高層建筑周圍行人高度風環(huán)境的數(shù)值模擬研究

吳義章， 張幸濤， 李會知， 王存海， 聶桂莆， 程站起

(1.鄭州大學 土木工程學院 河南 鄭州 450001;2.鄭州東方鋼結(jié)構(gòu)裝飾有限公司 河南 鄭州 450003； 3.河南神火煤電股份有限公司 河南 永城 476600)

高層建筑周圍行人高度風環(huán)境的數(shù)值模擬研究

吳義章1， 張幸濤1， 李會知1， 王存海2， 聶桂莆3， 程站起1

(1.鄭州大學 土木工程學院 河南 鄭州 450001;2.鄭州東方鋼結(jié)構(gòu)裝飾有限公司 河南 鄭州 450003； 3.河南神火煤電股份有限公司 河南 永城 476600)

通過數(shù)值模擬方法對某高層建筑周圍的行人高度風速場進行了計算，結(jié)合當?shù)貧庀笈_的氣象風速統(tǒng)計資料，給出了該建筑周圍舒適性風的概率直方圖，對行人高度風環(huán)境的舒適性作出了評價，并對一些可能存在不舒適風問題的位置點提出了控制措施.

高層建筑； 風環(huán)境； 數(shù)值模擬

0 引言

國內(nèi)外實踐[1-8]已證明，建筑個體和布置方式會使風環(huán)境產(chǎn)生種種變化，高大建筑周圍很可能會產(chǎn)生局部強風，影響到行人的舒適與安全.例如，1982年1月5日，在美國紐約曼哈頓世界貿(mào)易中心雙塔附近的廣場上，37歲的女士露絲·斯菲波蓋爾在行走時，被局部強風吹倒而受傷[2].這些事故實例反映了解決風環(huán)境問題的重要性.

在大規(guī)模的城市建筑群中新建一座高層建筑后是否會惡化原有的風環(huán)境，這是一個十分復雜的問題，往往需要通過風洞模型試驗或數(shù)值模擬方法進行針對性的研究和驗證.通過數(shù)值模擬方法來研究高層建筑工程完工后其周圍2 m高度風速的分布狀況，從而評估建筑物周圍行人活動場所是否會產(chǎn)生不利的風環(huán)境.

1 行人高度風環(huán)境數(shù)值模擬計算

數(shù)值模擬計算的目標是得出各個來流風向下高層建筑周圍各點2 m高處的速度值V與遠前方來風10 m高處的速度值V10的比值V/V10，為利用當?shù)氐臍庀箫L速統(tǒng)計資料和風環(huán)境判據(jù)分析推斷高層建筑周圍行人高度風環(huán)境的舒適性提供數(shù)據(jù)基礎.

1.1計算模型及計算區(qū)域網(wǎng)格的劃分

圖1 建筑物表面網(wǎng)格劃分的三維示意圖Fig.1 Sketch map of building and grid

計算的高層建筑工程由一棟132 m高的辦公大樓和一棟96 m高的住宅樓組成.從空氣動力學理論來說，應該考慮鄰近建筑物的影響，鄰近建筑物高度均在19 m以下，因此，在進行數(shù)值模擬計算時主要從直觀判斷只考慮了周圍可能帶來影響較大的其他建筑物，而且從空氣動力學的觀點出發(fā)忽略了周圍建筑物的局部細節(jié)，這是為了兼顧網(wǎng)格劃分和計算容量的要求.

計算區(qū)域是長2 000 m、寬1 000 m、高600 m的長方體，在對計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分時采用了非結(jié)構(gòu)、混合網(wǎng)格劃法，靠近建筑物表面附近采用了加密的網(wǎng)格形式，網(wǎng)格尺寸由內(nèi)向外逐漸增大，網(wǎng)格劃分后總計產(chǎn)生了97萬多個體網(wǎng)格.圖1是建筑物表面網(wǎng)格劃分的整體三維視圖.

1.2邊界條件

數(shù)值模擬計算要求給出來流的邊界條件，對于湍流來說，包括平均風速、湍動能k、湍能耗散率的剖面數(shù)據(jù)ε.

