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建筑小區(qū)內(nèi)氣數(shù)值分析
文摘：本文采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD（computationalfluiddynamics）的方法，對(duì)北京地區(qū)冬季北風(fēng)情況下某建筑小區(qū)內(nèi)的氣流流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真。借助數(shù)值模擬能模擬真實(shí)情況、資料詳細(xì)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)該小區(qū)兩個(gè)主要區(qū)域在冬季北風(fēng)向這一不利工況下的氣流流動(dòng)情況進(jìn)行了分析，由此可見(jiàn)，通過(guò)CFD方法對(duì)小區(qū)氣流流動(dòng)進(jìn)行模擬仿真，并且以直觀形象的可視化結(jié)果展現(xiàn)于設(shè)計(jì)者和客戶，可方便地對(duì)小區(qū)布局設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)以及對(duì)小區(qū)內(nèi)微氣候進(jìn)行評(píng)價(jià)。
1.前言
建筑師們?cè)谠O(shè)計(jì)建筑小區(qū)時(shí)，注意力多集中在建筑平面的功能布置，美觀設(shè)計(jì)及空間利用上，而很少考慮到小區(qū)內(nèi)高層、高密度建筑群中氣流流動(dòng)情況對(duì)人的影響：局部地方（尤其是高層）風(fēng)速太大可能對(duì)人們的生活、行動(dòng)造成不便，也有可能在某些地方形成旋渦和死角，不利于室內(nèi)的自然通風(fēng)，從而形成不好的小區(qū)微氣候。因此，為了營(yíng)造綠色舒適的建筑小區(qū)微環(huán)境，需要在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段對(duì)小區(qū)內(nèi)氣流流動(dòng)情況作出預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)。通常可用模型實(shí)驗(yàn)或者數(shù)值模擬的方法對(duì)小區(qū)內(nèi)的空氣流動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。模型實(shí)驗(yàn)方法周期太長(zhǎng)，價(jià)格昂貴，不利于用于設(shè)計(jì)階段的方案預(yù)測(cè)和分析；而數(shù)值計(jì)算相當(dāng)于在計(jì)算機(jī)上做實(shí)驗(yàn)，相比模型實(shí)驗(yàn)方法周期較短，價(jià)格低廉，可以以較為形象和直觀的方式將結(jié)果展示出來(lái)，利于非專業(yè)人士通過(guò)形象的流場(chǎng)圖和動(dòng)畫(huà)了解小區(qū)內(nèi)氣流流動(dòng)情況。因此這里將介紹利用數(shù)值模擬技術(shù)模擬仿真小區(qū)內(nèi)氣流流動(dòng)的詳細(xì)情況，藉此對(duì)小區(qū)微氣候作出評(píng)價(jià)分析以及對(duì)小區(qū)的設(shè)計(jì)作出改進(jìn)優(yōu)化。國(guó)外早在1980年代就利用數(shù)值模擬手段對(duì)室外氣流流動(dòng)進(jìn)行研究，但主要針對(duì)單體建筑[1]。近年來(lái)，我國(guó)也開(kāi)始對(duì)高密度的建筑小區(qū)這一具有中國(guó)特色的建筑形式內(nèi)的氣流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究[2]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)值計(jì)算技術(shù)以及湍流模擬技術(shù)的發(fā)展，如今我們可以對(duì)非常復(fù)雜的實(shí)際建筑小區(qū)內(nèi)氣流流動(dòng)進(jìn)行模擬仿真，方便、直觀地對(duì)小區(qū)微氣候作出評(píng)價(jià)。下面將以一個(gè)實(shí)際的建筑小區(qū)為例進(jìn)行分析。
2.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)簡(jiǎn)介
