道路綠化型式對(duì)自然通風(fēng)影響的計(jì)算流體力學(xué)仿真分析

摘要 通過建立通風(fēng)環(huán)境計(jì)算體系，結(jié)合綠化植物多孔介質(zhì)三維冠層結(jié)構(gòu)的模型建模，利用計(jì)算流體力學(xué)CFD仿真軟件模擬研究了不同綠化型式對(duì)道路自然通風(fēng)效果的影響。在此基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了擬合度檢驗(yàn)分析。結(jié)果證明，喬、灌木綠化型式下的自然風(fēng)速明顯低于單純喬木綠化型式，表明有灌木層的存在，直接導(dǎo)致了道路空氣流通速度的明顯下降。計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)際觀測(cè)的風(fēng)速衰減率數(shù)值有著良好的擬合度，CFD仿真分析能較好地再現(xiàn)道路綠化實(shí)際自然通風(fēng)狀況。最后指出CFD仿真技術(shù)在預(yù)測(cè)生態(tài)綠化改善城市通風(fēng)及熱環(huán)境方面有著廣闊前景。

關(guān)鍵詞 ：道路綠化；綠化型式；自然通風(fēng)；計(jì)算流體力學(xué)；仿真分析

中圖分類號(hào)： TU024；X7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-2641（2012）06-0000-00

近年來，隨著CFD（計(jì)算流體力學(xué)）技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步，計(jì)算機(jī)仿真模擬設(shè)計(jì)不僅在綠色建筑和城市規(guī)劃領(lǐng)域得到了極大的應(yīng)用和普及，還從室內(nèi)走向了建筑外環(huán)境。一些研究者開始嘗試在不同綠化型式對(duì)于室外熱環(huán)境和風(fēng)環(huán)境的影響方面開展數(shù)值模擬研究比較[1]。但是，由于植物自身具有的流動(dòng)性冠層、蒸騰介導(dǎo)熱質(zhì)傳遞等特性，用對(duì)于計(jì)算機(jī)模擬綠化植物的流體環(huán)境計(jì)算機(jī)模擬仍面臨著是個(gè)難題，制約了CFD技術(shù)在定量預(yù)測(cè)綠化對(duì)于通風(fēng)環(huán)境和熱環(huán)境的影響方面的發(fā)展[2]。本文通過建立綠化植物的三維冠層模擬方法，結(jié)合植物冠層分析技術(shù)，建立綠化植物多孔介質(zhì)模型，模擬研究了兩種綠化型式對(duì)廣州城市道路自然通風(fēng)環(huán)境的不同影響。在此基礎(chǔ)上，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行擬合度驗(yàn)證，以期幫助定量化評(píng)價(jià)、優(yōu)化道路綠化設(shè)計(jì)，進(jìn)而為改善城市自然通風(fēng)環(huán)境和建設(shè)生態(tài)城市提供技術(shù)支撐。

1研究方法

1.1樣地概況：

測(cè)試的道路綠地斑塊位于廣州市海珠區(qū)的南洲路（E113°19′， N22°47′），測(cè)試路段為東西走向，道路綠化植物種類簡(jiǎn)單，長(zhǎng)勢(shì)良好。綠化型式分為兩種：一種為純行道樹綠化，喬木層種類為非洲桃花心木（Khaya senegalensis）；另一種型式為行道樹

基金/項(xiàng)目： 國(guó)家星火計(jì)劃項(xiàng)目（No.2011GA7800）、廣東省科技攻關(guān)項(xiàng)目（ 2009B021500004）、廣東省教育廳高層次人才項(xiàng)目和廣州市教育局羊城學(xué)者科技計(jì)劃項(xiàng)目（10B004D）。

第一作者簡(jiǎn)介： 聶磊（ 1973- ） ， 男， 吉林長(zhǎng)春人， 博士， 教授， 研究方向?yàn)閳@林生態(tài)、綠地植物。

下整齊種植有灌木層，種類為黃金榕（Ficus microcarpa cv.Golden Leaves），其組成效果如圖1所示。測(cè)試路段的道路兩側(cè)退界距離達(dá)到20 m以上，參考巖田達(dá)明等的分析結(jié)論，對(duì)道路綠化風(fēng)場(chǎng)的影響視為忽略不計(jì)[1]。