入口面的風速剖面是冪指數(shù)形式，采用C類地貌數(shù)據(jù)：

(1)

式中，V(z)為離地高度z處的平均風速,Vg為參考高度zg處的平均風速，計算中取為10 m高處的平均風速，在Fluent計算中取u=V(z),v=0,w=0.

入口面的湍動能和湍能耗散率按Paterson給出的公式計算：

(2)

式中，κ=0.435為Kolmogoroff常數(shù)；z0為壁面的粗糙值，對于地面取0.024 m；Cμ是常數(shù)，取為0.09.

入口的平均風速剖面、湍動能和湍能耗散率均采用用戶自定義函數(shù)(UDF)編程，通過Fluent的User-Defined-Functions接口對接實現(xiàn)入口風速的邊界條件.

出口邊界條件采用完全發(fā)展的出流情況(outflow).建筑物表面均采用無滑移邊界條件(wall).計算域底面采用無滑移邊界條件(wall)，以模擬實際地面；計算域頂面和兩側(cè)面采用自由滑移邊界條件(symmetry)，以近似模擬開闊空間面.

1.3求解方法及收斂控制

為保證計算過程的數(shù)值穩(wěn)定性和精度，離散化處理方程時采用二階迎風格式.考慮固體壁面對流場的影響，采用非平衡壁面函數(shù)(non-equilibrium wall functions)以模擬近壁面附近復雜的流動現(xiàn)象.采用SIMPLEC算法求解有限體積積分得到的壓力-速度相關控制方程組.采用分離式求解器和比較適于分離流的Realizablek-ε湍流模型進行計算.計算中監(jiān)測相應模型的控制方程迭代殘差以及所研究對象的一個迎風表面的風壓系數(shù)變化，當控制量x-velocity、y-velocity、z-velocity continuity、ε、k的計算殘差均小于0.000 1，且同時監(jiān)測得到的一個迎風表面風壓系數(shù)基本不發(fā)生變化、而且在合理的范圍內(nèi)時，認為所得流場進入了穩(wěn)態(tài)，終止迭代計算.

1.4計算方案

在自然界中，高層建筑的來風風速Vs是一個變量，建筑周圍2 m高處風速V是隨Vs變化而變化的量，在計算中應考慮來風風速數(shù)值變化的影響.但在數(shù)值模擬計算中不能像數(shù)學函數(shù)計算那樣把來流風速值設為變量一次完成計算，只能在不同的風速數(shù)值條件下進行多次重復計算，如果這樣將大大增加工作量.從空氣動力學理論來看，所計算的高層建筑物屬于帶銳緣尖角的鈍體結(jié)構(gòu)，所計算的風速范圍屬于高超臨界雷諾數(shù)范圍，因此，建筑周圍風速分布應該滿足相似理論，無量綱的風速比值應該不隨來風風速的大小而變化，這一點通過只有辦公大樓單體建筑存在時的計算獲得了驗證.驗證時的風速條件按照式(1)、(2)給出，入口10 m高處的風速數(shù)值分別為10 m/s和20 m/s.在這個前提下，在計算中作為邊界條件的來風風速不用根據(jù)建筑場地的風速統(tǒng)計數(shù)值資料而變化，這給數(shù)值模擬計算帶來了很大方便，只需編寫一個UDF函數(shù)表示的邊界條件即可.各個風向下利用相同的風速條件進行數(shù)值計算，得出對應風向下的無量綱的風速比值，然后再來考慮實際建筑場地的風速條件，利用計算所得的風速比值結(jié)合當?shù)氐娘L速統(tǒng)計數(shù)據(jù)來分析實際建筑周圍行人高度的風環(huán)境的舒適性.

不同來風風向下高層建筑周圍行人高度的風速分布是不相同的，因此，計算模擬了16個來風風向(間隔22.5°)，分別為N(北風)、NNE(北東北風)、NE(東北風)、ENE(東東北風)、E(東風)、ESE(東東南風)、SE(東南風)、SSE(南東南風)、S(南風)、SSW(南西南風)、SW(西南風)、WSW(西西南風)、W(西風)、WNW(西西北風)、NW(西北風)、NNW(北西北風).

