基于CFD模擬技術(shù)的城市綠化對風環(huán)境影響研究

劉瑞杰， 閆星宇， 王 鑫

(1.石家莊鐵道大學 建筑與藝術(shù)學院，河北 石家莊 050043；2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

2021年，根據(jù)國家統(tǒng)計局報道，我國人口普查城鎮(zhèn)常住人口達到9.14億人，城鎮(zhèn)化率達到64.7 %。隨著城市不斷發(fā)展，人口不斷擴增，城市建成區(qū)高密度布局態(tài)勢的出現(xiàn)，導致市區(qū)內(nèi)風環(huán)境逐漸復雜化[1]。風環(huán)境是影響城市室外環(huán)境舒適度的重要因素，對室外環(huán)境熱舒適、顆粒污染物擴散、局部熱島效應(yīng)消散等方面起著重要的作用[2]。良好的城市通風條件能快速、有效地移除集聚在市中心的建筑排熱及污染物，以及改善室外行人區(qū)的風環(huán)境與熱舒適[3]。在三大人居環(huán)境學科中，風環(huán)境研究集中建筑領(lǐng)域，規(guī)劃領(lǐng)域適中，風景園林領(lǐng)域較少。目前公園景觀設(shè)計多著眼于強調(diào)視覺美化，而對風環(huán)境考慮不足，導致公園風環(huán)境舒適度不高，且可能引發(fā)局部惡劣風況影響游客身體健康。植物景觀是公園內(nèi)主要的組成部分，通過調(diào)整植被類型及類型搭配的手段改善風環(huán)境，具有綠色生態(tài)、適應(yīng)性佳、可操作性強等諸多優(yōu)勢。

一、風環(huán)境研究基礎(chǔ)

在植被優(yōu)化風環(huán)境方面，Abhijith等[4]、鐘佳定等[5]、林定等[6]證明了綠化植被能優(yōu)化局部風環(huán)境及舒適感。劉濱誼等對同濟大學宿舍區(qū)極端天氣下的人行層風環(huán)境進行了研究，通過優(yōu)化植物布局的策略，改善了場地內(nèi)強風區(qū)、渦旋區(qū)、角隅區(qū)等惡劣風況現(xiàn)象[7]。王澤發(fā)、劉庭風對泉州8處海絲文化史跡點展開了風環(huán)境評估，并通過植物優(yōu)化的方法改善了場地內(nèi)風環(huán)境品質(zhì)[8]。王路佳通過研究呼和浩特中心商業(yè)區(qū)風環(huán)境，發(fā)現(xiàn)路旁植被能減弱行人高度的強風速率，合理增加綠化景觀可以提升風環(huán)境舒適度[9]。洪波、林波榮研究發(fā)現(xiàn)有綠化的場地風環(huán)境優(yōu)于無綠化場地風環(huán)境[10]。

在植被風環(huán)境數(shù)值模擬方面，Ohashi利用CFD模擬技術(shù)進行三維計算分析孤植樹木周圍和穿過樹木的氣流影響情況[11]。Zhou等運用數(shù)值模擬計算樹木防護林結(jié)構(gòu)相關(guān)的風流模式，提出有關(guān)樹木防護林設(shè)計和管理的建議[12]。Endalew等通過模擬與風洞實驗結(jié)合的方式，對多孔介質(zhì)樹木模型和高仿樹木模型冠層的氣流進行了驗證，證明了數(shù)值模擬的可靠性[13]。楊易等證明了樹木模型模擬風環(huán)境的有效性[14]。程向明對樹木不同間隔距離、空隙率工況下進行了風環(huán)境模擬研究，結(jié)果顯示植物交錯排列時背風區(qū)風環(huán)境優(yōu)于平行排列[15]。

二、研究方法

(一)研究方法選取

目前對于公園風環(huán)境的研究主要有3種手段：風速儀場地實測、風洞測試和CFD數(shù)值模擬。場地實測是通過氣象站、風速儀等設(shè)備，在實驗場地布點測量得出風速數(shù)據(jù)，出現(xiàn)最早且數(shù)據(jù)最為真實可靠，但由于測量周期長、人力需求多、外界限制因素多等原因，相繼出現(xiàn)了風洞測試和計算機數(shù)值模擬方式。風洞測試可控性高、準確度優(yōu)，是建立縮小尺度仿真模型，利用大型風機還原現(xiàn)狀探頭采集數(shù)據(jù)，但設(shè)備費用高，維護管理難度大。CFD數(shù)值模擬測驗是通過計算機建設(shè)實際模型，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)設(shè)定，參數(shù)選定，再進行風環(huán)境圖像導出的直觀表達方式，憑借靈活性強、模擬效率高、實驗成本低、可觀性高的特點逐漸成為風環(huán)境研究主流方法。所以本文選用數(shù)值模擬的方式，探索不同植被類型和不同植被類型搭配下對人行高度處(1.5 m)風速的影響。

