基于Fluent的群體建筑風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬研究

　　摘要：在工程建設(shè)之前，對(duì)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬能夠很好的避免空間規(guī)劃和風(fēng)場(chǎng)分布方面的不足，大大降低了成本和不安全的因素。運(yùn)用了fluent軟件對(duì)某一區(qū)域建筑群周圍風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了數(shù)值模擬。模型計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分采用具有良好適應(yīng)性的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，并采用了擴(kuò)展k-ε湍流模型。給出不同的建筑布局圖，并通過fluent軟件模擬出不同布局下計(jì)算區(qū)域的風(fēng)速圖。最后從自然通風(fēng)和行人安全性、舒適性的角度出發(fā)對(duì)不同建筑布局下的風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果進(jìn)行了討論和分析。
　　關(guān)鍵詞：fluent；風(fēng)環(huán)境；群體建筑；CFD；建筑布局
　　中圖分類號(hào)：TU023 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2012）28-6790-05
　　“5.12”汶川特大地震導(dǎo)致全國(guó)很多城市住房嚴(yán)重受損。如何做到科學(xué)規(guī)劃、確保質(zhì)量，又好又快地完成災(zāi)后城市的重建對(duì)受災(zāi)的人們是至關(guān)重要的。而災(zāi)后城市的重建需要考慮的關(guān)鍵因素就包括了重建城市里建筑物的安全性，除此之外節(jié)能減排以及空氣流通性也是需要重點(diǎn)研究的問題。按照傳統(tǒng)的研究方法會(huì)拖慢災(zāi)后重建的速度，而且會(huì)浪費(fèi)大量的人力物力財(cái)力。同樣，北京奧運(yùn)會(huì)各種大型場(chǎng)館的建設(shè)，世博會(huì)場(chǎng)館的建設(shè)也需要在短時(shí)間的科學(xué)規(guī)劃中解決安全、節(jié)能、空氣流通性等諸多風(fēng)環(huán)境問題。
　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于建筑風(fēng)環(huán)境的模擬研究中。該技術(shù)可以在較短的時(shí)間里按照實(shí)際尺度的模型準(zhǔn)確的模擬建筑物風(fēng)環(huán)境，避免了風(fēng)洞試驗(yàn)只能按照縮尺實(shí)驗(yàn)、成本高、研究周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。該技術(shù)可以很好的被運(yùn)用于災(zāi)后城市的重建，也可被用于城市中大型建筑的科學(xué)規(guī)劃中。
　　目前，在CFD研究領(lǐng)域中，國(guó)內(nèi)外對(duì)單體建筑，如高樓、塔型建筑、復(fù)雜形狀的建筑以及室內(nèi)風(fēng)環(huán)境研究較多，但對(duì)群體建筑的風(fēng)環(huán)境的數(shù)值模擬研究很少。在設(shè)計(jì)群體建筑時(shí)，除了需要考慮地震因素外，還需考慮風(fēng)荷載等氣象因素的影響。此外，不合理的建筑布局會(huì)導(dǎo)致空氣污染加重。因此，如何給出最優(yōu)的建筑布局是保證建筑安全性和形成良好氣象效應(yīng)的關(guān)鍵。本文運(yùn)用了CFD方法對(duì)群體建筑進(jìn)行數(shù)值模擬，通過給出不同建筑布局，并模擬出不同布局下的風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)，并分析不同布局下風(fēng)環(huán)境的改變。最后本文綜合考慮自然通風(fēng)和對(duì)行人的安全，對(duì)不同布局下風(fēng)環(huán)境進(jìn)行分析。這樣在工程建設(shè)之前，對(duì)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬能夠很好的避免空間規(guī)劃和風(fēng)場(chǎng)分布方面的不足，大大降低了成本和不安全的因素。
　　1 網(wǎng)格劃分與邊界值設(shè)定