基于上述分析，計算中利用入口10 m高處中心點作為參考點，計算時該點風速數(shù)值取為15 m/s.在16個來流風向下分別計算，獲得相應風向下的流速場，從而也獲得了高層建筑周圍行人高度的風速數(shù)據(jù).

1.5結(jié)果及分析

經(jīng)過計算獲得了16個來風風向下該建筑工程周圍2 m高處的風速矢量圖，16個來風風向?qū)?6個風速分布圖，這里只給出其中1個，圖2是東北風時2 m高處的風速分布矢量圖.

因為這里分析建筑物周圍風環(huán)境的舒適性需要的數(shù)據(jù)是各風向下的速度比值V/V10(θi)，因此利用Fluent的場變量設置功能得出V/V10的等值線圖，圖3為南風時的V/V10等值線圖.下一節(jié)利用這里得出的速度比值V/V10結(jié)合建筑場地實際的氣象風速統(tǒng)計資料，討論該建筑工程周圍行人高度風環(huán)境的舒適性.

圖2 東北風時建筑周圍2 m高處的風速矢量圖Fig.2 Distribution of horizontal vectors in 2 m-height plane

圖3 南風時2 m高處的V/V10等值線圖Fig.3 Isogram of V/V10 in 2 m-height plane

2 行人高度風環(huán)境舒適性的評估

建筑物周圍的風環(huán)境，主要是指建筑物對自然界來風的影響和改變，局部是增大還是減小，變化程度是否可以接受，主要關注的是對行人活動造成的后果，從而引發(fā)建筑物周圍行人高度風環(huán)境的“舒適度”概念.風的“舒適度”建立于人的感覺，因此因人而有所差異，不同學者的研究成果、表述方式也會有所不同.本文利用如下風環(huán)境判據(jù)：坐著的情況，風速V<5.7 m/s(界限風速)，站著的情況，風速V<9.3 m/s，行走的情況，風速V<13.6 m/s，當有80%的時間滿足上述風速條件，這樣就分別滿足坐、站、行舒適性條件.

通過數(shù)值模擬計算已得出各風向下的速度比值V/V10，在這個前提下，如果知道高層建筑遠前方來流風速V10，就可以知道高層建筑周圍2 m高度風速V，進而利用風環(huán)境判據(jù)評估預測高層建筑周圍行人高度風環(huán)境的舒適性.然而，計算機不能給出高層建筑遠前方來流風速V10，這個V10必須從當?shù)氐臍庀笈_(站)的風速統(tǒng)計資料得出.

為了利用上述風環(huán)境判據(jù)判斷某位置點是否滿足舒適性要求，下面分三步進行分析處理和討論：

(Ⅰ)根據(jù)數(shù)值模擬計算可以求出大樓建成后所有受關注的位置點，在16個風向下坐、站、行舒適性界限風速對應的氣象臺(站)10 m標高風速.由數(shù)值模擬計算得出V/V10，保持此風速比值不變，分別以風環(huán)境舒適性判據(jù)界限值V=5.7，9.3，13.6 m/s代入，即求出該風向下坐、站、行舒適性界限風速對應的氣象臺(站)風速.

以其中一點為例分析說明.圖4是從數(shù)值模擬計算得出的位置1在大樓建成后V/V10比值隨風向的變化，圖5是大樓建成后位置1的舒適性界限風速對應的氣象臺(站)風速隨風向變化.由圖4可知，北風(N)時V/V10(5.7,N)= 0.46，由V=5.7 m/s得大樓前方來風10 m標高風速V10(5.7,N) =5.7/0.46=12.39 m/s，數(shù)值模擬計算采用的是大樓處于C類地貌，氣象臺(站)所處的位置是B類地貌，這樣氣象臺(站)10 m標高風速是大樓前方來風10 m標高風速的1.27倍，進一步可以得出氣象臺(站)10 m標高風速V10j(5.7,N)= 12.39×1.27= 15.74 m/s；由V= 9.3 m/s得氣象臺(站)10 m標高風速V10j(9.3,N)=9.3/0.46×1.27= 25.68 m/s；圖5中其他數(shù)據(jù)同理得出.

