城市通風(fēng)模型的提出及模擬驗證

石華 檀姊靜 付祥釗 吳珍珍

1深圳市建筑科學(xué)研究院有限公司

2重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院

隨著城市的發(fā)展及人們生活水平的提高，風(fēng)環(huán)境已成為影響人居品質(zhì)的重要因素。一方面城市建設(shè)的不斷發(fā)展，人口不斷增加伴隨著一系列的生產(chǎn)、生活活動，使城市熱島效應(yīng)顯著增強；另一方面工業(yè)發(fā)展、汽車尾氣排放、生物質(zhì)燃燒引起的大量空氣污染物，直接影響著城市氣候與居民健康。城市風(fēng)環(huán)境的優(yōu)劣直接關(guān)系到其降低熱島效應(yīng)，稀釋并排除空氣污染物的能力[1]。與此相對，城區(qū)內(nèi)部氣流流動日益復(fù)雜，原有城市通風(fēng)氣流物理模型已愈來愈不適用，建立新的城市通風(fēng)模型亟需解決。

1 城市垂直方向分層模型

城市由密集的低層建筑，大量高層建筑及少量的超高層建筑組成。在不同的豎直高度上，城市建筑的疏密程度和相對位置關(guān)系有不同的特點，因而，對氣流的制約與影響具有不同力度。本文從分析不同高度城市氣流流動特性出發(fā)[2]，建立了以下的城市豎直方向分層模型。

圖1 城市高度分層示意圖

設(shè)一座城市所有建筑的平均高度為h，標準差為σh。以城市地面高度為±0.0m。用平行于城市地面，標高為和的面，將城市分為上、中、下三層。下層稱為建筑密集層；中層稱為建筑屋面層；上層稱為建筑零星層，標高為H1和H2的面為各層的分界面。如圖1。

大城市建筑密集層的基本構(gòu)成元素有：①寬敞的城市干道；②建筑密集的街區(qū)；③街區(qū)或城區(qū)之間開闊的廣場、公園；④街區(qū)內(nèi)狹窄的網(wǎng)狀巷道等。在這一層中，約束氣流流動的固體表面有，表面基本水平向上的干道和巷道地面、廣場和公園地面。所有這些水平表面連通呈網(wǎng)絡(luò)狀。豎直表面是建筑立面。根據(jù)城市高度分層模型，這層中基本沒有屋面，也沒有蓋子似的向下的水平表面。在建筑密集層，自然風(fēng)沖進與其風(fēng)速方向相一致的干道口，形成干道主流，風(fēng)沿該干道前流，在干道分叉路口，流動主體保持原方向流動，側(cè)面部分氣流在分叉路口建筑物的阻擋作用下，改變流向，轉(zhuǎn)入與原流動方向不一致的干道內(nèi)流動，形成干道分支流。在各交叉路口，干道流與分支流不斷發(fā)生分流與匯流，在流經(jīng)建筑密集的街區(qū)時，以滲入或滲出的方式與街區(qū)進行換氣?？諘绲膹V場和公園等，起到空氣湖、塘的作用，是街道流消散或重新起源之處。城市氣流最終從城市的背風(fēng)區(qū)離開城市。

建筑屋面層內(nèi)，除極個別外，城市建筑的所有屋面都分布在建筑屋面層中，這些屋面是相對分離的，不連續(xù)的，向上的水平面。豎直表面仍然是建筑立面。這層中，沒有大面積的連續(xù)水平表面，也沒有表面向下的水平面。各表面分布密度越向上越小。水平氣流流經(jīng)建筑屋面層時，在不規(guī)則布置的建筑群外形成一個個相互交織的繞流，氣流間具有一定空間關(guān)聯(lián)性。

城市建筑零星層，是標高超過H2=h+3σh的城市上層空間，該層內(nèi)僅包含零星超高層建筑的上部。在建筑零星層，高度超過H2的超高層建筑數(shù)量極少，水平氣流在各建筑外形成一個個單體繞流，各繞流之間由于存在較大的水平距離，其相關(guān)關(guān)聯(lián)性很弱，繞流間的相互影響可以忽略。

2 各層水平方向通風(fēng)模型

根據(jù)城市豎直分層模型，建筑密集層、建筑屋面層及建筑零星層內(nèi)的建筑間的氣體流動空間在幾何上各自具有明顯的特征，水平氣流在流經(jīng)各層時受到不同程度的制約，將呈現(xiàn)不同的流動狀態(tài)。

2.1 城市的建筑密集層通風(fēng)