(二)模擬軟件選取

段艷文證明了PHOENICS、FLUENT、ENVI-MET三款CFD模擬軟件在景觀植被風環(huán)境研究中，都具備風環(huán)境指數(shù)模擬的可靠性[16]。但在模型建設(shè)、軟件接連、模擬尺度、網(wǎng)格繪制等方面，F(xiàn)LUENT平臺實用性相對較低；ENVI-MET平臺支持的網(wǎng)格數(shù)量需在250×250×30以內(nèi)，更適合中小型尺度空間風場模擬研究；PHOENICS平臺可以兼容多種模擬格式，對模擬空間尺度沒有限制，內(nèi)置網(wǎng)格編輯快速便捷，軟件間接連性優(yōu)，實用性高。所以選定PHOENICS為模擬研究平臺。

(三)模型構(gòu)建

在城市公園中不同類型植物單體會使周圍風場產(chǎn)生差異，已有實驗表明，樹木與大灌木兩種植被類型對1.5 m高度人行空間風環(huán)境影響顯著[17]。李亮等對不同形狀樹冠進行模擬對比，結(jié)果顯示長方體樹冠各項指標最佳[18]，所以本文選用長方體模型模擬。根據(jù)對石家莊世紀公園、長安公園、水上公園內(nèi)植物尺寸調(diào)研，將植物模型劃分為大喬木、中喬木、小喬木和大灌木4類，參數(shù)如表1。

表1 植物模型參數(shù)表

(四)模擬參數(shù)設(shè)定

為了保證實驗準確性，模擬參數(shù)根據(jù)《民用建筑綠色性能計算標準》[19]和日本AIJ標準[20]設(shè)定。計算域邊界統(tǒng)一設(shè)定為x=155 m，y=105 m，z=100 m，計算域最小網(wǎng)格選用0.1 m×0.1 m×0.1 m正方形網(wǎng)格，模型附近網(wǎng)格加密，邊界外隨之擴大，網(wǎng)格線過渡比值為1.2，地面到1.5 m高度處設(shè)6根線。地面粗糙度選用C類地面粗糙度α=0.22，PHOENICS運算迭代次數(shù)設(shè)定為1 000。在4種植物模型運算中湍流模型選用Standard k-ε model，壓力與速度耦合求解方程使用SIMPLEC算法。

三、植物類型及配置方式對風環(huán)境的影響

(一)測點設(shè)置

模擬測點設(shè)置在來流風方向的植物下風向遠2 m距離處，高度選定1.5 m人行層高度，通過PHOENICS軟件的探針功能對測點進行風速提取，風速云圖(見圖1)中白色倒三角頭處為測點。

圖1 不同植物類型單體風速圖(大喬木)

(二)不同植物類型對風環(huán)境影響

來流風從左方向流入，雖然植物屬于透風體，但從圖1中可以明確看出植物對周圍風場有著較大影響效果。根據(jù)表2可知，高1.5 m處風速衰減效率排序為：小喬>大灌>中喬>大喬。

表2 不同植物類型單體風速數(shù)據(jù)表

不同植物類型對周圍風場的影響面積也存在明顯差異，對周圍風場影響面積排序為：大喬>中喬>小喬>大灌。樹木后面的背風區(qū)為主要減速區(qū)，受影響的風場面積最大，形成一個橢圓形，影響長度約為5個植物高度的距離。樹木不僅背風區(qū)風場受到影響，植物前端迎風區(qū)和植物頂部林緣層風場氣流也發(fā)生波動。植物單體前端的來流風方向迎風區(qū)風場也產(chǎn)生小面積波動影響，但流速變動較小；植物頂部林緣層氣流，受到頂部枝葉阻礙，部分氣流繞過冠頂產(chǎn)生偏流，對氣流的影響面積較小，但激流風速增強。