從圖5中可以得出，北風(N)和東風(E)情況下，位置1坐著的舒適性界限風速(5.7 m/s)對應的氣象臺(站)10 m標高風速分別為15.74 m/s和6.83 m/s，也就是說，如果氣象觀測站測到的10 m標高北風風速為15.74 m/s或東風風速為6.83 m/s，那么，在位置1就會出現(xiàn)5.7 m/s的風速，如果位置1出現(xiàn)超過5.7 m/s的風速的概率超過20%，那么該處就不滿足坐著的舒適性要求.但是，在當?shù)厥欠癯霈F(xiàn)東風或北風以及東風風速是否超過6.83 m/s或北風風速是否超過15.74 m/s或其他值以及這些風速值出現(xiàn)的概率，數(shù)值模擬計算不能給出.數(shù)值模擬計算只能在給定來風風速條件下得出高層建筑周圍的風速分布數(shù)據(jù)，至于建筑的來風風速條件是什么狀況，并不是決定于計算所給的條件，而是取決于當?shù)氐娘L氣候，必須把當?shù)氐拈L周期氣象風速資料與數(shù)值模擬計算獲得的結(jié)果結(jié)合起來，才能分析推斷建筑周圍的實際風速分布及其舒適性狀況.

圖4位置1的V/V10比值隨風向的變化圖5與位置1舒適性界限風速對應的氣象站風速

Fig.4Ratio ofV/V10at site 1 with wind incidenceFig.5Wind velocity of weather station corresponding to the comfortable wind boundary

(Ⅱ)氣象臺站每隔3 h觀測的風速和風向的記錄是大量的離散數(shù)據(jù)，在應用時處理成概率分布數(shù)據(jù)，自然界梯度風風速超過某一數(shù)值發(fā)生的概率可用威布爾(Weibull)公式來描述.在給定風向上風速超過某一規(guī)定值V的發(fā)生概率P，用威布爾分布函數(shù)表示為

Pθ(V)=Aθexp[-(V/Cθ)Kθ],

(3)

式中，θ為扇形風向區(qū)，取16個風向區(qū)時，為22.5°的扇形區(qū)域，Pθ(V)為風向θ內(nèi)、氣象臺10 m標高處風速超過V的概率，Aθ為風吹過θ內(nèi)的時間比率，Cθ和Kθ為常數(shù)項.

通過對建筑地區(qū)的氣象臺風速資料所作的概率統(tǒng)計分析，可得出Aθ，Cθ和Kθ.例如，經(jīng)分析，北風超過某一風速的概率表達式為

P1(V)=0.263 exp[-(V/4.76)1.7].

(4)

根據(jù)式(4)可以得到每年北風風速超過任意給定風速值的概率.因為風往往具有季節(jié)性，可以對各個季節(jié)的數(shù)據(jù)分別分析，給出各季節(jié)(如夏季和冬季)在某一風向下超過某一風速值的概率，以便按季節(jié)分析風環(huán)境的舒適性，為設計者提供更合理的風環(huán)境舒適性數(shù)據(jù).

(Ⅲ)分析坐著的情況其舒適性界限風速發(fā)生的概率計算方法.由第(Ⅰ)步查圖5知刮北風時如在位置1坐著休息的舒適性界線風速5.7 m/s對應的氣象臺風速為15.74 m/s，即氣象臺測出的北風風速超過15.74 m/s時，位置1的風速超過5.7 m/s.其發(fā)生概率也即時間頻率由式(4)計算為

P1(V)=0.263 exp[-(15.74/4.76)1.7]=1.27×10-4.