1.2 植物冠層結(jié)構(gòu)建模：

測(cè)量單株植物的樹高、枝下高、冠幅、胸徑、樹冠外輪廓曲率拐點(diǎn)坐標(biāo)等形態(tài)特征數(shù)據(jù)，其中曲率拐點(diǎn)坐標(biāo)采用手持紅外線測(cè)距儀測(cè)定。運(yùn)用3DMAX軟件建模出圓柱形、圓球形、尖塔形、圓錐形、卵圓形、倒卵形、鐘形、傘形等園林植物冠層的不同結(jié)構(gòu)類型。其中非洲桃花心木為倒卵形樹冠，黃金榕為卵圓形樹冠。

1.3多孔介質(zhì)模型參數(shù)設(shè)定：

由于植物冠層可視為多孔介質(zhì)，因此必須計(jì)算不同植物冠層模型的空隙度。冠層空隙度可由冠層分析儀測(cè)出，在陰天或晴天清晨，采用基于半球攝影的HEMIVIEW冠層分析儀對(duì)單株植物進(jìn)行冠層數(shù)據(jù)采集，用魚眼鏡頭捕獲不同方向的冠層圖象后，應(yīng)用Delta-D軟件計(jì)算太陽光直射透過系數(shù)，從而得出群落的葉面積指數(shù)（LAI）及冠層空隙大小、間隙率參數(shù)等指標(biāo)數(shù)值。經(jīng)計(jì)算非洲桃花心木樹冠的空隙率在0.09～0.15范圍內(nèi)，黃金榕在0.04～0.10范圍。

1.4 CFD仿真分析

：模擬工具為英國(guó)CHEM公司開發(fā)的PHOENICS軟件，設(shè)定的氣候條件參數(shù)為：東南方向（廣州夏季主導(dǎo)風(fēng)向），參考風(fēng)速為2.0m.s-1（廣州夏季平均風(fēng)速），區(qū)域溫度為28℃（廣州最熱月室外平均溫度）[3]。邊界風(fēng)速滿足梯度風(fēng)變化v/v0=（z/z0）α，其中，v0為標(biāo)準(zhǔn)高度處的風(fēng)速， 取2.0m.s-1，z0為標(biāo)準(zhǔn)高度，取10m，α為地面粗糙程度， 取0.0333。自然通風(fēng)環(huán)境通用模擬體系由空氣模型、植物冠層模型、下墊面固體傳熱模型構(gòu)成[4]。采用流場(chǎng)模擬計(jì)算耦合迭代求解，利用有限差分法求解空氣流場(chǎng)模擬計(jì)算的邊界條件，由空氣流場(chǎng)計(jì)算程序模擬得到整個(gè)計(jì)算區(qū)域空氣的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，通過軟件設(shè)置固定觀測(cè)點(diǎn)，得出1.5m和3.0m高度的風(fēng)速云圖與壓力圖。

1.5計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)際觀測(cè)數(shù)值的擬合度檢驗(yàn)

：采用風(fēng)速衰減率（R）來討論不同綠化型式影響下的自然通風(fēng)效果。R=1-Vi/Vo，其中，Vi，Vo分別指綠化帶下風(fēng)向及上風(fēng)向觀測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速（m·s-1）。從綠化帶設(shè)定起點(diǎn)每隔5m共設(shè)置10處觀測(cè)點(diǎn)，在每處觀測(cè)點(diǎn)的前后各5m，采用美國(guó)Kestrel 4500手持式氣象儀測(cè)定不同型式綠化帶上風(fēng)向及下風(fēng)向的實(shí)時(shí)風(fēng)速，高度為1.5 m。在計(jì)算機(jī)模型內(nèi)輸入上風(fēng)向的實(shí)時(shí)風(fēng)速，測(cè)出相同坐標(biāo)的10處觀測(cè)點(diǎn)的下風(fēng)向模擬風(fēng)速，并計(jì)算風(fēng)速衰減率。采用SPSS18.0軟件進(jìn)行風(fēng)速計(jì)算機(jī)模擬理論值與實(shí)際觀測(cè)數(shù)值的擬合度回歸模型檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同綠化型式對(duì)自然通風(fēng)的影響結(jié)果