簡(jiǎn)而言之，流體流動(dòng)的數(shù)值模擬即在計(jì)算機(jī)上做實(shí)驗(yàn)。它在計(jì)算域內(nèi)離散空氣流動(dòng)遵循的流體動(dòng)力學(xué)方程組，將強(qiáng)烈非線性的偏微分方程組轉(zhuǎn)變?yōu)榇鷶?shù)方程組，再采用一定的數(shù)值計(jì)算技術(shù)求解之，從而獲得整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)流場(chǎng)分布的詳細(xì)信息，最后可將結(jié)果用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)形象直觀地表示出來(lái)。這就是所謂的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD（ComputationalFluidDynamics）。由于實(shí)際空氣是粘性流體，流動(dòng)基本為湍流流動(dòng)，故這其中涉及湍流模擬技術(shù)。自1974年以來(lái)，人們開(kāi)始進(jìn)行大量的CFD技術(shù)應(yīng)用于建筑環(huán)境的模擬研究工作[3]。如今，CFD技術(shù)已經(jīng)在建筑環(huán)境和設(shè)備模擬中取得了很大的成就。這里我們采用國(guó)際公認(rèn)的權(quán)威CFD技術(shù)研究機(jī)構(gòu)：英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院CHAM研究所開(kāi)發(fā)的PHOENICS軟件對(duì)下面的小區(qū)內(nèi)空氣流動(dòng)情況進(jìn)行模擬仿真分析。該軟件具有眾多的湍流模型和數(shù)值差分格式，并經(jīng)過(guò)了上千個(gè)算例的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，能保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。有關(guān)CFD技術(shù)的內(nèi)容可參考有關(guān)文獻(xiàn)和專著。
3.計(jì)算工況說(shuō)明
這里將要分析的小區(qū)是北京東潤(rùn)楓景小區(qū)，它是北京朝陽(yáng)區(qū)東風(fēng)農(nóng)場(chǎng)改建住宅區(qū)，總建筑面積約49萬(wàn)平方米，總居住人口約15000人。圖1所示為該小區(qū)示意圖。
根據(jù)需要，目前最需模擬分析的是楓景小區(qū)的W區(qū)和S區(qū)，其中有下列情況需要說(shuō)明：
3.1梯度風(fēng)的采用
由于楓景小區(qū)并不是一個(gè)孤立的小區(qū)，其周?chē)鷦?shì)必存在較低的建筑或其它物體，因此小區(qū)外來(lái)流風(fēng)并不是均勻的，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)和資料的研究成果，并結(jié)合楓景小區(qū)所處的地理位置，小區(qū)前來(lái)流風(fēng)因?yàn)榈孛婧偷桶ㄖ挠绊�，�?yīng)是按邊界層規(guī)律分布的，即所謂的梯度風(fēng)，如下圖2所示：
影響，應(yīng)是按邊界層規(guī)律分布的，即所謂的梯度風(fēng)，如下圖2所示：
圖2城市梯度風(fēng)
上述梯度風(fēng)滿足下式：
圖中的h>380m后，風(fēng)速可認(rèn)為趨于均勻，大小等于h=380m處的風(fēng)速。
3.2北京地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)速和風(fēng)向的選擇
為使計(jì)算結(jié)果具有一定的代表性，需要選擇北京地區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向和風(fēng)速。根據(jù)我們對(duì)1960～1990年這30年間北京地區(qū)氣象數(shù)據(jù)的分析知，北京地區(qū)秋、冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，平均風(fēng)速3m/s，典型風(fēng)速約5m/s（指出現(xiàn)頻率較高的風(fēng)速），春、夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)，平均風(fēng)速3.4m/s，典型風(fēng)速約5.5m/s。而由于冬季主要為北風(fēng)，應(yīng)為最不利情形，加之這種復(fù)雜小區(qū)的模擬計(jì)算耗時(shí)極多，因此這里我們擬先對(duì)冬季情形作出模擬，即按照風(fēng)向北、風(fēng)速5m/s（10m高處的氣象數(shù)據(jù)）進(jìn)行計(jì)算。
4.計(jì)算結(jié)果和分析
圖3～4各圖為楓景小區(qū)W區(qū)和S區(qū)兩個(gè)區(qū)域的模擬仿真結(jié)果流場(chǎng)圖。
