两个相邻建筑物周围风环境的数值模拟

收稿日期:2001212226;修改稿收到日期:20022062271基金项目:西安交通大学“行动计划”环境学科重点资助;西安交通大学博士学位论文基金(D FXJTU 200127)资助项目1作者简介:张爱社3(19692),男,博士生1第20卷第5期2003年10月　计算力学学报　Ch i nese Journa l of Com puta tiona l M echan icsV o l .20,N o .5O ctober 2003文章编号:100724708(2003)0520553206两个相邻建筑物周围风环境的数值模拟张爱社3,　张　陵,　周进雄(西安交通大学建筑工程与力学学院,陕西西安710049)摘　要:高层建筑物及其群体周围所引起的风环境问题正日益受到人们的重视。

本文用数值模拟方法对两幢串列布置高层建筑周围的流场进行了模拟,讨论了建筑物高度、间距比等因素对风环境特性的影响。

为了与两个相邻建筑物的流场进行比较,本文同时计算了单个建筑物周围流动的分布情况。

数值模拟结果对揭示高层建筑群区域内再生风载荷的形成机理提供了一定的分析方法,为城市规划和高层建筑住宅小区设计提供了一定的理论参考和依据。

关键词:风环境;高层建筑;N 2S 方程;数值模拟中图分类号:TU 18 文献标识码:A1　引　言风和城市环境、建筑环境有着密不可分的关系,并对城市规划、建筑设计等领域起着很大影响。

随着科技进步和建筑业的发展,高层和超高层建筑的数量日益增多,大城市的建筑密度也越来越大,由此而产生的风环境问题(再生风环境或二次风环境)无法令人忽视。

高层建筑串列布置是规划方案中常用的方式之一,如街道两旁相峙而立的大厦、高层住宅小区多幢相对而立的高层建筑等。

相邻建筑周围的风环境与近地风状况、建筑高度、建筑物之间的相对位置等多种因素有关。

若在规划和设计中忽略了风环境问题,在一般的气候条件下,它们将直接影响着城市环境的小气候和环境给予人们的舒适感;一旦遇到大风,这种影响往往会变为灾害,影响到建筑物本身的某些使用功能和行人、行车安全等方面的问题。

因此,建筑风环境的研究对于高层建筑尤其是高层住宅小区的规划和设计就显得很有必要。

本文用数值分析方法对这一问题进行了一些理论探讨。

H irom asa Kaw ai [1]等人对串列方柱的绕流用差分方法进行了数值模拟,但是其模拟的雷诺数仅为200.文献[2]用改进的M A C 方法对并列双方柱绕流进行了计算,考虑的是平面绕流问题。

本文采用有限元方法(FE M )和k 2Ε湍流模型对两幢串列布置的高层建筑周围的流场进行了不同高度、间距比情况下的绕流特性计算和分析比较。

2　基本方程和求解方法2.1　控制方程本文选用k 2Ε两方程湍流模型对建筑物的绕流进行计算,因此流体运动的控制方程可表示为[3]5U j5x j=0(1)U j5U i 5x j =-55x i P Θ+23ϑ+55x j Μt5U i 5x j +5U j 5x ii =1,2　(2)U j 5ϑ5x j =55x j Μt Ρk 5k5x j +Μt 5U i 5x j +5U j 5x i 5U i 5x j-Ε(3)U j5Ε5x j =55x j Μt ΡΕ5Ε5x j+C 1C Λϑ5U i 5x j +5U j 5x i 5U i 5x j -C 2Ε2ϑ(4)其中Μt =C Λϑ2Ε,ϑ=′i u ′i2,Ε=2Μt5u ′i x j 5u ′ix j,C Λ=0.09,C 1=1.44,C 2=1.92,Ρk =1.0,ΡΕ=1.3;U i ,U j 分别为沿坐标轴方向的平均速度分量,u ′i ,u ′j 分别为脉动速度,P 为平均压力,Θ为空气密度。

2.2　计算方法数值模拟用有限元方法进行。

本文采用二维四节点四边形单元对整个计算区域进行非均匀网格剖分。

应用Galerk in 变分公式,在每个单元上将方程(1)式转化为常微分方程或代数方程,进而形成整个区域上的非线性方程组,之后再用N ew ton 2R ap h son 方法进行求解。