建筑密集層內(nèi)氣流受到地面、沿街構(gòu)筑物等固體壁面制約，形成以主、次街道為流動通路的街道網(wǎng)絡(luò)流動，流道頂面為自由界面，存在與上層的質(zhì)量交換。在密集沿街建筑的約束下，空氣主要沿著通暢的城市干道流動，稱為干道流。干道流的流動動力來源于城市區(qū)域外的自然風(fēng)速v0。干道流又分為干道主流與干道支流兩類。與自然風(fēng)速方向基本一致的，稱為干道主流，與自然風(fēng)速方向不一致的，稱為干道分支流。干道主流的流路成為通流干道。

在水平氣流主導(dǎo)下，建筑密集層內(nèi)的空氣流動可以描述為淹沒網(wǎng)絡(luò)流，即空氣主流在通流干道及各支流道路構(gòu)成的網(wǎng)狀流道內(nèi)流動，近似于流體在管網(wǎng)內(nèi)流動的網(wǎng)絡(luò)流動特性。如圖2所示。由于流道不封閉，該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的流動介質(zhì)可向上發(fā)展，流入建筑屋面層，上層空氣也可下沉匯入網(wǎng)絡(luò)，流道內(nèi)空氣還可通過建筑間隙流入高密度的街區(qū)。圖中綠色箭頭代表城市區(qū)域外的自然風(fēng)向，藍色箭頭代表城市氣流出流方向，街道網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各支流流向需具體分析確定。

圖2 建筑密集層街道網(wǎng)絡(luò)流示意圖

在進行建筑密集層街道氣流網(wǎng)絡(luò)分析時，需構(gòu)建街道淹沒網(wǎng)絡(luò)圖。首先確定自然風(fēng)入口：以城市整體為一實體，置于自然風(fēng)場中進行流場分析，得到城市界面的風(fēng)壓分布，以此分析得到街道網(wǎng)絡(luò)流的自然風(fēng)入口與氣流出口。進而確定出通流干道與分支。干道或分支的交叉路口作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，節(jié)點處存在分流或匯流。自然風(fēng)流經(jīng)的第一個路口作為入口節(jié)點，該處的節(jié)點流量即流入該處的與自然風(fēng)保持同方向的總風(fēng)量。城市氣流在城市內(nèi)流經(jīng)的最后一個路口，視為出口節(jié)點，該處節(jié)點流量即流經(jīng)該處的與自然風(fēng)方向相異的總風(fēng)量。將空氣在沿街流動中滲入兩側(cè)街區(qū)，或從街區(qū)內(nèi)匯入的流量描述為涂泄流量，在岔路口等流道幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生突變的地點，氣流由于受到沿街建筑外墻阻擋，流速降低，靜壓升高，部分空氣在壓差作用下流入上部的建筑屋面層或通過建筑縫隙流入街區(qū)內(nèi)部，該處空氣流量的變化也可以計為節(jié)點流量[3]。按照以上規(guī)則將圖2的街道流示意圖進行網(wǎng)絡(luò)化，得到圖3。

Q代表節(jié)點流量，設(shè)流入城市為正，流出城市為負，下標表示流量作用的節(jié)點。ql代表涂泄流量，即沿空氣流路匯入或滲出網(wǎng)絡(luò)的流量。下標數(shù)字代表存在涂泄流量的分支。假設(shè)分支內(nèi)氣流不存在垂直流動，沿通流干道，各分支內(nèi)流向與干道主流方向一致。各分支內(nèi)氣體流動方向由兩端節(jié)點處氣體靜壓的相對大小確定。

圖3 淹沒網(wǎng)絡(luò)流圖

2.2 城市建筑屋面層通風(fēng)

在城市建筑屋面層，空氣流速較高，呈湍流流動，以繞流形式流過稀疏分散的一個個單體建筑，在該層內(nèi)建筑布置不規(guī)律，距離較近的建筑間存在繞流的疊加，形成復(fù)合繞流。針對建筑群風(fēng)場的主要研究方法有數(shù)值模擬、風(fēng)洞熱線測量和風(fēng)洞刷蝕技術(shù)等。由于建筑物的外輪廓形狀一般都是非流線形的，因而建筑群周圍流場中必然存在分離流動、渦的脫落和振蕩等復(fù)雜的流動現(xiàn)象[4]。建筑物外形、高度、布局、來流風(fēng)速、空氣物性等都會對流場特性產(chǎn)生影響，本文根據(jù)已有研究成果對建筑屋面層內(nèi)的二維建筑群流場特征進行分析。

