基于FLUENT的高校宿舍建筑風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬研究
——以長春市某高校為例

白潤涵，孫睿珩，李澤平，鄢 鴻

（長春工程學(xué)院建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院，吉林 長春 130021）

1 模擬軟件及CFD湍流模型的選取

計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，即CFD），是利用計(jì)算機(jī)圖像顯示技術(shù)和數(shù)值計(jì)算技術(shù)的優(yōu)勢，將不可見的流體流動和熱傳導(dǎo)等物理現(xiàn)象通過科學(xué)的計(jì)算，用圖像的形式顯示出來的分析方法，在建筑風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前應(yīng)用比較廣泛的風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬軟件有PHOENICS，F(xiàn)LUENT，VENT，AIRPARK等。

本文選用FLUENT作為模擬軟件，GAMBIT作為前期模型建立及網(wǎng)格劃分軟件。FLUENT軟件經(jīng)過不斷的完善和發(fā)展目前已更新至FLUENT v6.3.26版本，具有計(jì)算高效、表達(dá)直觀、建模快速、自動網(wǎng)格劃分、直接設(shè)置參數(shù)的特點(diǎn)，經(jīng)過大量研究及實(shí)際工程應(yīng)用，通過將其計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對，驗(yàn)證了其計(jì)算結(jié)果的可靠性。

選用實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛的基于RANS的RNG k-ε湍流模型。這種方程可以更好地處理應(yīng)變率和流線彎曲程度較大的流動，能夠更好地模擬湍流情況[1]。

2 模型簡化、網(wǎng)格劃分及計(jì)算域確定

為節(jié)約計(jì)算時(shí)間、減少非必要的計(jì)算量、加快計(jì)算收斂速度，需對建筑模型進(jìn)行必要的簡化，建筑體塊中細(xì)微的凹凸變化需處理成規(guī)則的立方體。

GAMBIT軟件是專門適配FLUENT軟件的前期網(wǎng)格劃分工具，其自帶的多幾何形體網(wǎng)格能夠很好滿足不同風(fēng)環(huán)境工況的模擬需求。本文選取靈活性和適應(yīng)性強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，面域網(wǎng)格采用三角形網(wǎng)格。為捕捉近壁湍流變化趨勢，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，建筑物表面劃分了比較密集的網(wǎng)格，外圍計(jì)算區(qū)域邊界布置了較粗的網(wǎng)格，形成內(nèi)密外疏的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，既有利于數(shù)據(jù)的采集，又能節(jié)省計(jì)算時(shí)間[2]。

計(jì)算區(qū)域高度為最高建筑高度的5倍，來流方向?yàn)榻ㄖ簩挾鹊?倍，出流方向?yàn)榻ㄖ簩挾鹊?0倍，兩側(cè)寬度為建筑群寬度的5倍[2]。

3 邊界條件設(shè)定

3.1 來流邊界條件

來流邊界類型選擇速度入口（Velocity_In_Let），計(jì)算對象沉浸于大氣邊界內(nèi)，熱力環(huán)流及機(jī)械湍流影響弱，風(fēng)速仰角參數(shù)值為0，并且忽略壁面風(fēng)速，風(fēng)速值設(shè)定為計(jì)算區(qū)域所在地區(qū)全年風(fēng)速平均值。

3.2 出流邊界條件

出流邊界類型選擇壓力出口（Pressure_Out_Let），設(shè)定空氣到達(dá)出流面為完全發(fā)展情況，空氣流動完全恢復(fù)為無建筑遮擋的條件，相對壓力值為0。這種邊界條件相對于自由流出邊界對出口回流收斂困難的問題有很好的解決效果。

3.3 建筑物表面、地面邊界條件

建筑物表面和地面均采用無滑移的壁面條件（Wall），因模擬計(jì)算區(qū)域頂部與計(jì)算建筑壁面間距離較遠(yuǎn)，并且速度入口參數(shù)只對水平方向的風(fēng)進(jìn)行了定義，所以法線方向風(fēng)速值設(shè)置為0[3]。

4 高校宿舍建筑群風(fēng)環(huán)境模擬分析

本文所模擬區(qū)域?yàn)殚L春市某高校新建校區(qū)內(nèi)學(xué)生宿舍建筑群，其中宿舍區(qū)位于校園的北部，建筑群采用行列式布局，建筑單體形態(tài)為半包圍的“凹”字型，宿舍建筑群內(nèi)部布置有食堂、書店、咖啡、銀行等單體建筑及足球場、籃球場，共同組成校園內(nèi)學(xué)生的生活區(qū)（見圖1）。

圖1 長春市某高校新建校區(qū)平面圖

4.1 地區(qū)風(fēng)環(huán)境參數(shù)設(shè)定

研究項(xiàng)目位于長春市，其風(fēng)環(huán)境特點(diǎn)為：夏季、冬季、全年的盛行風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，冬季室外平均風(fēng)速為3.9 m/s，夏季室外平均風(fēng)速為3.5 m/s。