2.3　计算区域和边界条件计算区域的几何尺寸如图1所示。

边界条件如下:(1)进口边界条件进口处水平速度沿建筑物高度方向的分布采用指数律来模拟,即UU 0=y y 0Α(5)式中:U 0是参考高度y 0处的风速,Α是地面粗糙度指数,本文模拟B 类地貌,Α=0.161(2)上空面及出口边界条件由于上空面没有实际物理边界,因此把上空面处理成自由滑移边界条件,可表示为V =0,5Uy=0(6) 出口截面选取在无回流处,采用压力型出口边界条件,其数学表达式为5P5x=0(7) 地面及固体壁面采用无滑移边界条件,即在壁面上有U =V =0(8)3　计算结果及分析图2给出了一个方形截面柱体的实测压力分布[3]与本文数值模拟解的比较情况。

从图中可以看出,两者具有较好的一致性,因而本文的方法是有效的。

3.1　单个建筑物的流场分布为了与两个相邻建筑物的流场进行比较,首先计算了单个建筑物周围流动的分布情况,如图3所示。

从流场分布中可以看到建筑物迎风面底部有回流,而屋顶处流体离开建筑物边缘时发生脱离。

建筑物背风面的尾流在离建筑物一定范围内形成回流,随着离建筑物距离增大,湍流逐渐衰减,流动恢复正常。

3.2　两个相邻建筑物周围风环境分析两个相邻建筑的绕流比单个建筑更加复杂,除了具有单个建筑绕流过程中产生的分离和回流等特征外,还存在着相邻建筑之间的相互影响。

由于建筑物尺寸、建筑之间的距离等因素的不同,上游建筑产生的分离和涡流对下游建筑也会产生不同的影响。

为此,本文分成以下几种情况,分别对两个建筑物周围的风环境加以讨论。

3.2.1　前后排建筑等高等宽时,不同间距的影响 利用上述方法分别计算了间距L =0.5H b ,H b ,2H b ,2.5H b ,3H b ,3.5H b ,4H b ,5H b ,6Hb时,两个相邻等高建筑周围的风环境情况。

图4(1)～图4(4)分别表示L =0.5H b ,2H b ,4H b ,6H b 时的建筑周围的流场分布。

图5(1)～图5(3)分别表示不同位置处的速度分布。

从这些图中可以看出,当间距较小时,如L ≤2H b ,整个流场形成涡流区,建筑455计算力学学报　第20卷　物之间的涡流较弱,但在二者之间会产生封闭的滞留漩涡,而下游的建筑尾涡则变得较强。

当L =2Hb时,建筑物之间的影响非常明显。

由于上游建筑物尾迹涡的影响,下游建筑迎风面有很大的反向漩涡,整个流场也产生两个明显的涡流区。

但当L =4H b 时,两建筑周围的流场又基本接近于单个建筑的情况,见图4(4)。

这说明相邻建筑在一定的高度、宽度和风向角作用下存在发生强烈相互影响的临界间距,很显然临界间距对于建筑规划和设计具有重要的工程意义。

3.2.2　上下游建筑不等高时的影响此时假设间距L 等于上游建筑物的高度。

当上游建筑高于下游建筑,本文计算了H b ∶H′b=3∶2,2∶1,3∶1时的三种情况,图6(1)和图7(1)分别表示H b ∶H ′b =3∶2时的流场分布和不同截面处的速度分布图。

由图可见建筑物之间的流场较555　第5期张爱社,等:两个相邻建筑物周围风环境的数值模拟655计算力学学报　第20卷　复杂,两建筑物之间速度分布不断变化,下游建筑的迎风面的底部受到正的风向作用。

通过计算还发现,随着上游建筑高度的增加,两建筑物之间的区域流动越来越复杂。

在这三种情况下,下游建筑物的尾流影响区都很长。

这种布置对于下游建筑的风环境影响是非常不利的。

当上游建筑低于下游建筑时,本文模拟了当H b∶H′b=2∶3,1∶2,1∶3时的三种情况,图6(2)和图7(2)表示H b∶H′b=1∶3的流场图和速度沿高度变化的轮廓图。

