近現(xiàn)實，對邊界條件的正確確立是運用CFD模擬住宅風(fēng)環(huán)境的重點之一。將住宅小區(qū)的平均風(fēng)速作為輸入模擬住宅的條件，此平均風(fēng)速是通過風(fēng)玫瑰圖把住宅區(qū)域出現(xiàn)頻率最高的風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行統(tǒng)計得到的。

1） 來流面邊界條件

風(fēng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化，風(fēng)速和能量都減低的原因是受到摩擦力在氣流流經(jīng)不同地理位置變化導(dǎo)致的。通常把氣流升高到大氣層高度而受到地面摩擦力影響小的邊界層稱為大氣邊界層。地面粗糙度、天氣原因、住宅所處地形都會對大氣邊界層造成影響，大氣邊界層分布在海拔310～990 m之間，若超過這個范圍，在大氣梯度干擾下，氣流流動自由性就不受地面環(huán)境拘束。將以上因素作為參考條件，使模擬計算更貼合實際，使近地面層入口風(fēng)速滿足指數(shù)分布，如下：

式中：x為距離地面的高度;w為此高度處的風(fēng)速;參考高度為x0;參考高度的風(fēng)速以及體現(xiàn)地面粗糙程度常數(shù)分別用w0和c表示。該文地面粗糙程度常數(shù)為0.3。

本文需對風(fēng)速加以修正，原因是氣象臺的常數(shù)為0.15，與本文常數(shù)有差異。修正后的結(jié)果為：

式中，氣象臺預(yù)報的風(fēng)速以[wi]表示。

2） 出流面邊界條件

設(shè)定出流面的住宅外墻壁光滑且存在摩擦，此時氣流流動過程中沒有其他建筑物遮擋，在流面上充分發(fā)揮流動性。

1.5? 自然通風(fēng)設(shè)計

由于贛南地區(qū)的地形特殊，盆地丘陵居多，受亞熱帶季風(fēng)氣候影響明顯，夏季盛行西南風(fēng)，冬季盛行西北風(fēng)，為運用自然通風(fēng)提高住宅的舒適度提供了便利條件。自然通風(fēng)的原理是風(fēng)壓和熱壓導(dǎo)致的空氣流態(tài)，風(fēng)壓導(dǎo)致的自然通風(fēng)雖然效果最好但是受建筑外風(fēng)速影響大，熱壓導(dǎo)致的自然通風(fēng)就很好地彌補了這些問題，所以要將風(fēng)壓和熱壓結(jié)合在一起實現(xiàn)自然通風(fēng)。從2點出發(fā)，分析恒大御景小區(qū)自然通風(fēng)設(shè)計策略。

1） 建筑通風(fēng)窗設(shè)計

為增加通風(fēng)面積，建筑開窗方式應(yīng)采用平開窗或者上懸窗，對氣流方向進(jìn)行引導(dǎo)。為加快通風(fēng)時間，相鄰墻面上以錯落形式布置換氣窗。換氣窗的面積以實際需求來確定，為增加通風(fēng)量可以在墻體上增設(shè)通風(fēng)洞。

2） 熱壓通風(fēng)

實現(xiàn)熱壓通風(fēng)需要進(jìn)出風(fēng)口存在溫度差和高度差。高度差的設(shè)計可以運用煙囪來實現(xiàn)，通常以通風(fēng)空間的2倍高度作為煙囪的高度;溫度差的設(shè)計則可以通過使用儲熱墻對室外空氣加熱或使用太陽能對屋頂空氣加熱，使熱壓升高，加快空氣在室內(nèi)外的流動，導(dǎo)致熱壓通風(fēng)形成。

2? 結(jié)? 果

2.1? 夏季分析結(jié)果

本文模擬系統(tǒng)模擬的于都縣恒大御景小區(qū)在夏季住宅1.5 m標(biāo)準(zhǔn)人行高度下風(fēng)速矢量見圖3，風(fēng)速云圖見圖4。

通過圖3、圖4可知，本文系統(tǒng)模擬得出恒大御景小區(qū)夏季的風(fēng)場風(fēng)向為南風(fēng)，平均風(fēng)速為2.8 m/s，風(fēng)的來流邊界為南向，去流邊界為北向，自然通風(fēng)情況良好，沒有位置產(chǎn)生滯風(fēng)，住宅外風(fēng)速小于等于4.9 m/s，風(fēng)速最大值是4.621 m/s，居民活動場地皆通風(fēng)，并且沒有位置產(chǎn)生旋渦，符合相關(guān)住宅風(fēng)環(huán)境規(guī)定。

2.2? 冬季分析結(jié)果

本文系統(tǒng)模擬得出的于都縣恒大御景小區(qū)在冬季住宅1.5 m標(biāo)準(zhǔn)人行高度下風(fēng)壓云圖見圖5，值線間距是0.614 Pa。