對(duì)于W區(qū)：圖3a為高度1米的水平面上的流場(chǎng)分布，這個(gè)高度是人們經(jīng)�；顒�(dòng)和最能感知到的范圍，即所謂的“人區(qū)”，這也是小區(qū)微氣候最重要的關(guān)鍵區(qū)域。由圖可見(jiàn)，在W區(qū)中部局部地方有旋渦出現(xiàn)，但是風(fēng)速很小，約1～5m/s，同時(shí)，該區(qū)域內(nèi)大部分地方的風(fēng)速均在5m/s以下，因此對(duì)人員行動(dòng)不會(huì)造成不便，也不會(huì)對(duì)人體熱舒適感覺(jué)形成不良的影響，圖中還顯示出在該區(qū)東、西兩側(cè)建筑物周?chē)木植康胤接休^大的風(fēng)速，可達(dá)15m/s，這是由于來(lái)流北風(fēng)繞建筑物流動(dòng)的結(jié)果，但是這塊區(qū)域不是人們經(jīng)�；顒�(dòng)的地方，故影響不大。圖3b~c顯示了W區(qū)橫截面和縱剖面上不同位置的風(fēng)速流場(chǎng)分布，由圖可見(jiàn)，來(lái)流風(fēng)的繞流作用對(duì)建筑高層有一定的影響，流速?gòu)牡讓拥礁邔又饾u增大，頂層附近風(fēng)速比底層為高，但是最高值僅為9m/s，并無(wú)太大的影響。總而言之，W區(qū)在冬季北風(fēng)的氣候條件下的微氣候令人滿意，不會(huì)造成人體不適和行動(dòng)不便；
對(duì)于S區(qū)，仍然先從圖4a顯示的高度1米的“人區(qū)”的流場(chǎng)分布結(jié)果開(kāi)始分析，由圖中可以看出，S區(qū)內(nèi)的風(fēng)速較小，均小于5.5m/s，這是其前面板樓的阻擋作用之結(jié)果。另外，由于前面建筑的繞流作用，在該區(qū)最后一排高層建筑之前形成渦流，但是速度很小，僅達(dá)3.3m/s左右，故對(duì)居者的行動(dòng)和舒適不會(huì)造成不良的影響。從圖中還可以看出，在S區(qū)前面的板樓之間，由于其流通斷面突然減小，此處風(fēng)速很大，最高可達(dá)13m/s左右，但是這已經(jīng)離S區(qū)較遠(yuǎn)，對(duì)S區(qū)的居住者不會(huì)由太多的影響。圖4b~c表示的是S區(qū)橫剖面和S區(qū)以及其前面板樓組成的區(qū)域內(nèi)的縱剖面上的流場(chǎng)分布，由圖可以看出，來(lái)流風(fēng)的繞流作用使得S區(qū)高層建筑的風(fēng)速由底層向上逐漸升高，但是其流速最大也只達(dá)到7m/s左右，對(duì)高層住戶影響不大，不會(huì)造成不適感覺(jué)。
關(guān)于W區(qū)和S區(qū)的室外空氣流動(dòng)的更詳細(xì)的資料，可以通過(guò)CFD軟件得到三個(gè)方向任意位置的流場(chǎng)分布，并且，我們還可以借助別的計(jì)算機(jī)手段得出更為形象直觀的動(dòng)畫(huà)，這非常適合非建筑環(huán)境專業(yè)人士快速、方便地把握小區(qū)內(nèi)的流場(chǎng)流動(dòng)情況。
將以上分析結(jié)果總結(jié)歸納可得如下結(jié)論：
(1).W區(qū)和S區(qū)的人區(qū)內(nèi)基本沒(méi)有速度過(guò)大的區(qū)域，大部分地方的風(fēng)速均在5m/s以下，不會(huì)對(duì)居者行動(dòng)和舒適感覺(jué)帶來(lái)不便；
(2).W區(qū)和S區(qū)的高層建筑風(fēng)速由低至高逐漸增加，但是最高值基本低于10m/s，不會(huì)對(duì)該層住戶造成不適感覺(jué)；
(3).W區(qū)和S區(qū)內(nèi)某些局部區(qū)域均存在一定的渦旋流動(dòng)，但是其流速很小，均在3m/s以下，不會(huì)形成不好的微氣候；
(4).W區(qū)建筑邊緣局部地方和S區(qū)前部板樓（最高6層）局部會(huì)有速度過(guò)大的區(qū)域，但是這已經(jīng)遠(yuǎn)離我們考慮的W區(qū)和S區(qū)，不是人們經(jīng)�；顒�(dòng)的范圍，影響不大；
(5).總體而言，W區(qū)和S區(qū)的室外空氣流動(dòng)不會(huì)對(duì)居住者造成不良影響，其小區(qū)微氣候令人舒適，能保證合理的小區(qū)內(nèi)空氣流動(dòng)。
而進(jìn)一步需要開(kāi)展的工作是對(duì)其它出現(xiàn)頻率也較高的風(fēng)向下的小區(qū)內(nèi)氣流流場(chǎng)進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，如秋、冬季的西北風(fēng)向，春、夏季的南風(fēng)向等。
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