　　本研究采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件，對(duì)某區(qū)域建筑群的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算區(qū)域的長(zhǎng)*寬*高取為2000m*1300m*1300m。該計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分采用了擁有良好拓?fù)湫缘姆墙Y(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格[1]。在劃分計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格和確定各單元大小時(shí)需要考慮兩個(gè)重要因素：1）近壁面處需要進(jìn)行比較細(xì)的網(wǎng)格劃分來適應(yīng)流場(chǎng)較大的變化；2）需要考慮大范圍區(qū)域網(wǎng)格劃分的計(jì)算效率?？紤]到計(jì)算對(duì)象是大范圍區(qū)域，本文研究中先在計(jì)算對(duì)象的壁面處設(shè)置了較細(xì)的網(wǎng)格用來適應(yīng)流場(chǎng)變化，同時(shí)外圍設(shè)置較粗網(wǎng)格，粗細(xì)網(wǎng)格按照1倍的變化均勻過渡。最后由面到體對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格離散中使用了Laplacian光順方法對(duì)網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。
　　邊界條件的設(shè)定分為來流邊界條件、下墊面條件、大氣邊界層設(shè)定以及建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)與計(jì)算方法。由于計(jì)算區(qū)域在大氣中，湍流中垂直地面方向的風(fēng)速為1。水平方向的風(fēng)速會(huì)隨著高度的變化而變化，原因主要有兩個(gè)：1）高空與近地面高度的大氣流動(dòng)規(guī)律不同；2）近地面地區(qū)會(huì)出現(xiàn)建筑物、山體等的遮擋，會(huì)使近地面風(fēng)力有變化。隨著高度的不斷增加，風(fēng)速的分布會(huì)呈現(xiàn)出一種梯度變化。來流條件的設(shè)置比較復(fù)雜，可以通過簡(jiǎn)化的方法設(shè)定來流條件：1）放大研究空間xyz三個(gè)維度的大小為計(jì)算區(qū)域的4倍以上；2）將計(jì)算區(qū)域的模型放入研究空間當(dāng)中。通過這個(gè)方法可以降低來流邊界條件的影響。[2]
　　出口處截面取在無回流處，采用壓力型出口邊界條件。上空面及左右側(cè)邊界采用對(duì)稱邊界；地面及建筑壁面采用無滑移邊界條件，其附近的切向速度、k及ε采用壁面函數(shù)法計(jì)算[1]。表1展示了用Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)設(shè)置的一些邊界條件。
　　2 數(shù)值求解方法
　　各種物體是存在于大氣邊界層內(nèi)風(fēng)流動(dòng)中的障礙物，其周邊各種由氣流撞擊、分離、再附著以及環(huán)流等各種不同現(xiàn)象構(gòu)成了湍流。按照湍流作用下的鈍體空氣動(dòng)力學(xué)理論，計(jì)算區(qū)域里的空氣流動(dòng)風(fēng)是大氣邊界層中低速不可壓縮湍流過程。[3]風(fēng)場(chǎng)的基本控制方程為流體的連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程（納維-斯托克斯方程N(yùn)avier-Stokes方程，簡(jiǎn)稱N-S方程）和能量守恒方程。[4]為了模擬這種不規(guī)則的流體，需要引入湍流模型。
　　現(xiàn)如今湍流模型的研究成果很多，低速湍流計(jì)算中最常用的就是k-ε模型。但Standard k-ε模型對(duì)強(qiáng)各向性流動(dòng)的預(yù)測(cè)不是很好，而RNG k-ε模型對(duì)流動(dòng)的模擬結(jié)果有了很大改進(jìn)，能夠更好地模擬湍流情況。[5]基于RNG k-ε湍流模型的湍流控制方程如下[6，7]：
　　3 計(jì)算結(jié)果和分析
　　本文模擬出6種不同布局下計(jì)算區(qū)域的風(fēng)環(huán)境，通過分析不同布局下風(fēng)速矢量圖得出該布局的對(duì)自然通風(fēng)和行人安全性的弊端和優(yōu)勢(shì)。
　　3.1 并列式布局
　　如圖1是并列式布局下的風(fēng)速圖。最前排建筑迎風(fēng)處風(fēng)速較大，但由于前排建筑的遮擋導(dǎo)致后排建筑風(fēng)速較小，這使得后排建筑處于弱風(fēng)區(qū)中。后排建筑周圍風(fēng)速較小造成了一定的風(fēng)影區(qū)，嚴(yán)重影響了夏季人們對(duì)外部空間的利用率，同時(shí)這種風(fēng)影區(qū)也不利于自然通風(fēng)和污染物的擴(kuò)散。建筑中間的通道出現(xiàn)了狹管效應(yīng)，風(fēng)速達(dá)到了5.6m/s，對(duì)行人的安全造成了一定的影響。
　　3.2 Y型布局
　　如圖2是Y型布局下的風(fēng)速圖。由于入口處的建筑之間間距比出口處建筑間間距大，這樣的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致出口處風(fēng)速最大。前排建筑對(duì)后排內(nèi)、外兩側(cè)的風(fēng)速影響較大，使得建筑間的通道風(fēng)速很大，嚴(yán)重影響行人的安全。建筑背風(fēng)區(qū)的風(fēng)速多為1.07，這使得建筑背風(fēng)區(qū)的風(fēng)速過低，不利于自然通風(fēng)和污染物的擴(kuò)散。Y型的風(fēng)場(chǎng)有利于改善垂直風(fēng)向通道區(qū)的氣流流通，并且相應(yīng)提高兩側(cè)建筑側(cè)面及背風(fēng)面的負(fù)壓，但其存在著范圍較廣的高速氣流區(qū)，可能使行人感覺不適。
