基于CFD 技術(shù)對(duì)長(zhǎng)春某高校風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬

蔡亞東，閆 鉑，張仕奇

（吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和對(duì)技術(shù)人才的需要，高校在不斷擴(kuò)招，使得學(xué)校不斷擴(kuò)建，許多高校都選擇向郊區(qū)發(fā)展。國(guó)外對(duì)室外風(fēng)環(huán)境的研究較早，我國(guó)相對(duì)較晚，但發(fā)展極為迅速。我國(guó)對(duì)風(fēng)環(huán)境的研究可以簡(jiǎn)單分為兩類：一是對(duì)社會(huì)建筑的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬。二是對(duì)校園建筑進(jìn)行風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬。石銀超對(duì)西安市某住宅小區(qū)從不同布局，不同建筑朝向進(jìn)行數(shù)值模擬[1]；馬劍等基于模型對(duì)由6 個(gè)矩形截面高層建筑組成的8 種不同布局形式的建筑群在人行高度處對(duì)風(fēng)速比做了模擬分析[2]；侯璐對(duì)大連海洋大學(xué)校園進(jìn)行模擬分析，從校園整體布局，綠化及單體建筑設(shè)計(jì)來考慮并提出優(yōu)化方案[3]。孫睿珩針對(duì)長(zhǎng)春市高校的宿舍進(jìn)行模擬分析，并提出優(yōu)化策略，為以后高校宿舍建設(shè)提供參考[4]；張豪等以天津大學(xué)局部環(huán)境為例，運(yùn)用CFD 技術(shù)對(duì)其進(jìn)行室外風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬與研究，并提出改正措施[5]。

1 長(zhǎng)春市風(fēng)環(huán)境及學(xué)校概況

1.1 長(zhǎng)春市氣候與風(fēng)環(huán)境簡(jiǎn)介

長(zhǎng)春市位于中國(guó)東北平原腹地松遼平原。它屬于建筑熱工中的一個(gè)嚴(yán)寒地區(qū)[6]，長(zhǎng)春市的風(fēng)環(huán)境具有顯著特點(diǎn)。風(fēng)向全年都有，夏季和冬季是同一個(gè)方向。根據(jù)“中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集”數(shù)據(jù)[7]，冬季最大風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，最大風(fēng)速為3.9 m/s，平均風(fēng)速為3.1 m/s，夏季最大風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，平均風(fēng)速為3.5 m/s，風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，如圖1 所示。本文將用這些信息作為參數(shù)來模擬吉林建筑科技學(xué)院的風(fēng)環(huán)境，主要模擬冬季的風(fēng)環(huán)境，選擇SW 風(fēng)向作為冬季模擬風(fēng)向，冬季外部的平均風(fēng)速為3.9 m/s。

1.2 高校基本情

本文研究對(duì)象是吉林建筑科技學(xué)院，地處長(zhǎng)春市西北角，位于長(zhǎng)春市寬城區(qū)學(xué)建大路1111 號(hào)。

從校園所有建筑來看，建筑分布比較規(guī)整，建筑均坐北朝南，建筑功能劃分區(qū)域比較明顯，將學(xué)校內(nèi)建筑分為4 個(gè)區(qū)域，如圖2 所示：A 區(qū)包括土木工程館，土木實(shí)驗(yàn)樓，建筑藝術(shù)館，電氣信息實(shí)驗(yàn)樓，電氣信息館，文管樓，實(shí)驗(yàn)中心，禮堂；B 區(qū)包括學(xué)生公寓；C 區(qū)包括學(xué)校圖書館和公共教學(xué)樓；D 區(qū)包括學(xué)生食堂，體育館，體育場(chǎng)，醫(yī)務(wù)室，商業(yè)街。

2 風(fēng)環(huán)境研究的方法和軟件選取

2.1 CFD 技術(shù)簡(jiǎn)介

CFD 是英文Computational Fluid Dynamics（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）的簡(jiǎn)稱。它是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。CFD 誕生于20 世紀(jì)初，但它的突破性發(fā)展在20 世紀(jì)70 年代后期，它現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，比如建筑，航天，船舶，海洋等。