大約2m高度以下的城市空間是人們經(jīng)?；顒?dòng)的區(qū)域高度大約在2 m以下，同時(shí)，3 m高度以上的道路綠化空間中，僅存在有喬木層分布，灌木層是無法達(dá)到這個(gè)高度的。故本文對(duì)1.5 m和3 m高度處的風(fēng)速進(jìn)行了分析。一般認(rèn)為，風(fēng)速>1m.s-1時(shí)，在夏季室外人們感覺是舒適的，風(fēng)速>5m.s-1時(shí)， 會(huì)影響人們的活動(dòng)[5]。所以，1～5m.s-1之內(nèi)的風(fēng)速，是比較理想的室外風(fēng)速。經(jīng)CFD仿真模擬，結(jié)果表明單純喬木綠化的型式下，1.5 m高度的模擬風(fēng)速達(dá)到了1.64 m.s-1的風(fēng)速，而3 m高度的模擬風(fēng)速達(dá)到了1.31m.s-1的風(fēng)速，都有著令人感覺較為舒適的自然通風(fēng)效果（圖2、3）。

綠化型式對(duì)于城市道路空氣流動(dòng)有著重要影響。有研究表明，行道樹對(duì)污染物擴(kuò)散的阻礙作用主要受控于樹木郁閉度而非綠量。當(dāng)行道樹植株間距較密，形成枝杈搭接時(shí)，茂密樹冠會(huì)在道路上方產(chǎn)生頂蓋效應(yīng)，阻礙污染物向上擴(kuò)散，導(dǎo)致道路兩側(cè)污染物濃度升高，惡化街區(qū)大氣環(huán)境。污染物擴(kuò)散速率很大程度上受到街道內(nèi)氣流鉛直湍流強(qiáng)度的影響。對(duì)于沒有樹冠頂蓋的街道，街谷內(nèi)有較大的風(fēng)速梯度，這將會(huì)有利于增強(qiáng)機(jī)械湍流的增強(qiáng)[6]。但在行道樹郁閉度較高的街道內(nèi)，高大茂密植物在減低風(fēng)速的同時(shí)，不僅導(dǎo)致街區(qū)內(nèi)部氣流的垂直渦動(dòng)減小，也大大減弱了綠化帶內(nèi)外氣流的垂直交換。我們的計(jì)算機(jī)仿真模擬結(jié)果表明，1.5 m高度時(shí)單純喬木的綠化型式較喬木+灌木綠化型式的0.47m.s-1的風(fēng)速多出了近70%，而3 m高度的模擬風(fēng)速較喬木+灌木綠化型式的0.73 m.s-1多出了44.3%，表明有灌木層的存在，直接導(dǎo)致道路空氣流通速度明顯下降（圖2～、3）。之所以1.5 m處單純喬木綠化的道路風(fēng)速較高，主要是因?yàn)榉侵尢一ㄐ脑?.5 m處仍處于枝下高以下，且無灌木層遮擋阻礙空氣流通，因?yàn)轱L(fēng)速衰減的較少；而在3.0 m高度時(shí)，喬木冠層對(duì)于自然空氣流通起到了明顯的阻礙效應(yīng)，因此下風(fēng)向觀測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速紀(jì)錄僅為1.5 m處風(fēng)速的79.9%，整個(gè)模擬區(qū)域的風(fēng)速也明顯下降。

2006年建設(shè)部發(fā)布的《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中要求熱島強(qiáng)度不高于1.5℃，同時(shí)夏季無渦旋死角，建筑前后壓差不低于1.5Pa[7]。CFD計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果表明，由于道路綠化處于開闊的室外空間，道路綠化帶上下風(fēng)向之間的正負(fù)風(fēng)壓維持在0.5～0.8Pa之間，基本上無法維持較為明顯的風(fēng)壓。

2.2計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)際觀測(cè)數(shù)值的擬合度檢驗(yàn)結(jié)果