在順風(fēng)方向第一排建筑物后的區(qū)域里漩渦分布最強烈，在其外側(cè)轉(zhuǎn)角區(qū)出現(xiàn)氣流的急劇分離，當建筑間距較小時，下游建筑受到上游建筑尾跡渦的影響，流動情況更加復(fù)雜。當迎風(fēng)上游建筑之間開口較大，下游開口小，形成“喇叭口”布局時，建筑間水平氣流近似減縮噴口，流速隨斷面減小而增加[5]。在15m~40m街寬度范圍內(nèi)，臨街平行建筑入口處風(fēng)速基本相同，但街道越寬，沿流向的風(fēng)速變化越緩。

圖4 建筑屋面層示意圖

根據(jù)本文對建筑屋面層的定義，該層內(nèi)包含有在街區(qū)內(nèi)不規(guī)則分布的高度超過H1的所有建筑的上部，并除去H2高度以上的部分。根據(jù)這一定義，該層內(nèi)建筑僅分布于街道網(wǎng)絡(luò)間的街區(qū)內(nèi)，街道上空依然是空氣自由流動空間。根據(jù)圖2繪制建筑屋面層示意圖4。

建筑繞流流場可以分為自由流區(qū)、分離剪切層、尾流區(qū)及滯止區(qū)等幾個區(qū)域。根據(jù)文獻[6]對沿街建筑群風(fēng)場的相關(guān)研究，街道內(nèi)氣流流態(tài)可以根據(jù)街道寬度與建筑高度比（B/H）值進行劃分。參考這一研究成果，設(shè)建筑屋面層內(nèi)，建筑在垂直來流方向上的間距為B，建筑高度為H，根據(jù)B/H值的不同，可將氣流流動劃分為三種模式：①擦頂繞流流態(tài)模式；②尾干擾流流動模式；③單體繞流模式。在擦頂繞流模式內(nèi)，建筑前后大部分區(qū)域的風(fēng)速比隨街寬的增加而逐漸增大；部分區(qū)域的風(fēng)速比由于巷道氣流的垂直分流而出現(xiàn)跳躍，街區(qū)上空風(fēng)速在順風(fēng)方向上呈下降趨勢。在尾干擾流模式內(nèi)，隨著B/H值增大，街道上空風(fēng)速減小，建筑周圍風(fēng)速減小。當B/H增大至單體繞流模式，單體建筑周圍繞流不受其他建筑影響，繞流間無復(fù)合，可按單體繞流處理。

2.3 城市建筑零星層通風(fēng)

在該層內(nèi)，只有含有高度超過H2的超高層建筑的上部。由于超高建筑數(shù)量較少，故其間距稀疏，單個建筑繞流之間幾乎不存在相互影響，各建筑外繞流相互獨立，對該層的空氣流場可以按照單體繞流進行求解。建筑繞流包含有渦的分離、回流以及再附等復(fù)雜的流動現(xiàn)象[7]，相關(guān)研究表明采用RNG k-ε或LES湍流模型進行數(shù)值計算，均能得到較為理想的結(jié)果。

3 通風(fēng)模型模擬驗證

3.1 模型建立及邊界條件設(shè)置

按照上述模型構(gòu)想，應(yīng)以城市整體置于自然風(fēng)場中進行流場分析，得到城市界面的風(fēng)壓分布，以此分析得到街道網(wǎng)絡(luò)流的自然風(fēng)入口與氣流出口，進而確定出通流干道與分支。對于稍微大型復(fù)雜的群體建筑風(fēng)環(huán)境模擬尚且需要一周左右的時間完成數(shù)值模擬，若將整個城市建模進行CFD計算，所需要的時間將會無限期延長，而且電腦資源也無法承擔(dān)過大模型的模擬計算。因此綜合計算機運行時間，將模擬區(qū)域適當縮小，選擇深圳市福田區(qū)梅林區(qū)域進行驗證，面積約1000m×800m，見圖5。

用PHOENICS軟件模擬，湍流模型選擇RNG k-ε模型[8]，計算區(qū)域按照經(jīng)驗設(shè)置為：高為建筑物高度的3倍，來流方向為建筑寬度的3倍，出流方向為建筑寬度的十倍，計算區(qū)域?qū)挾葹榻ㄖ飳挾鹊?倍。綜上計算區(qū)域大小為3500m×1600m×300m，滿足阻塞率小于3%的要求。迭代次數(shù)設(shè)為3000次，迭代收斂標準為所有變量殘值低于10-3，能量的連續(xù)性殘差降到10-5，且殘差曲線平緩。

