建筑小区内气流流场的数值模拟分析

建筑小区内气流流场的数值模拟分析

文摘：本文采用计算流体动力学CFD（computational fluid dynamics）的方法，对北京地区冬季北风情况下某建筑小区内的气流流动进行了数值模拟仿真。借助数值模拟能模拟真实情况、资料详细的优点，对该小区两个主要区域在冬季北风向这一不利工况下的气流流动情况进行了分析，由此可见，通过CFD方法对小区气流流动进行模拟仿真，并且以直观形象的可视化结果展现于设计者和客户，可方便地对小区布局设计进行指导以及对小区内微气候进行评价。

1. 前言

建筑师们在设计建筑小区时，注意力多集中在建筑平面的功能布置，美观设计及空间利用上，而很少考虑到小区内高层、高密度建筑群中气流流动情况对人的影响：局部地方（尤其是高层）风速太大可能对人们的生活、行动造成不便，也有可能在某些地方形成旋涡和死角，不利于室内的自然通风，从而形成不好的小区微气候。因此，为了营造绿色舒适的建筑小区微环境，需要在规划设计阶段对小区内气流流动情况作出预测评价，以指导设计。通常可用模型实验或者数值模拟的方法对小区内的空气流动进行预测。模型实验方法周期太长，价格昂贵，不利于用于设计阶段的方案预测和分析；而数值计算相当于在计算机上做实验，相比模型实验方法周期较短，价格低廉，可以以较为形象和直观的方式将结果展示出来，利于非专业人士通过形象的流场图和动画了解小区内气流流动情况。因此这里将介绍利用数值模拟技术模拟仿真小区内气流流动的详细情况，藉此对小区微气候作出评价分析以及对小区的设计作出改进优化。国外早在1980年代就利用数值模拟手段对室外气流流动进行研究，但主要针对单体建筑[1]。近年来，我国也开始对高密度的建筑小区这一具有中国特色的建筑形式内的气流流场进行数值模拟研究[2]。随着计算机技术、数值计算技术以及湍流模拟技术的发展，如今我们可以对非常复杂的实际建筑小区内气流流动进行模拟仿真，方便、直观地对小区微气候作出评价。下面将以一个实际的建筑小区为例进行分析。

2. 计算流体动力学技术简介

简而言之，流体流动的数值模拟即在计算机上做实验。它在计算域内离散空气流动遵循的流体动力学方程组，将强烈非线性的偏微分方程组转变为代数方程组，再采用一定的数值计算技术求解之，从而获得整个计算区域内流场分布的详细信息，最后可将结果用计算机图形学技术形象直观地表示出来。这就是所谓的计算流体动力学CFD （Computational Fluid Dynamics）。由于实际空气是粘性流体，流动基本为湍流流动，故这其中涉及湍流模拟技术。自1974年以来，人们开始进行大量的CFD技术应用于建筑环境的模拟研究工作[3]。如今，CFD技术已经在建筑环境和设备模拟中取得了很大的成就。这里我们采用国际公认的权威CFD技术研究机构：英国帝国理工学院CHAM 研究所开发的PHOENICS软件对下面的小区内空气流动情况进行模拟仿真分析。该软件具有众多的湍流模型和数值差分格式，并经过了上千个算例的实验验证，能保证计算结果的准确性。有关CFD技术的内容可参考有关文献和专著。

3. 计算工况说明

这里将要分析的小区是北京东润枫景小区，它是北京朝阳区东风农场改建住宅区，总建筑面积约49万平方米，

总居住人口约15000人。图1所示为该小区示意图。

图1 枫景小区整体效果图

根据需要，目前最需模拟分析的是枫景小区的W区和S区，其中有下列情况需要说明：

梯度风的采用

由于枫景小区并不是一个孤立的小区，其周围势必存在较低的建筑或其它物体，因此小区外来流风并不是均匀的，根据有关文献和资料的研究成果，并结合枫景小区所处的地理位置，小区前来流风因为地面和低矮建筑的影响，应是按边界层规律分布的，即所谓的梯度风，如下图2所示：