(5)

研究發(fā)現(xiàn)，如果是對全年的風速數(shù)據(jù)進行分析，得出的各位置點均滿足坐、站、行舒適性條件，這是因為風的季節(jié)性比較強，在一個季節(jié)中，往往是某一風向起主導作用，另一個季節(jié)中，往往是另一風向起主導作用，而一個位置點往往是在某一個或幾個來風風向上才出現(xiàn)風速增大的情況，這樣一來就出現(xiàn)這種情況，某一位置在其中一個季節(jié)不滿足舒適性條件，但在其他三個季節(jié)滿足舒適性條件，全年總平均仍滿足舒適性條件.

圖6 建筑周圍受關注點位置示意圖Fig.6 Sketch map of sites concerned around the building

圖6是建筑周圍受關注點位置示意圖，圖7、圖8分別是分季節(jié)計算(夏季和冬季)的坐、站、行的舒適性概率直方圖.由圖7可以看出，在夏季，位置3、6、14不滿足坐著的舒適性條件，但其中位置3是兩樓之間的夾道，位置6是樓拐角，此兩位置均不是休憩場所，估計不會有人在此坐著休息，不滿足坐著休息的舒適性條件也沒關系，位置14是空地，若設為休憩場所，則不能取得滿意的效果；由圖8可以看出，在冬季，位置3、15、16不滿足坐著的舒適性條件，其中位置15、16是空地，若設為休憩場所，則不能取得滿意的效果，應給予關注.由圖7、8可以看出，在夏、冬兩季，除位置3外各位置均滿足站立和行走的舒適性條件.在冬季強風時，位置3、7是風速增大區(qū)，從安全角度考慮，可設置盆景、圍欄等，控制或減少人從此繞走；在夏季強風時，位置3、6是風速增大區(qū)，應給予關注，對于位置3，建議采用一定的封閉措施.

圖7 夏季舒適性風的概率直方圖Fig.7 Probability diagram of comfortable wind in summer

圖8 冬季舒適性風的概率直方圖Fig.8 Probability diagram of comfortable wind in winter

3 結(jié)論

高層建筑周圍很可能會產(chǎn)生局部強風，影響到行人的舒適與安全.為了評估兩個相鄰的高層建筑周圍的行人高度風環(huán)境的舒適性與安全性，通過數(shù)值模擬方法對該高層建筑周圍的行人高度風速場進行了計算，結(jié)合當?shù)貧庀笈_的氣象風速統(tǒng)計資料，給出了該建筑周圍舒適性風的概率直方圖，對行人高度風環(huán)境的舒適性作出了評價，并對一些可能存在安全問題的位置點提出了控制措施.

研究表明，由于風的季節(jié)性比較強，某一(些)位置在其中一個季節(jié)不滿足舒適性條件，但在其他三個季節(jié)滿足舒適性條件，如果按一年作為評估周期對行人高度風環(huán)境的舒適性進行評估，往往得出滿足舒適性條件的結(jié)論，這是一種籠統(tǒng)而不科學的處理方法，應按季節(jié)作出風環(huán)境舒適性評估，也可以按月份作出風環(huán)境舒適性評估.

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NumericalSimulationofthePedestrianLevelWindEnvironmentAroundHigh-riseBuildings

WU Yi-zhang1, ZHANG Xing-tao1, LI Hui-zhi1, WANG Cun-hai2, NIE Gui-pu3, CHENG Zhan-qi1

(1.CollegeofCivilEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China;2.ZhengzhouEasternSteelStructure&DecoratingCo.Ltd,Zhengzhou450003,China;3.HenanShenhuoCoalIndustry&ElectricPowerCo.Ltd,Yongcheng476600,China)

The pedestrian level wind environment around high-rise buildings was studied by numerical simulation. The probability of comfortable wind was obtained by combining weather station wind data with the data from numerical simulation. The comfortable state of pedestrian level wind was predicted. The measure to improving wind environment of some areas was presented.

high-rise building;wind environment;numerical simulation

TU 119.4

A

1671-6841(2011)04-0110-06

2010-12-24

國家自然科學基金資助項目，編號10802078.

吳義章(1970-)，男，高級工程師，碩士，主要從事結(jié)構(gòu)工程研究，E-mail:wyz@zzu.edu.cn.