基于CFD 技術對長春某高校風環(huán)境數(shù)值模擬

蔡亞東，閆 鉑，張仕奇

（吉林建筑大學土木工程學院，吉林 長春 130118）

0 引言

隨著社會的發(fā)展和對技術人才的需要，高校在不斷擴招，使得學校不斷擴建，許多高校都選擇向郊區(qū)發(fā)展。國外對室外風環(huán)境的研究較早，我國相對較晚，但發(fā)展極為迅速。我國對風環(huán)境的研究可以簡單分為兩類：一是對社會建筑的風環(huán)境進行數(shù)值模擬。二是對校園建筑進行風環(huán)境數(shù)值模擬。石銀超對西安市某住宅小區(qū)從不同布局，不同建筑朝向進行數(shù)值模擬[1]；馬劍等基于模型對由6 個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風速比做了模擬分析[2]；侯璐對大連海洋大學校園進行模擬分析，從校園整體布局，綠化及單體建筑設計來考慮并提出優(yōu)化方案[3]。孫睿珩針對長春市高校的宿舍進行模擬分析，并提出優(yōu)化策略，為以后高校宿舍建設提供參考[4]；張豪等以天津大學局部環(huán)境為例，運用CFD 技術對其進行室外風環(huán)境數(shù)值模擬與研究，并提出改正措施[5]。

1 長春市風環(huán)境及學校概況

1.1 長春市氣候與風環(huán)境簡介

長春市位于中國東北平原腹地松遼平原。它屬于建筑熱工中的一個嚴寒地區(qū)[6]，長春市的風環(huán)境具有顯著特點。風向全年都有，夏季和冬季是同一個方向。根據(jù)“中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集”數(shù)據(jù)[7]，冬季最大風向為西南風，最大風速為3.9 m/s，平均風速為3.1 m/s，夏季最大風向為西南風，平均風速為3.5 m/s，風向為西南風，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院的風環(huán)境，主要模擬冬季的風環(huán)境，選擇SW 風向作為冬季模擬風向，冬季外部的平均風速為3.9 m/s。

1.2 高校基本情

本文研究對象是吉林建筑科技學院，地處長春市西北角，位于長春市寬城區(qū)學建大路1111 號。

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，將學校內建筑分為4 個區(qū)域，如圖2 所示：A 區(qū)包括土木工程館，土木實驗樓，建筑藝術館，電氣信息實驗樓，電氣信息館，文管樓，實驗中心，禮堂；B 區(qū)包括學生公寓；C 區(qū)包括學校圖書館和公共教學樓；D 區(qū)包括學生食堂，體育館，體育場，醫(yī)務室，商業(yè)街。

2 風環(huán)境研究的方法和軟件選取

2.1 CFD 技術簡介

CFD 是英文Computational Fluid Dynamics（計算流體動力學）的簡稱。它是伴隨著計算機技術、數(shù)值計算技術的發(fā)展而發(fā)展的。CFD 誕生于20 世紀初，但它的突破性發(fā)展在20 世紀70 年代后期，它現(xiàn)在廣泛應用于許多領域，比如建筑，航天，船舶，海洋等。

2.2 風環(huán)境研究方法

當下，研究風環(huán)境的方法主要有3 種，即現(xiàn)場測量法、風洞模型試驗法和計算機數(shù)值模擬法。其中現(xiàn)場測量法與風洞模型試驗法局限性較大，耗費極大的財力和物力，其結果受外界環(huán)境等因素影響。隨著CFD 技術的進步，通過計算機對風環(huán)境的數(shù)值模擬，變成當今研究風環(huán)境的最主要的手段。計算機數(shù)值模擬的方法能夠在較短的時間內依據(jù)實際尺寸的模型準確模擬建筑物的風環(huán)境[8]。

2.3 數(shù)值模擬軟件的選取

當下數(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，因為它是目前市場上最常用的CFD 軟件解決方案，軟件的仿真已經(jīng)驗證了很多次，許多文檔雜志和論文使用該軟件進行數(shù)值研究模擬。

3 風環(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院設計圖紙的現(xiàn)狀，ICEM 用于構建模型，在進行數(shù)值模擬時，需要對實際建筑群做必要的簡化處理，忽略建筑物表面凸凹，以減少計算量，加快計算速度，從而使模型適當?shù)暮喕?/p>

3.2 劃分網(wǎng)格

網(wǎng)格是CFD 模型幾何表達形式。網(wǎng)格質量對仿真結果有重要影響。網(wǎng)格分成結構網(wǎng)格和非結構網(wǎng)格。本文選擇非結構性網(wǎng)格，與結構網(wǎng)格不同，非結構網(wǎng)格的網(wǎng)格單元和節(jié)點是任意分布的，其位置沒有遵循固定的矩陣規(guī)律進行有序排列，不受模型的拓撲結構影響，能夠對復雜的幾何形態(tài)進行精確的描述[9]。

3.3 邊界條件設定

入口邊界采用速度進口邊界條件，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)的風環(huán)境，選取行人1.5 m 高度處的風環(huán)境模擬結果，并進行分析。建筑物表面和地面選用無滑移的壁面條件。

3.4 計算區(qū)域劃定

室外風環(huán)境的模擬不僅要建立物理模型，還要建立模型的計算區(qū)域。計算區(qū)域過大過小都會影響模擬的結果。計算區(qū)域一般為長方形，根據(jù)以往的研究來看，將計算區(qū)域的高度取物理模型最高點的3 倍，來流方向與出流方向寬度為物理模型寬度的3 倍，物理模型兩側區(qū)域為物理模型的3 倍。

4 風環(huán)境模擬結果與分析

本文選取行人高度1.5 m 處風環(huán)境模擬結果分析。根據(jù)風環(huán)境評價標準將5.0 m/s 定為人體舒適度風速值，此外，研究表明，在環(huán)境衛(wèi)生方面，當風速低于0.4 m/s 時，不利于空氣中的污染物排出[10]。

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

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

圖2 中B 區(qū)包括13 棟學生公寓，該區(qū)建筑布局良好，70%的風速＜4 m/s，高速風區(qū)位于建筑西側的開放空間內，樓角最高風速達到5.9 m/s，建筑物運動面和建筑物內風速小。其中幾棟建筑是L 型，其背風面產生風影區(qū)。公寓西側和拐角處風速突變，人們行走可能會有不適感。其他區(qū)域風環(huán)境較好，有利于通風（見圖8～圖9）。

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

圖2 中D 區(qū)包括學生食堂，體育館，體育場，醫(yī)務室，商業(yè)街。，體育場東南角和西北角的風速＞5 m/s，而人們步行到此處的風速會引起不適，體育場西側的風速在2.5 m/s～3.7 m/s 之間，良好的通風非常適合戶外運動。食堂和醫(yī)務室形成很大風陰影，風速＜0.4 m/s，那里的人流應采取措施增加通風（見圖12~圖13）。

5 結語

1）從校園整體來看，除局部區(qū)域外，其他部分風環(huán)境較好，不會影響到建筑物的使用和舒適度，給師生營造良好的工作和學習環(huán)境。但是，校園內高風速區(qū)域大多出現(xiàn)在建筑物拐角處和“峽谷效應”區(qū)域中，低風速區(qū)域在建筑物背面，當師生行走到此處會產生不適感。

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

3）希望通過對長春高校校園風環(huán)境的模擬，能為今后長春市校園建筑物的設計和建設提供參考和理論依據(jù)。

本文只研究了長春一所高校，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，還需進一步深化研究。