對(duì)1.5 m和3 m的CFD模擬風(fēng)速衰減率和實(shí)地觀測(cè)的風(fēng)速衰減率計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了線性回歸模型的擬合度檢驗(yàn)分析，其中1.5 m風(fēng)速衰減率的擬合度R2=0.726（P<0.01），3 m風(fēng)速衰減率的擬合度R2=0.815（P<0.01）。結(jié)果表明，計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)際觀測(cè)的上下風(fēng)向及風(fēng)速衰減率數(shù)值有著良好的擬合度，CFD仿真分析能夠較好地再現(xiàn)道路綠化實(shí)際自然通風(fēng)狀況（圖4）。

3結(jié)論與討論

CFD（Computational Fluid Dynamics）是近代流體力學(xué)、數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。隨著近年來 CFD 物理模型和計(jì)算方法的不斷完善和改進(jìn)，計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的不斷提高，許多成熟的商業(yè)化CFD計(jì)算軟件得到了不斷地推廣。CFD研究以 3 大守恒定律（質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律）作為計(jì)算的控制方程，采用有限體積法（Finite Volume Method）把連續(xù)的計(jì)算域離散成許多個(gè)子區(qū)域（體積單元），借助高性能計(jì)算機(jī)在每個(gè)體積單元上對(duì)控制方程組進(jìn)行數(shù)值求解，進(jìn)而在整個(gè)計(jì)算域上分析流體流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)的規(guī)律[8]。近年來，CFD技術(shù)已廣泛應(yīng)用于綠色建筑領(lǐng)域，在該領(lǐng)域 CFD 被用來模擬室內(nèi)外氣候環(huán)境，然而在園林綠化領(lǐng)域，仍屬于應(yīng)用的初步階段。目前通用的CFD 軟件主要有CFX、FLUENT、STAR-CD、PHOENICS以及FIDAP等類型，其中PHOENICS是世界上第一個(gè)投放市場(chǎng)的 CFD 商用軟件（1981），可以算是CFD商用軟件的鼻祖。這一軟件中所采用的一些基本算法，如SIMPLE方法、混合格式等，由該軟件的創(chuàng)始人D.B.Spalding及其合作者S.V.Patankar等所提出，并得到廣泛驗(yàn)證和應(yīng)用[9，～10]。

城市綠化對(duì)于改善環(huán)境質(zhì)量、獲得清新潔凈的空氣、有效降低城市熱島效應(yīng)有著不可替代的重要意義。自然通風(fēng)是城市綠地實(shí)現(xiàn)節(jié)能、健康、生態(tài)等功能目標(biāo)的重要形式。城市綠地的綠化型式對(duì)于環(huán)境的自然通風(fēng)效果有著重要影響。例如在我們以往的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前道路綠化方面，由于種植密度過大，物種之間競(jìng)爭(zhēng)激烈，植株普遍生長(zhǎng)不良，、干旱甚至枯死現(xiàn)象比較普遍，不僅浪費(fèi)了大量的投資和養(yǎng)護(hù)成本， 而且也不利于發(fā)揮綠地的生態(tài)功能，尤其是阻礙了道路的自然通風(fēng)[11]。然而長(zhǎng)期以來對(duì)于不同綠化型式在影響自然通風(fēng)的場(chǎng)效應(yīng)方面，仍然缺乏有效可靠的定量預(yù)測(cè)分析方法。在本研究中，利用CFD仿真軟件模擬出的分析圖形直接顯示出不同綠化型式對(duì)道路自然通風(fēng)效果確實(shí)存在不同效果。喬、灌木綠化型式下的自然風(fēng)速明顯低于單純喬木綠化型式，驗(yàn)證證明了灌木層的存在直接導(dǎo)致了道路空氣流通速度明顯下降。試驗(yàn)結(jié)果顯示，如果從道路綠化的空氣擴(kuò)散、通風(fēng)散熱的生態(tài)功能來說，單純喬木層的道路綠化結(jié)構(gòu)效果反而更佳；然而，考慮到綠地的滯塵吸污、固碳釋氧以及增加空氣濕度等方面的整體生態(tài)功能，則更應(yīng)推薦喬灌草的群落式綠化結(jié)構(gòu)。綜合考慮，道路綠化型式的最優(yōu)方案應(yīng)為既具備立體結(jié)構(gòu)、同時(shí)又留有足夠擴(kuò)散空間的的疏落式喬灌草立體綠化結(jié)構(gòu)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)際觀測(cè)的風(fēng)速衰減率數(shù)值存在良好的擬合度，證明CFD仿真分析能較好地預(yù)測(cè)道路綠化實(shí)際自然通風(fēng)狀況。在本項(xiàng)研究中，通過測(cè)定冠層空隙度來設(shè)定植物冠層多孔介質(zhì)模型參數(shù)以及完成冠層三維結(jié)構(gòu)建模的計(jì)算模式，在今后推廣CFD分析綠地自然通風(fēng)方面有一定的參考價(jià)值。 當(dāng)前我國(guó)在建設(shè)低碳可持續(xù)社會(huì)中大力提倡綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)，逐步實(shí)行了綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)制度，對(duì)于評(píng)價(jià)為星級(jí)的綠色建筑乃至綠色低碳園區(qū)、居住小區(qū)予以高額的資金補(bǔ)貼。當(dāng)前使用的《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中要求熱島強(qiáng)度不高于1.5℃[7]。城市綠地在改善熱環(huán)境、降低熱島效應(yīng)方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。以往在綠化領(lǐng)域欠缺良好可靠的計(jì)算機(jī)模擬分析技術(shù)，而CFD仿真分析能夠建立通用輻射計(jì)算體系，結(jié)合植物與環(huán)境的熱質(zhì)傳遞模型及地表、植被、水體、建筑等表面導(dǎo)熱的有限差分計(jì)算方法，對(duì)有綠化情況下的城市熱環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)可靠的預(yù)測(cè)分析。因此，今后在城市綠化建設(shè)中，應(yīng)大力推廣CFD仿真技術(shù)在預(yù)測(cè)綠化方案在自然通風(fēng)及熱環(huán)境方面的實(shí)施效果應(yīng)用，幫助定量化優(yōu)化綠化設(shè)計(jì)方案，從而在真正意義上實(shí)現(xiàn)使城市綠化在真正意義上走上生態(tài)可持續(xù)設(shè)計(jì)的道路。