圖5 模擬區(qū)域示意圖

模擬區(qū)域采用非均勻網(wǎng)格系統(tǒng)，在街道及小區(qū)范圍內(nèi)網(wǎng)格較密，在遠離建筑街道模型外比較稀疏，在目標區(qū)域和影響區(qū)域內(nèi)，網(wǎng)格大小為0.5～1m，隨著網(wǎng)格向邊界延伸，網(wǎng)格間距逐漸增加。重點觀測區(qū)域要在地面以上第三個網(wǎng)格和更高的網(wǎng)格內(nèi)，即1.5m高度內(nèi)至少3個網(wǎng)格。不均勻網(wǎng)格方案的選取模式對穩(wěn)定性有極大的影響，為了保證計算的穩(wěn)定，相鄰網(wǎng)格距的變化不宜超過40%。

來流風(fēng)按梯度風(fēng)選取，室外風(fēng)速以深圳國家氣候觀測臺所提供的精度為1km×1km的分區(qū)氣象站數(shù)據(jù)為參考。模擬區(qū)域?qū)儆诿妨炙畮鞖庀笳酒瑓^(qū)，因此以該分區(qū)風(fēng)速、風(fēng)向及風(fēng)頻為背景條件。主導(dǎo)風(fēng)速和風(fēng)向為東南風(fēng)2.2m/s。

出流面邊界條件：假定出流面上的流動已充分發(fā)展，流動已恢復(fù)為無建筑物阻礙時的正常流動；兩側(cè)面的邊界條件設(shè)為自由滑移表面。

壁面邊界條件：在固體壁面附近，由于層流粘性作用影響加強，采用壁面函數(shù)法進行修正，按照無滑移條件給出，水平速度，其粘性系數(shù)由壁面函數(shù)法確定為：

3.2 模擬結(jié)果

從1.5m高度處區(qū)域風(fēng)速云圖6可看出，在建筑密集層，由街道和建筑壁面圍合形成氣流通道，在建筑密集層內(nèi)的空氣流動近似于管道網(wǎng)絡(luò)流。區(qū)域主導(dǎo)風(fēng)從東側(cè)流入，與主要道路走向幾乎平行，主干道北環(huán)大道，道路截面寬度最大，該道路內(nèi)風(fēng)速維持在1～2m/s左右，通風(fēng)條件較好，主干道路入口處有三座弧形高層建筑，入口處氣流在遇到該建筑后，在其背風(fēng)面一定區(qū)域內(nèi)形成渦流，渦流區(qū)域內(nèi)風(fēng)速較低，由此可見，在通流干道兩側(cè)不應(yīng)布置較高建筑。經(jīng)過第一個十字路口節(jié)點，部分氣流進入橫風(fēng)街道，絕大多數(shù)氣流仍向前流動進入下風(fēng)街道，由于耗散作用，風(fēng)速較入口處明顯減小，在橫風(fēng)街道靠近交叉路口處會出現(xiàn)角旋渦。中間的支干道梅華路，從入口處至第一個十字路口節(jié)點，這段道路兩側(cè)建筑體型規(guī)整，無高層建筑，故氣流流動平穩(wěn)，無渦旋，風(fēng)速維持在1～2m/s，通風(fēng)良好。經(jīng)過第一個十字路口后，由于上風(fēng)街道傾斜，來自上風(fēng)街道內(nèi)的氣流更多進入下方的橫風(fēng)街道而不是直接被導(dǎo)入下風(fēng)街道內(nèi)，另有少量氣流從上方橫風(fēng)街道進入交叉路口之內(nèi)。上風(fēng)街道和下方橫風(fēng)街道內(nèi)氣流呈螺旋流動，其中上風(fēng)街道中螺旋形的旋渦導(dǎo)致氣流在交叉路口左下角附近出現(xiàn)躍升，當進入到下方橫風(fēng)街道后逐漸變形向下。十字路口節(jié)點可類比輸配管網(wǎng)中的四通。與風(fēng)向垂直的支干道中康路，該道路內(nèi)風(fēng)速流動狀況較復(fù)雜，渦旋較多，風(fēng)速普遍較低，0.2～0.8m/s左，兩側(cè)建筑通風(fēng)條件較差。由上述分析，主干道和支干道內(nèi)氣流流動可類比流體輸配管網(wǎng)中的干管和支管，近似于流體在管網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)流動特性。

