基于PHOENICS的校園宿舍室外風環境模擬研究

成思維 趙 祥

(西南科技大學，四川 綿陽 621000)

高校的擴招使得在校大學生的數量急劇增加，學生的學習與生活的需求與現有的高校宿舍不匹配，而新建的大學往往在偏僻的城市郊區并且規模較大，宿舍風環境的問題也逐漸暴露了出來[1]。本文根據當地氣象數據，將宿舍的三維模型輸出至PHOENICS軟件中，對西南科技大學新區八棟宿舍樓進行風環境模擬，試圖通過評價其現有建筑布局風環境狀況，總結規律，為以后校園宿舍建設提供參考。

1 模擬方法及原理

1.1 軟件選擇

計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,簡稱 CFD)是通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含流體流動和熱傳導等相關物理現象的系統所做的分析。計算流體力學的軟件有很多，市面上較為常用的風環境模擬軟件有FLUENT，PHOENICS，AIRPARK，VENT等，本文選擇PHOENICS,其特點參數設置直接，網格可半自動生成、仿真預測高效、快速、直觀的軟件，并且通過大量的試驗驗證了該軟件仿真具有正確性和結果準確率高的優勢[2]。

1.2 數學模型的選取

學校宿舍室外風的流動屬于不可壓縮和低速湍流區域，同時也考慮到計算機硬件水平和計算效率，本文采用的是最為常用的標準k-ε湍流模型，其所涉及到的方程如下。

(2)連續性方程

(3)動量方程

(4)k方程

(5)ε方程

2 計算模型與計算域、網格的確定

為了減少計算時間，加快收斂速度，在不影響模擬結果的前提下對建筑模型進行適當的簡化，將建筑物表面微小的凹凸處忽略，將其處理成較為規則的立方體。

風場的作用范圍是比較大的，因此計算域的范圍應該選擇的較大一點，但是太大的計算域會導致模擬計算成本的增加，所以依照以往模擬經驗來看，本文計算域的高度為最高建筑的5倍，長度為建筑群寬度的8倍，寬度為建筑群寬度的5倍，同時本文采用局部加密網格的方法對模型進行網格劃分，網格數大約123萬。

3 邊界條件的處理

3.1 來流面邊界條件(表1)

由于地表摩擦，風速隨著離地面高度的變化而變化，但是當達到一定高度后風速所受刀鋒摩擦力便可忽略不計，一般為300m～500m左右.來流面風速的變化規律以指數率表示為[3]

其中:uz為高度Z處的水平方向風速;u0為參考高度z0處的風速;α為由地形粗糙度所決定的冪指數。我國規范將地形分為A，B，C，D四類，參照研究區域本文選擇0.16。

3.2 出流邊界

由于所設置的計算域較大，可以認為出流面上的流動已經充分發展，即認為風的流動狀態已經不受建筑物的影響。

表1 邊界條件

3.3 建筑上方與兩側邊界條件

由于所設置的計算域較大其高度和兩側距離建筑物都比較遠，所以空氣的流動幾乎不受影響，采用自由滑移邊界條件。

3.4 建筑壁面邊界條件

本文所采用的是標準k-ε湍流模型，適用于高雷諾數的湍流，但是在離建筑壁面很近的區域，層流粘性對其影響變大了，故需對k-ε湍流模型進行修正，本文采用壁面函數法修正。

4 校園宿舍樓群風環境模擬分析

本文所模擬的區域為綿陽市涪城區西南科技大學新校區八棟學生宿舍，該建筑群南北朝向，排列較為整齊，為方便描述將宿舍樓排列如圖1所示。

圖1 宿舍樓排列圖

圖2 1.5m夏季風速云圖

4.1 典型模擬條件的選取

通過查閱綿陽2000-2010年的氣象數據，綿陽冬季平均室外風速為1.4m/s，風向為東；夏季室外平均風速為1.7m/s，風向為東北偏北。

4.2 模擬結果及分析

4.2.1 夏季模擬結果分析

圖2～4分別是1.5m處人行高度處的風速云圖，風速矢量圖、建筑表面風壓圖。從圖2來看，宿舍區域整體風速較為低且平緩，大約0.78～1.12m/s之間，建筑與夏季東北偏北主導風向呈現出一定夾角，在宿舍樓迎風面的拐角處的風速相對來說有明顯提升大約在1.12～1.8m/s之間。另外在宿舍樓群兩側的風速很低，八棟樓都出現了不同程度的靜風區,均在宿舍樓的東、西入口處。在宿舍樓的各層樓道上下是不封閉的，也是為了保證宿舍樓里的通風，即使如此，3，4，5，8號樓內部的北面和7號樓內部的南面出現了靜風區，不利于顆粒物、污染物的流通。圖3大致顯示了風流動的方向，在建筑的背風面，形成了風影區，在此區域內形成風速緩慢的回流，由于各樓層并不封閉，回流也可以得到向東方向的疏通，但是1號樓西入口處的氣流很雜亂，2號樓形成了渦流，不利于污染物、顆粒物的疏通。圖4為宿舍樓表面風壓圖，迎風面阻擋來流風形成正壓，在其背風面和側面，空氣少速度低從而形成負壓。在這八棟樓里，迎風面一側樓的通風情況較好壓差大約在1Pa左右，1，2，4，6，7號樓的東南角風壓約在2.7～3.6Pa之間，這樣有利于室內通風，而背風面一側的3，4，5，6，7號樓的通風情況較差一些，前后壓強差別不大，但考慮到實際情況，宿舍樓的東西向均開設了陽

圖3 1.5m夏季風速矢量圖

圖4 夏季建筑表面風壓圖

臺，故這一問題也可以得到有效解決。總的來說宿舍樓的風壓相對穩定，通風情況良好。

4.2.2 冬季模擬結果分析

從圖5可以看出，冬季風速偏低，且風向垂直于宿舍樓開口處，但是在冬季為了御寒，人們選擇把門窗關閉，再加上宿舍樓門口造型為凹型，不利于風的流動，因此在宿舍門前形成靜風區。1，2，4，6，7號樓的迎風拐角處風速相對來說較高一點。風速矢量圖(圖6)可以看出，由于冬季風是完全垂直于建筑迎風面的，故所形成的建筑風影區的寬度與長度都高于夏季，這樣一來就不利于空氣的流通。1號樓背風面西口氣流較為紊亂，這可能是1號樓與2號樓之間所形成的狹小空間，加快了風的流動，而1號樓的北側沒有建筑風速相對較緩，這樣就造成了1號樓背風面風影區風速北慢南快的現象，兩股氣流交織所造成的紊亂，2號樓西口產生了渦流，不利于顆粒物的排散。在風壓圖中，建筑迎風面的風壓最高，背風面最低，迎風面最高大約在1.0058Pa左右，背風面最低-1.3808Pa左右，由于冬季的風向與宿舍樓陽臺開口的方向一樣，在冬季需要考慮宿舍樓在東西向的保暖措施。

圖5 1.5m東季風速云圖

圖6 1.5m東季風速矢量圖

5 結 論

1通過冬夏兩季的模擬，宿舍樓的東西入口都存在一定的靜風區這與風速和建筑形態有關，綿陽屬于弱風地區，加上“凹”字形的建筑形態，容易使空氣不流通，應減少這一形態的建筑；發現不管是冬季還是夏季，一號樓西入口的氣流都很紊亂，建議在一號樓西南側種植樹木平衡風速以免造成亂流現象；南北朝向的宿舍樓與冬季的盛行風垂直，這就與宿舍樓陽臺東西向開口方向同向，不利于冬季保暖，建議在宿舍樓的東側栽種高大喬木以御寒風。