　　3.3 斜并列式布局
　　如圖3是斜并列式布局風(fēng)速圖。迎風(fēng)面的最前排建筑風(fēng)速較大，由于前排建筑的遮擋導(dǎo)致后排建筑風(fēng)速較小，這樣對(duì)后排建筑起到了遮蔽作用。這種場(chǎng)地設(shè)計(jì)用在冬季較冷的地方比較合適，可以遮擋冬季的冷風(fēng)而且可以加強(qiáng)自然采光。斜并列式中建筑背風(fēng)區(qū)風(fēng)速受建筑外側(cè)風(fēng)速影響，斜并列式中建筑背風(fēng)區(qū)的風(fēng)速多為2.35，比并列式和Y型設(shè)計(jì)中建筑背風(fēng)區(qū)的風(fēng)速要高，這樣有利于自然通風(fēng)和污染物的擴(kuò)散。斜并列式布局使得風(fēng)向與建筑體在不同時(shí)間里出現(xiàn)不同夾角，避免建筑周圍風(fēng)環(huán)境的不均勻。當(dāng)風(fēng)向與建筑的夾角為30?！?0。時(shí)，夏季室內(nèi)穿堂風(fēng)比較順暢，而且風(fēng)速比較均勻；冬季關(guān)閉窗戶可使風(fēng)力順著建筑表面平滑的移走，減少因空氣流動(dòng)與建筑表面的摩擦造成的建筑失熱。此布局減小建筑正壓區(qū)迎風(fēng)面面積的同時(shí)，縮小了背風(fēng)面的負(fù)壓區(qū)范圍，弱化了因建筑對(duì)氣流的遮擋在負(fù)壓區(qū)造成的不穩(wěn)定風(fēng)場(chǎng)，使得住區(qū)內(nèi)風(fēng)環(huán)境更加通暢。
　　3.4 V型布局
　　如圖4是V型布局下的風(fēng)速圖。該場(chǎng)地設(shè)計(jì)下的各建筑周圍風(fēng)速都較大，入口處的風(fēng)速達(dá)到最大值，但最大風(fēng)速比Y型最大風(fēng)速要小。這種設(shè)計(jì)較適用于夏天較熱的地區(qū)，可以很好地達(dá)到自然通風(fēng)的效果，也可以使污染物很好地?cái)U(kuò)散，并降低建筑周圍的溫度。
　　3.5 圍合型布局
　　如圖5是圍合型布局下的風(fēng)速圖。圍合型場(chǎng)地設(shè)計(jì)中前排的建筑風(fēng)速受后排建筑的影響很小，與迎風(fēng)處速度一樣，第二排建筑周圍的風(fēng)速較大，可以很好地實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)的效果，而且可以很好地實(shí)現(xiàn)污染物的流動(dòng)。圍合式設(shè)計(jì)中的風(fēng)場(chǎng)分布速度適中且較為均勻，可以很好地保證行人的安全性。
　　4 結(jié)論
　　本文首先討論了計(jì)算區(qū)域模型的網(wǎng)格劃分、邊界值設(shè)定和數(shù)值求解方法，然后利用fluent軟件對(duì)不同建筑布局下群體建筑的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬。通過生成風(fēng)速圖以及對(duì)不同布局下建筑群風(fēng)環(huán)境進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：
　　1） 并列式布局中由于前排建筑的遮擋導(dǎo)致后排建筑風(fēng)速出現(xiàn)風(fēng)影區(qū)，嚴(yán)重影響自然通風(fēng)和污染物的擴(kuò)散。而斜并列式布局中風(fēng)向多與建筑呈現(xiàn)角度，使得該布局下的建筑在夏季能夠很好地實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)?？紤]到自然通風(fēng)，斜并列式布局較并列式布局有更多的優(yōu)勢(shì)。
　　2） 并列式布局和Y型布局中的狹道效應(yīng)會(huì)使通道里風(fēng)速很大，在冬季里會(huì)使行人舒適性指數(shù)下降。V型、斜并列式、圍合式設(shè)計(jì)沒有狹道效應(yīng)，風(fēng)場(chǎng)分布較為均勻使得夏季和冬季里行人舒適性指數(shù)較高[10]。
　　3）對(duì)于不同類型的建筑布局以及不同風(fēng)向的大范圍建筑的風(fēng)環(huán)境，可先使用數(shù)值方法先行預(yù)測(cè)，分析出自然通風(fēng)利用率和建筑物對(duì)行人安全情況，為最終生成的建筑物布局方案起到積極參考作用。
　　4）用數(shù)值模擬的方法預(yù)測(cè)大范圍環(huán)境下建筑的風(fēng)環(huán)境，能在很短的時(shí)間里和很低的成本為大范圍建筑布局的優(yōu)化和結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。
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