2.2 風(fēng)環(huán)境研究方法

當(dāng)下，研究風(fēng)環(huán)境的方法主要有3 種，即現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量法、風(fēng)洞模型試驗(yàn)法和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬法。其中現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量法與風(fēng)洞模型試驗(yàn)法局限性較大，耗費(fèi)極大的財(cái)力和物力，其結(jié)果受外界環(huán)境等因素影響。隨著CFD 技術(shù)的進(jìn)步，通過計(jì)算機(jī)對(duì)風(fēng)環(huán)境的數(shù)值模擬，變成當(dāng)今研究風(fēng)環(huán)境的最主要的手段。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法能夠在較短的時(shí)間內(nèi)依據(jù)實(shí)際尺寸的模型準(zhǔn)確模擬建筑物的風(fēng)環(huán)境[8]。

2.3 數(shù)值模擬軟件的選取

當(dāng)下數(shù)值模擬軟件有很多，主要是Fluent，ANSYS CFX，PHOENICS，Star-CD 等。這些軟件都具有完整的CFD 處理過程。本文選用ANSYS CFX 軟件，因?yàn)樗悄壳笆袌?chǎng)上最常用的CFD 軟件解決方案，軟件的仿真已經(jīng)驗(yàn)證了很多次，許多文檔雜志和論文使用該軟件進(jìn)行數(shù)值研究模擬。

3 風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬

3.1 建立模型

如圖3 所示，鑒于目前吉林建筑科技學(xué)院設(shè)計(jì)圖紙的現(xiàn)狀，ICEM 用于構(gòu)建模型，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，需要對(duì)實(shí)際建筑群做必要的簡(jiǎn)化處理，忽略建筑物表面凸凹，以減少計(jì)算量，加快計(jì)算速度，從而使模型適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。

3.2 劃分網(wǎng)格

網(wǎng)格是CFD 模型幾何表達(dá)形式。網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)仿真結(jié)果有重要影響。網(wǎng)格分成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。本文選擇非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格不同，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的網(wǎng)格單元和節(jié)點(diǎn)是任意分布的，其位置沒有遵循固定的矩陣規(guī)律進(jìn)行有序排列，不受模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)影響，能夠?qū)?fù)雜的幾何形態(tài)進(jìn)行精確的描述[9]。

3.3 邊界條件設(shè)定

入口邊界采用速度進(jìn)口邊界條件，V=3.9 m/s。出口邊界采用完全發(fā)展的出流邊界條件。本文研究的是近地建筑周邊行人區(qū)的風(fēng)環(huán)境，選取行人1.5 m 高度處的風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果，并進(jìn)行分析。建筑物表面和地面選用無滑移的壁面條件。

3.4 計(jì)算區(qū)域劃定

室外風(fēng)環(huán)境的模擬不僅要建立物理模型，還要建立模型的計(jì)算區(qū)域。計(jì)算區(qū)域過大過小都會(huì)影響模擬的結(jié)果。計(jì)算區(qū)域一般為長(zhǎng)方形，根據(jù)以往的研究來看，將計(jì)算區(qū)域的高度取物理模型最高點(diǎn)的3 倍，來流方向與出流方向?qū)挾葹槲锢砟Ｐ蛯挾鹊? 倍，物理模型兩側(cè)區(qū)域?yàn)槲锢砟Ｐ偷? 倍。

4 風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果與分析

本文選取行人高度1.5 m 處風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果分析。根據(jù)風(fēng)環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)將5.0 m/s 定為人體舒適度風(fēng)速值，此外，研究表明，在環(huán)境衛(wèi)生方面，當(dāng)風(fēng)速低于0.4 m/s 時(shí)，不利于空氣中的污染物排出[10]。

長(zhǎng)春風(fēng)向是西南風(fēng)，見圖4~圖5，校區(qū)內(nèi)整體風(fēng)速都＜6.3 m/s，大部分風(fēng)速在5.0 m/s 范圍內(nèi)，高風(fēng)速區(qū)域出現(xiàn)于建筑的角落，在建筑物的密集區(qū)域風(fēng)速約5.2 m/s，并且對(duì)建筑物的大體量阻擋風(fēng)的影響較大，建筑物的后部形成較小的風(fēng)區(qū)，建筑物朝向與主導(dǎo)風(fēng)向夾角越大，建筑物迎風(fēng)面越大，形成風(fēng)影的可能性也越大。