4.2 模擬結(jié)果分析

對模擬區(qū)域，即宿舍建筑群計(jì)算模型進(jìn)行簡化和編號（見圖2）。

圖2 模擬區(qū)域建筑編號示意圖

如圖3~圖4所示，其風(fēng)環(huán)境情況如下。

圖3 模擬區(qū)域風(fēng)速矢量

圖4 模擬區(qū)域風(fēng)壓

1）圖3顯示，建筑群開口處主要的室外風(fēng)環(huán)境問題，6#宿舍樓的右下角有較強(qiáng)的角隅風(fēng)，對其右側(cè)的足球場、籃球場組成的活動場地有較大影響，風(fēng)速值高且面積約占整個(gè)活動場地面積的1/2，風(fēng)速比約為1.57，對在此活動的人造成影響。左側(cè)開口空間迎風(fēng)向設(shè)置了書店、咖啡、銀行作為生活服務(wù)用房，有效削弱了3#宿舍樓右下角的強(qiáng)風(fēng)，風(fēng)屏作用明顯并降低進(jìn)入建筑內(nèi)部的氣流。

2）從宿舍建筑組團(tuán)內(nèi)部看，半包圍的“凹”字型建筑形態(tài)具有較強(qiáng)的圍合強(qiáng)度，對高速氣流的抵御作用顯著，圍合空間內(nèi)部風(fēng)速值為0.7 m/s，形成比較理想的組團(tuán)內(nèi)活動場地。右側(cè)的研究生宿舍組團(tuán)建筑間開口尺度更小，對高速氣流的抵御作用進(jìn)一步加強(qiáng)，組團(tuán)內(nèi)部的開口也形成了貫穿南北的氣流，風(fēng)速值為1.2 m/s，一定程度上解決了通風(fēng)問題。而左側(cè)的食堂單體兩側(cè)由于開口尺度的擴(kuò)大，且相鄰建筑較長的山墻相對，形成了較強(qiáng)的風(fēng)狹管效應(yīng)，風(fēng)速較高，達(dá)到1.38 m/s，高速氣流較強(qiáng)。

3）圖4顯示，風(fēng)壓值較高區(qū)域位于盛行風(fēng)向的建筑迎風(fēng)面，左側(cè)的3#宿舍和右側(cè)3#研究生宿舍的圍合空間內(nèi)出現(xiàn)風(fēng)壓的峰值，此位置的房間外墻需采取抗壓保溫材料。

結(jié)合模擬結(jié)果分析，采用了高圍合度的“凹”字形建筑組合方式，對抵抗強(qiáng)風(fēng)，特別是嚴(yán)寒地區(qū)的冬季寒風(fēng)有較好效果。風(fēng)環(huán)境的突出問題體現(xiàn)在建筑間的通道空間內(nèi)部有貫穿的、高風(fēng)速值的氣流，右側(cè)建筑組團(tuán)間的室外足球場、籃球場活動場地室外風(fēng)環(huán)境較差，對于在此進(jìn)行室外活動的人影響較大，具體的優(yōu)化措施如下。

1）右側(cè)開口處的足球場、籃球場室外活動場地的迎風(fēng)向開口處布置實(shí)體擋風(fēng)墻，兩側(cè)建筑近地面行人高度處布置植被，整個(gè)室外活動場地位于擋風(fēng)墻形成的風(fēng)影區(qū)內(nèi)，綜合兩種措施來有效降低風(fēng)速。

2）左側(cè)開口處的食堂建筑單體為棱角分明的矩形，突出的尖銳轉(zhuǎn)角增強(qiáng)了角隅風(fēng)，對其進(jìn)行圓角處理從而降低進(jìn)入內(nèi)部的氣流速度。

3）縮小2#，4#，5#，6#建筑的間距從而削弱進(jìn)入空間內(nèi)部的氣流強(qiáng)度。優(yōu)化后風(fēng)環(huán)境如圖5~圖6所示。

圖5 模擬區(qū)域優(yōu)化后風(fēng)速矢量

圖6 模擬區(qū)域優(yōu)化后風(fēng)壓

優(yōu)化后的風(fēng)環(huán)境變化如下。

1）右側(cè)室外活動場地區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速比降至0.51，形成了低風(fēng)速的風(fēng)影區(qū)，滿足了人體室外活動的需求。

2）食堂單體形態(tài)由矩形變成橢圓形，尖銳直角變?yōu)閳A滑曲線，風(fēng)速比下降了0.17，風(fēng)環(huán)境得到了進(jìn)一步改善。

3）2#，4#，5#，6#建筑縮小了間距和開口尺寸，風(fēng)速比降低了0.15，氣流強(qiáng)度明顯減低。

4）從圖5~圖6上看，優(yōu)化后的計(jì)算區(qū)域風(fēng)壓峰值有所增加，高壓區(qū)主要分布在建筑迎風(fēng)面，布置在這些位置的房間需要注意圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗壓保溫。

5 結(jié)語

宿舍建筑的室外風(fēng)環(huán)境對高校學(xué)生的生活質(zhì)量影響較大，良好的室外風(fēng)環(huán)境對降低建筑能耗、改善室內(nèi)熱舒適性、營造舒適微氣候有著深遠(yuǎn)意義。通過將長春市某高校學(xué)生宿舍室外風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬的原有方案與優(yōu)化后方案進(jìn)行對比，得出優(yōu)化后的方案有效減少了局部高風(fēng)速區(qū)域的分布，降低了高風(fēng)速、高風(fēng)壓的數(shù)值，形成了更多的低風(fēng)速風(fēng)影區(qū)，風(fēng)環(huán)境得到了顯著改善，為營造安全、舒適的高校宿舍建筑室外風(fēng)環(huán)境提供借鑒。