影响，应是按边界层规律分布的，即所谓的梯度风，如下图2所示：

图2 城市梯度风

上述梯度风满足下式：

图中的h>380m后，风速可认为趋于均匀，大小等于h=380m处的风速。

北京地区主导风速和风向的选择

为使计算结果具有一定的代表性，需要选择北京地区的主导风向和风速。根据我们对1960～1990年这30年间北京地区气象数据的分析知，北京地区秋、冬季主导风向为北风，平均风速3m/s，典型风速约5m/s（指出现频率较高的风速），春、夏季主导风向为南风，平均风速3.4m/s，典型风速约5.5m/s。而由于冬季主要为北风，应为最

不利情形，加之这种复杂小区的模拟计算耗时极多，因此这里我们拟先对冬季情形作出模拟，即按照风向北、风速5m/s（10m高处的气象数据）进行计算。

4. 计算结果和分析

图3～4各图为枫景小区W区和S区两个区域的模拟仿真结果流场图。

对于W区：图3a为高度1米的水平面上的流场分布，这个高度是人们经常活动和最能感知到的范围，即所谓的“人区”，这也是小区微气候最重要的关键区域。由图可见，在W区中部局部地方有旋涡出现，但是风速很小，约1～5m/s，同时，该区域内大部分地方的风速均在5m/s以下，因此对人员行动不会造成不便，也不会对人体热舒适感觉形成不良的影响，图中还显示出在该区东、西两侧建筑物周围的局部地方有较大的风速，可达15m/s，这是由于来流北风绕建筑物流动的结果，但是这块区域不是人们经常活动的地方，故影响不大。图3b~c显示了W区横截面和纵剖面上不同位置的风速流场分布，由图可见，来流风的绕流作用对建筑高层有一定的影响，流速从底层到高层逐渐增大，顶层附近风速比底层为高，但是最高值仅为9m/s，并无太大的影响。总而言之，W区在冬季北风的气候条件下的微气候令人满意，不会造成人体不适和行动不便；

对于S区，仍然先从图4a显示的高度1米的“人区”的流场分布结果开始分析，由图中可以看出，S区内的风速较小，均小于5.5m/s，这是其前面板楼的阻挡作用之结果。另外，由于前面建筑的绕流作用，在该区最后一排高层建筑之前形成涡流，但是速度很小，仅达3.3m/s左右，故对居者的行动和舒适不会造成不良的影响。从图中还可以看出，在S区前面的板楼之间，由于其流通断面突然减小，此处风速很大，最高可达13m/s左右，但是这已经离S区较远，对S区的居住者不会由太多的影响。图4b~c表示的是S区横剖面和S区以及其前面板楼组成的区域内的纵剖面上的流场分布，由图可以看出，来流风的绕流作用使得S区高层建筑的风速由底层向上逐渐升高，但是其流速最大也只达到7m/s左右，对高层住户影响不大，不会造成不适感觉。

关于W区和S区的室外空气流动的更详细的资料，可以通过CFD软件得到三个方向任意位置的流场分布，并且，我们还可以借助别的计算机手段得出更为形象直观的动画，这非常适合非建筑环境专业人士快速、方便地把握小区内的流场流动情况。

将以上分析结果总结归纳可得如下结论：

(1). W区和S区的人区内基本没有速度过大的区域，大部分地方的风速均在5m/s以下，不会对居者行动和舒适感觉带来不便；

(2). W区和S区的高层建筑风速由低至高逐渐增加，但是最高值基本低于10m/s，不会对该层住户造成不适感觉；

(3). W区和S区内某些局部区域均存在一定的涡旋流动，但是其流速很小，均在3m/s以下，不会形成不好的微气候；

(4). W区建筑边缘局部地方和S区前部板楼（最高6层）局部会有速度过大的区域，但是这已经远离我们考虑的W区和S区，不是人们经常活动的范围，影响不大；

(5). 总体而言，W区和S区的室外空气流动不会对居住者造成不良影响，其小区微气候令人舒适，能保证合理的小区内空气流动。