參考文獻(xiàn)：

[1]巖田達(dá)明，木村敦子，持田燈，吉野博，大岡龍三，吉田伸治.樹木の流體力學(xué)的効果の再現(xiàn)のための植生 Canopy モデルの最適化：（その2）Green 型モデルに含まれる新たなモデル係數(shù)の最適化[A]. 日本建築學(xué)會(huì)大會(huì)學(xué)術(shù)講演梗概集[C]. 東京：社団法人日本建築學(xué)會(huì)，2003. 723～-724.

[2]邱英浩. 植栽樹冠形狀對(duì)風(fēng)速衰減之影響[J]. 都市與計(jì)劃，2012，39（1）：52～-70.

[3]唐毅. 廣州高層住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境模擬分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)， 2001， 33（4）： 352～-356.

[4]王珍吾，高云飛，孟慶林. 建筑群布局與自然通風(fēng)關(guān)系的研究[J]. 建筑科學(xué)， 2007，23（6）： 24～-27.

[5]周淑貞，束炯. 城市氣候?qū)W[M]. 北京：氣象出版社，1994.

[6]王翠萍，陳洋，鐘珂. 城市街道空氣質(zhì)量與道路綠化型式的關(guān)系[J]. 城市環(huán)境與城市生態(tài)，2003， 16（6）：7～-9.

[7]中國(guó)建筑科學(xué)研究院等. 綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50378-2006 [S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

[8] Chun C ， Kwok A ， Mitamura T ， et al. Overall thermal sensation ，acceptability and comfort[J]. Building and Environment， 2008， 43（1）： 45～-50.

[9]林波榮. 綠化對(duì)室外熱環(huán)境影響的研究[D]. 北京：清華大學(xué)，2004.

[10] Michael B， Heribert F. Simulating surface-plant-air interactions inside urban environments with a three dimensional numerical model[J]. Environmental Modelling& Software， 2005， 13， 272～-284.

[11]聶磊，代色平，陸璃. 廣州城市綠地植物群落生態(tài)效應(yīng)分析[J]. 2008，35（4）：29～-33.

作者簡(jiǎn)介：

聶磊（ 1973- ） ， 男， 吉林長(zhǎng)春人， 博士， 教授， 研究方向?yàn)閳@林生態(tài)、綠地植物

E-mail：215787845@qq.com