(三)兩種植物類型搭配對風環(huán)境影響

來流風從左方向流入，從圖2中可明顯看出，兩種不同類型植物搭配時對周圍風場影響面積明顯大于孤植。對周圍風場影響面積排序為：大喬+中喬>大喬+小喬>大喬+大灌>中喬+小喬>中喬+大灌>小喬+大灌。

由表3可知,兩種植物類型搭配模擬測點風速值，1.5 m高度處風速衰減效率排序為：小喬+大灌>中喬+小喬>大喬+小喬>中喬+大灌>大喬+大灌>大喬+中喬。當兩種類型植物搭配時有枝下層空間的風速普遍要大于沒有枝下層空間的風速。

圖2 兩種植物類型搭配風速圖(大喬木+中喬木)

表3 兩種植物類型搭配風速數(shù)據(jù)表

(四)多種植物類型搭配對風環(huán)境影響

來流風從左方向流入，3種及以上植物類型搭配不僅景觀層次較為豐富，而且阻風效果相對較好(如圖3)，對周圍風場影響面積從大到小排序為：大喬+中喬+小喬+大灌>大喬+中喬+小喬>大喬+中喬+大灌>大喬+小喬+大灌>中喬+小喬+大灌。

圖3 多種植物類型搭配風速圖(大喬+中喬+小喬)

根據(jù)表4可知,多種植物類型搭配測點風速值，1.5 m高度處風速衰減效率排序為：大喬+中喬+小喬+大灌>中喬+小喬+大灌>大喬+中喬+小喬>大喬+小喬+大灌>大喬+中喬+大灌。

表4 多種植物類型搭配風速數(shù)據(jù)表

(五)模擬結(jié)果分析

樹冠層是樹木主體部分枝葉茂密，也是風場變化最為顯著的區(qū)域，通過枝葉結(jié)構(gòu)阻礙部分氣流穿過，從而減緩風速，樹木的枝葉面積大小與疏密度高低直接影響阻風效果。枝下層只有樹干沒有枝葉的阻擋相對通透，與冠層底部為界限形成樹下風廊，部分來流風繞過冠層底部從枝下層穿過，氣壓發(fā)生變化，風速隨之增快，枝下層風速受枝下層的高度影響，行人會在高大樹木的枝下層內(nèi)活動，所以高大樹木枝下層風環(huán)境與人體舒適度密切相關(guān)。

植物對周圍風場的影響面積與冠層大小呈正相關(guān)關(guān)系。植物對周圍風場影響面積大小，由枝葉層面積和枝下層高度所決定，樹木冠層面積越大，導致周圍風場產(chǎn)生影響的面積也就越大，枝下層越低，相反影響面積也會變多。植物背風面會形成低速流動區(qū)，產(chǎn)生風渦旋現(xiàn)象，多種植物枝葉層重疊部分和較大類型植物組合的氣流回旋效果更加明顯，當枝葉層較大，且疏透度較密時渦旋現(xiàn)象更明顯。

植物冠層是減緩風速的主要區(qū)域，當枝下層低于人行高度時，人行層高度風速減緩明顯，當枝下層高于人行高度時，人行層風速減緩作用較弱，風速較大。大喬木、中喬木枝下層高度為3 m和2 m均高于人行層，人行層無枝葉影響，氣流流動通暢，測試點風速較高；而小喬木枝下層高度1 m，受枝葉的阻礙作用強，氣流流動減緩，風速最低；大灌木高1.5 m，無枝下層，人行層氣流減緩效果較明顯，風速較低。

四、結(jié)論

在規(guī)劃或優(yōu)化設(shè)計階段，對城市公園內(nèi)進行風環(huán)境模擬與數(shù)值評估至關(guān)重要，可提前發(fā)現(xiàn)空間內(nèi)惡劣風環(huán)境問題，通過制定相應(yīng)優(yōu)化策略，能夠提高風環(huán)境舒適度，且有效避免惡劣風況。

在公園景觀廊道空間設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)當?shù)爻Ｄ觑L環(huán)境特點和具體風況進行植物類型及搭配的選擇。在風速、風頻相對較低的區(qū)域，植物單體應(yīng)多選用大喬木，植物組合應(yīng)多選用大喬木+中喬木或大喬木+中喬木+大灌木的組合方式提高人行層平均風速；在強風地區(qū)應(yīng)多選小喬木單體，植物組合應(yīng)選小喬木+大灌木或中喬木+小喬木+大灌木的組合方式降低人行層平均風速。