圖2 中A 區(qū)包括土木工程館，土木實(shí)驗(yàn)樓，建筑藝術(shù)館，電氣信息實(shí)驗(yàn)樓，禮堂，電氣信息館，文管樓，實(shí)驗(yàn)中心。絕大部分區(qū)域風(fēng)速在5.2 m/s 以內(nèi)，在禮堂拐角處產(chǎn)生高風(fēng)速，風(fēng)影區(qū)域集中在建筑的東南方，以及靠近建筑的區(qū)域。在建筑藝術(shù)館南面和禮堂南面沒有建筑物遮擋，風(fēng)速在5 m/s~6 m/s 之間，造成環(huán)境惡劣，影響人們的戶外活動(dòng)（見圖6~圖7）。對(duì)于其他建筑而言，風(fēng)影區(qū)是在2 個(gè)建筑之間的區(qū)域產(chǎn)生，風(fēng)速為0.64 m/s~1.2 m/s，自然通風(fēng)超過0.4 m/s，有助于污染物排放。

圖2 中B 區(qū)包括13 棟學(xué)生公寓，該區(qū)建筑布局良好，70%的風(fēng)速＜4 m/s，高速風(fēng)區(qū)位于建筑西側(cè)的開放空間內(nèi)，樓角最高風(fēng)速達(dá)到5.9 m/s，建筑物運(yùn)動(dòng)面和建筑物內(nèi)風(fēng)速小。其中幾棟建筑是L 型，其背風(fēng)面產(chǎn)生風(fēng)影區(qū)。公寓西側(cè)和拐角處風(fēng)速突變，人們行走可能會(huì)有不適感。其他區(qū)域風(fēng)環(huán)境較好，有利于通風(fēng)（見圖8～圖9）。

圖2 中C 區(qū)包括學(xué)校圖書館和公共教學(xué)樓。如圖10～圖11 所示， 由1.5 m 處的風(fēng)速云圖和風(fēng)速矢量圖可知，大部分區(qū)域的風(fēng)速＜2 m/s，圖書館的建筑形狀為U 形，在背風(fēng)面會(huì)產(chǎn)生風(fēng)影區(qū)且風(fēng)速＜0.4 m/s，影響空氣流通。在2 棟建筑之間距離較近，產(chǎn)生“峽谷效應(yīng)”。在電氣管和公館管西側(cè)拐角風(fēng)速突變，人行走經(jīng)過時(shí)會(huì)有不適感。其余區(qū)域環(huán)境較好，適合師生室外活動(dòng)。

圖2 中D 區(qū)包括學(xué)生食堂，體育館，體育場(chǎng)，醫(yī)務(wù)室，商業(yè)街。，體育場(chǎng)東南角和西北角的風(fēng)速＞5 m/s，而人們步行到此處的風(fēng)速會(huì)引起不適，體育場(chǎng)西側(cè)的風(fēng)速在2.5 m/s～3.7 m/s 之間，良好的通風(fēng)非常適合戶外運(yùn)動(dòng)。食堂和醫(yī)務(wù)室形成很大風(fēng)陰影，風(fēng)速＜0.4 m/s，那里的人流應(yīng)采取措施增加通風(fēng)（見圖12~圖13）。

5 結(jié)語

1）從校園整體來看，除局部區(qū)域外，其他部分風(fēng)環(huán)境較好，不會(huì)影響到建筑物的使用和舒適度，給師生營(yíng)造良好的工作和學(xué)習(xí)環(huán)境。但是，校園內(nèi)高風(fēng)速區(qū)域大多出現(xiàn)在建筑物拐角處和“峽谷效應(yīng)”區(qū)域中，低風(fēng)速區(qū)域在建筑物背面，當(dāng)師生行走到此處會(huì)產(chǎn)生不適感。

2）局部建筑物距離過近及建筑物轉(zhuǎn)角處的風(fēng)速過大，可能會(huì)導(dǎo)致建筑物表面裝飾脫落，以及部分建筑損壞。好的室外風(fēng)環(huán)境可以提高房間的耐熱性，降低建筑物的能耗，延長(zhǎng)建筑物的使用壽命。

3）希望通過對(duì)長(zhǎng)春高校校園風(fēng)環(huán)境的模擬，能為今后長(zhǎng)春市校園建筑物的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供參考和理論依據(jù)。

本文只研究了長(zhǎng)春一所高校，具有一定的局限性，且僅從行人的角度來研究，未考慮周圍建筑，市區(qū)與郊區(qū)，建筑的美觀等，還需進(jìn)一步深化研究。