圖6 RNG k-ε模型1.5m處風(fēng)速云圖

從RNG k-ε模型21m處的風(fēng)速云圖（見圖7）觀察，該高度屬于建筑屋面層，該層空氣流速較高，呈湍流流動，以繞流形式流過稀疏分散的一個個單體建筑，在該層內(nèi)建筑布置不規(guī)律，距離較近的建筑間存在繞流的疊加，形成復(fù)合繞流。由于建筑物的外輪廓形狀一般都是非流線形的，建筑群周圍流場中存在分離流動、渦的脫落和振蕩等復(fù)雜的流動。由于梯度風(fēng)的原因，建筑屋面層的風(fēng)速較建筑密集層提高很多，不論主干道或支干道風(fēng)速均達到1.5～3m/s。主干道北環(huán)大道上，第一個十字路口處由于多為高層建筑，因此建筑屋面層的流動仍與密集層的相似；而中間梅華路支干道的第一個十字路口，由于十字路口處，下方橫風(fēng)街道建筑較為低矮，斜上風(fēng)街道中的氣流在經(jīng)過十字口后，無兩側(cè)建筑束縛，直接流經(jīng)過低矮建筑的屋頂，進入下風(fēng)街道和下方的橫風(fēng)街道，因此沒有再出現(xiàn)建筑密集層處的漩渦結(jié)構(gòu)。

而與風(fēng)向垂直的支干道中康路上，風(fēng)環(huán)境有所改善，由于該街道東側(cè)的建筑部分較低，上升到建筑屋面層后，主導(dǎo)風(fēng)從東部吹來，部分氣流直接從屋頂流過繼續(xù)向前進入與風(fēng)向垂直的中康路，對于建筑密集層，這部分氣流受到建筑物的阻擋無法進入到與風(fēng)向垂直的路上，導(dǎo)致風(fēng)環(huán)境較差。

圖7 RNG k-ε模型21m處風(fēng)速云圖

從RNG模型25m處的風(fēng)速風(fēng)云圖8看出，該層只有含有一些超高層建筑的上部，屬于建筑零星層。由于超高建筑數(shù)量較少，故其間距稀疏，單個建筑繞流之間幾乎不存在相互影響，各建筑外繞流相互獨立。建筑繞流包含有渦的分離、回流以及再附等復(fù)雜的流動現(xiàn)象。分析該層氣流流動特點時，可參照單體建筑擾流的規(guī)律。從圖中可以看出，在整個區(qū)域的上風(fēng)階段布置了較多的高層建筑，主導(dǎo)風(fēng)從東側(cè)進入后由于這些高層建筑的阻礙，在背風(fēng)面形成了渦旋，造成其背風(fēng)面一狹長區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速較低，對背風(fēng)陰影區(qū)域內(nèi)建筑廢熱及污染物的排放有不利影響。因此，對于主導(dǎo)風(fēng)的上風(fēng)段內(nèi)不宜布置較多的超高層建筑。從整體來看，該層建筑周圍風(fēng)速普遍維持在較高水平，建筑前后存在壓差，室內(nèi)可形成良好的自然通風(fēng)。

圖8 RNG k-ε模型25m處風(fēng)速云圖

4 結(jié)論

城市風(fēng)環(huán)境是影響城市居民生存質(zhì)量的關(guān)鍵因素。目前，基于城市大尺度的通風(fēng)研究相對較少，本文從城市空間整體出發(fā)，根據(jù)流場幾何及動力特征，建立了城市豎直方向的分層模型，即垂直方向分為建筑密集層、建筑屋面層、零星建筑層；并對水平氣流主導(dǎo)下的各層氣流流動進行了討論；總結(jié)了基于建筑密集層的街道淹沒網(wǎng)絡(luò)流模型的建立過程；根據(jù)已有研究成果，簡要分析了建筑屋面層及建筑零星層的流場分析方法，為城市大尺度通風(fēng)研究提供了基本思路及方法。

[1] 黃柏良.城市通風(fēng)及其影響城市熱島效應(yīng)與空氣質(zhì)量研究[D].長沙:中南大學(xué),2011

[2] 劉學(xué)軍,吳朱丹.城市建筑群對低層大氣風(fēng)速廓線影響的統(tǒng)計學(xué)分析[J].氣象,1991,17(7):14-18

[3] 付祥釗.流體輸配管網(wǎng)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005

[4] 周莉,席光.高層建筑群風(fēng)場的數(shù)值分析[J].西安交通大學(xué)學(xué)報,2001,35(5):471-474

[5] 沈祺,王國硯,顧明.多幢高層建筑間風(fēng)場數(shù)值模擬和風(fēng)災(zāi)分析[J].同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,36(5):592-597

[6] 馬劍.群體建筑風(fēng)環(huán)境的數(shù)值研究[D].杭州:浙江大學(xué),2006

[7] 朱偉亮,楊慶山.湍流邊界層中低矮建筑繞流大渦模擬[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2010,31(10):41-47

[8] 李瓊,孟慶林,持田燈,等.建筑室外風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬的湍流模型比較[J]華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,39(4):121-127