從中能夠看出，本文系統(tǒng)模擬得出恒大御景小區(qū)冬季的風(fēng)場風(fēng)向為偏北的東北風(fēng)，住宅來流邊界的風(fēng)壓為1.249～4.903 Pa，整個住宅區(qū)域平均風(fēng)速為3.2 m/s，住宅迎風(fēng)面風(fēng)壓最大，背風(fēng)面風(fēng)壓最小，迎風(fēng)面與背風(fēng)面的風(fēng)壓分別為4.903 Pa和-3.749 Pa。位于迎風(fēng)面的住宅冬季會受到來自2個方向的風(fēng)壓，溫度可能比其他區(qū)域低，建議采取必要的保溫措施。

2.3? 舒適度分析

合理的風(fēng)環(huán)境適宜居住和活動，判斷住宅風(fēng)環(huán)境是否適宜人類居住，需要采用本文模擬系統(tǒng)分析1.5 m標(biāo)準(zhǔn)人行高度下的風(fēng)壓和風(fēng)速，經(jīng)統(tǒng)計研究得出在各種風(fēng)速下人的舒適度，見表1。

由表1可知，本文系統(tǒng)模擬得出當(dāng)人在風(fēng)速為0.9 m/s≤V<4.9 m/s的住宅范圍內(nèi)活動，體感舒適度最好;若風(fēng)速超過4.9m/s，但是低于9.9 m/s，此時人體已經(jīng)感覺到不舒適了;若處于風(fēng)速超過19.9 m/s的環(huán)境中，對人體來說已經(jīng)是危險狀態(tài)了，本文系統(tǒng)可對贛南住宅風(fēng)環(huán)境的風(fēng)速同人體舒適度關(guān)系進(jìn)行有效模擬分析，為提高住宅環(huán)境的居住舒適圖提供了可靠的分析依據(jù)。

3? 結(jié)? 論

良好的風(fēng)環(huán)境是保障居民在住宅居住時舒適度的重要指標(biāo)，本文系統(tǒng)模擬江西省贛州市于都縣恒大御景小區(qū)風(fēng)環(huán)境過程中，運用CFD對該小區(qū)建立風(fēng)環(huán)境的流場湍流特性計算模型，表達(dá)風(fēng)環(huán)境的氣流運動特性，對其風(fēng)環(huán)境流場湍流特性進(jìn)行研究，同時采用建筑通風(fēng)斯維爾Vent 2018軟件進(jìn)行住宅風(fēng)環(huán)境模擬。對于住宅環(huán)境的合理規(guī)劃、居民居住質(zhì)量的提升，具有重要的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 王建廷，張畯.基于堪輿格局的綠色建筑室外風(fēng)環(huán)境模擬優(yōu)化[J].建筑科學(xué)，2018，34（6）：15?22.

[2] 張少康，劉沛，魏冀明.基于風(fēng)環(huán)境分析的珠三角地區(qū)城鎮(zhèn)空間規(guī)劃引導(dǎo)[J].規(guī)劃師，2016，32（9）：118?122.

[3] 原世杰，鹿世化.基于熱環(huán)境評價指標(biāo)的數(shù)據(jù)中心氣流組織模擬研究[J].暖通空調(diào)，2016，46（1）：66?72.

[4] 莊智，胡一東，車學(xué)婭，等.建筑風(fēng)環(huán)境模擬中風(fēng)參數(shù)不確定影響分析[J].建筑科學(xué)，2016，32（8）：1?6.

[5] 張淼，劉鐵軍，馬涂亮，等.基于CFD方法的大型客機高速氣動設(shè)計[J].航空學(xué)報，2016，37（1）：244?254.

[6] 王成剛，羅峰，王詠薇，等.高密度建筑群及超高建筑物對風(fēng)環(huán)境影響的風(fēng)洞試驗[J].大氣科學(xué)學(xué)報，2016，39（1）：133?139.

[7] 郭飛，張鶴子.老年人與非老年人自然通風(fēng)住宅熱適應(yīng)模型對比研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報，2016，56（2）：147?152.

[8] 陳勇，鄭朝榮，金釗.基于節(jié)段模型試驗的千米級摩天大樓行人風(fēng)環(huán)境特性研究[J].工程力學(xué)，2017，34（12）：183?191.

[9] 王薇，鄧卓劍，胡春.合肥城市混合住區(qū)風(fēng)環(huán)境的模擬比較與評價[J].工業(yè)建筑，2018，48（7）：54?59.

[10] 鄭朝榮，王洪禮，李胤松，等.某摩天大樓室外平臺行人風(fēng)環(huán)境數(shù)值研究[J].工程力學(xué)，2018，35（1）：118?125.

[11] 王燁，管國祥，付銀安，等.冬季自然通風(fēng)與室內(nèi)污染物的遷移特性[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2016，37（8）：1151?1156.