从这些图中可以看出,上游建筑对下游建筑的影响区域主要在上游建筑高度范围内,尾涡主要发生在后排较高建筑物的分离流动上。

由于上游建筑的存在,使得风速的方向在流经下游建筑时发生了改变,因此尾流回流区域变得很长。

这样的建筑布置,有利于两个建筑物之间的空气流动和污染物的扩散。

3.2.3　建筑物宽度的影响本文计算了H b=H′b时,H a∶H′a=2∶1, H b∶H′b=2∶1时,H a∶H′a=3∶1以及H b∶H′b =1∶2时,H a∶H′a=1∶2的三种情况(H b是建筑高度,H a是建筑宽度)。

图8和图9分别表示第一和第三种情形下流场和速度的分布情况。

通过图8、图9与上述各种情况图形的对比,可以看出当前后排建筑等高而宽度不同时,两个建筑物周围的流动情况比较类似,在相应位置处速度分布也很相似。

通过不等高不等宽与不等高等宽情况的比较可以看出,两种情形下的流场和速度分布非常接近。

因此建筑物沿风速方向宽度的变化对相邻建筑周围的风环境影响不大。

4　结　论当两幢建筑并列布置时,由于两个建筑物的高度、间距等因素的不同,对建筑周围风环境的影响也不一样。

当两建筑物等高或前高后低时,间距比对其周围风环境影响较大;当建筑物前低后高时,相邻建筑影响较小。

文中给出了不同情况下建筑周围速度场的分布情况,这些结果对于城市高层住宅小区的规划和设计具有一定的借鉴意义。

当进行建筑规划时,根据当地的气象资料,相对于主流风的方向,采用前低后高的布置方式是应该首选的方案。

本文计算的是二维情况下两个建筑物的风场,但对某些实际情况的三维问题仍有参考价值。

作为对建筑风环境的进一步研讨,将在今后的工作中重755　第5期张爱社,等:两个相邻建筑物周围风环境的数值模拟点研究有工程实用价值的临界间距及三维建筑物的绕流情况。

参考文献(References):[1]　Si m iu E,Scanlan R H.W ind Ef f ects on S tructu res:an Introd uction to W ind E ng ineering[M].JohnW iley&Son,Inc.1983.[2]　张　维,汤广发.风对建筑物绕流流动的数值方法[J].空气动力学学报,1990,8(4):4372443.(ZhangW ei,T ang Guangfa.N um erical si m ulati on of w indflow around buildings[J].A CTA A erody nam icS inica,1990,8(4):4372444.(in Ch inese))[3]　Paterson D A,A pelt C A.Si m ulati on of w ind flowaround th ree2di m ensi onal buildings[J].B u ild ingand E nv ironm ent,1989,24(1):39250.[4]　费祥麟.高等流体力学[M].西安:西安交通大学出版社,1989.(Fei X ianglin.A d vanced F lu id M echa2nics[M].X i’an:X i’an J iao tong U niversity P ress,1989.(in Ch inese))[5]　M urakam in S.T h ree2di m ensi onal num erical si m ula2ti on of turbulent flow around buildings using the k2Εturbulence model[J].B u ild ing and E nv ironm ent,1989,24(1):51264.Nu m er ica l si m ula tion of w i nd env ironm en t around two adjacen t bu ild i ngsZhang A ishe3,　Zhang L ing,　Zhou J inx i ong(Center of Environm ent Science and,X i’an J iao tong U niversity,X i’an710049,Ch ina)Abstract:T he w ind environm en t around an iso lated structu re and a group of tall bu ildings has been attracted m o re atten ti onaly in recen t years.Such p rob lem s are now m o stly so lved by u sing the w ind tunnel exp eri m en ts,rough assum p ti on s o r by exp erience.N um erical si m u lati on s of ti m e averaged N avier2Stokes equati on s are carried ou t to investigate w ind the field around tw o tall bu ildings in the tandem arrangem en t,by u sing a k2Εtw o2equati on tu rbu lence m odel,w ith su itab le boundary conditi on s fo r the flow.T he influence of the heigh t and sp acing of adjacen t bu ildings on the w ind environm en t is em phasized.T he flow pattern s around the bu ildings at several configu rati on s are visualized by the stream lines.T he velocity p rofiles at differen t po siti on s are com pared each o ther.N um erical resu lts given here also enhance the understanding of the w ind load m echan is m in the zone of h igh2rise bu ildings. Fu rther m o re,T he resu lts also p rovide the u sefu l gu idelines and references to a certain ex ten t fo r city p lann ing and design ing.Key words:w ind environm en t;tall bu ildings;N2S equati on s;num erical si m u lati on 855计算力学学报　第20卷　。