零方程湍流模型用于城市微氣候的模擬研究

劉吉營，郭敏，斯雷布里奇·伊蓮娜，達(dá)維多維奇·丹科

（1.山東建筑大學(xué)熱能學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.山東建筑大學(xué)山東省建筑節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室，山東濟(jì)南250101；3.山東省可再生能源建筑應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室，山東濟(jì)南250101；4.美國馬里蘭大學(xué)機(jī)械工程系，美國馬里蘭州20742；5.胡貝爾工程林木公司，美國商務(wù)城30530）

零方程湍流模型用于城市微氣候的模擬研究

劉吉營1，2，3，*，郭敏1，2，3，斯雷布里奇·伊蓮娜4，達(dá)維多維奇·丹科5

（1.山東建筑大學(xué)熱能學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.山東建筑大學(xué)山東省建筑節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室，山東濟(jì)南250101；3.山東省可再生能源建筑應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室，山東濟(jì)南250101；4.美國馬里蘭大學(xué)機(jī)械工程系，美國馬里蘭州20742；5.胡貝爾工程林木公司，美國商務(wù)城30530）

室外微氣候環(huán)境對城鎮(zhèn)人居環(huán)境和建筑能耗有重要影響，數(shù)值模擬技術(shù)作為快速的預(yù)測方法能有效評價社區(qū)規(guī)劃的優(yōu)劣。文章選用風(fēng)洞實(shí)驗數(shù)據(jù)對湍流渦粘度表達(dá)式進(jìn)行優(yōu)化，提出新的零方程湍流模型（Zero-EQ），并與兩方程湍流模型（MMK）、大渦模擬（LES）和風(fēng)洞實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析；通過對壽安新城區(qū)零方程湍流模型的應(yīng)用分析，探討該模型應(yīng)用于實(shí)際工程項目的可行性。結(jié)果表明:在同等計算機(jī)配置下，Zero-EQ模型比MMK模型快60%，是LES模型計算所需時間的1／15，能有效地預(yù)測不規(guī)則建筑群的流場分布；通過分析不同地形區(qū)域的風(fēng)熱環(huán)境特點(diǎn)，Zero-EQ模型可快速預(yù)測城鎮(zhèn)微氣候環(huán)境，為城區(qū)規(guī)劃設(shè)計提供合理建議。

零方程湍流模型；城市微氣候環(huán)境；計算流體動力學(xué)；城市規(guī)劃設(shè)計

Key words:zero-equation turbulence model；microclimate urban environment；computational fluid dynamics；urban planning and design

0 引言

在城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的過程中，室外人居的風(fēng)、光、熱、污染物等微氣候生態(tài)環(huán)境日益受到廣泛關(guān)注，而數(shù)值模擬技術(shù)作為最有效的預(yù)測方法之一，已成為評價低碳生態(tài)社區(qū)規(guī)劃優(yōu)劣的重要方法［1-3］。目前，應(yīng)用于城市微氣候環(huán)境數(shù)值模擬最廣泛的兩種湍流模型分別是基于雷諾平均的 RANS（Reynolds-Average Navier-Stokes Equations）模型和大渦模擬LES（Large Eddy Simulation）。時至今日，由于計算機(jī)資源的限制，LES仍限于簡單的建筑模型或者相對較小的區(qū)域。通過對比分析常用湍流模型預(yù)測城市風(fēng)環(huán)境的優(yōu)劣，在較小CPU能耗情況下，RANS模型在非近壁區(qū)和非穩(wěn)態(tài)流動時模擬結(jié)果不理想，而LES需要較大的CPU消耗才能取得相對較好的預(yù)測結(jié)果［4］。而在實(shí)際情況下，對于城鎮(zhèn)區(qū)域大小的空間尺度，選擇RANS模型仍需要較大的計算機(jī)資源才能獲得可以接受的預(yù)測結(jié)果。因此，如何能夠快速且相對準(zhǔn)確地預(yù)測城市微氣候環(huán)境狀況，提供給工程師和設(shè)計師準(zhǔn)確的信息，滿足工程需要，將成為本課題的重點(diǎn)研究方向。近年來，有一種已經(jīng)被證明能夠快速有效地模擬室內(nèi)微氣候環(huán)境的零方程湍流模型（Zero-EQ），正逐步應(yīng)用于室外微氣候環(huán)境的預(yù)測［5-8］。

目前，已有的Zero-EQ模型大多利用普朗特混合長度理論，而混合長度理論主要應(yīng)用于自由剪切流，適用于簡單的邊界層流動。因此，Van Driest提出了壁面衰減函數(shù)來解決管道流的流動問題［9］，Cebeci等提出了一個綜合考慮高速流動、低雷諾流動和管道流等兩層的Zero-EQ模型［10］，而Baldwin等則提出了類似的兩層Zero-EQ模型來解決管道流［11］。Chen等通過設(shè)置特定的湍流動能，提出了新的基于室內(nèi)環(huán)境研究的渦粘度表達(dá)式［5］。以上Zero-EQ僅適用于特定的邊界層流動或小尺度下的室內(nèi)環(huán)境的研究，對于城鎮(zhèn)尺度下的大氣邊界層，顯然不適用?，F(xiàn)有應(yīng)用于室外微氣候環(huán)境預(yù)測的Zero-EQ是基于單棟建筑的風(fēng)洞試驗推導(dǎo)出來的，僅局限于室外單棟建筑或規(guī)則建筑群的微氣候環(huán)境［8］。對于不同高低、間距和位置等不規(guī)則分布的建筑群或?qū)嶋H城鎮(zhèn)社區(qū)，因其復(fù)雜的建筑擾流與多變的特征長度尺度，目前鮮有涉及［12］。因此，文章通過分析風(fēng)洞實(shí)驗數(shù)據(jù)，研究不規(guī)則建筑群的流場變化，推導(dǎo)出優(yōu)化的湍流渦粘度表達(dá)式，提出新的零方程湍流模型。通過與兩方程湍流模型MMK（Murakami-Mochida-Kondo）、LES和風(fēng)洞實(shí)驗對比，驗證其具有相對準(zhǔn)確和快速的優(yōu)勢，并應(yīng)用于某城鎮(zhèn)低碳生態(tài)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計，具有非常廣泛的應(yīng)用前景［13］。

1 零方程模型優(yōu)化

基于非穩(wěn)態(tài)不可壓連續(xù)性和動量的雷諾平均Navier-Stokes方程（RANS）可用式（1）或式（2）表示為

式中:ui為分量速度，m／s；xi為分量方向，m；t為時間，s；ρ為流體密度，kg／m3；μt為湍流渦粘性系數(shù)，Pa·s；β為熱膨脹系數(shù)，1／K；為雷諾應(yīng)力，Pa；T0為操作溫度，℃；T為流體溫度，℃；gi為重力加速度，m／s2。

在式（1）（2）中，由于雷諾應(yīng)力是一個未知參量，為了能解上述湍流方程，雷諾應(yīng)力選用Boussinesq假設(shè)，把雷諾應(yīng)力與平均應(yīng)變率和湍流渦粘度（μt）相關(guān)聯(lián)（即常說的線性渦粘度模型），得到式（3）:

式中:δij是克羅內(nèi)克符號；k是湍流動能，m2／s2；ρδijk是一種用張量代數(shù)來表達(dá)的線性本構(gòu)關(guān)系，用于求解雷諾應(yīng)力。

為了能夠求解雷諾應(yīng)力，對兩方程湍流模型而言，湍流渦粘度（μt）與湍流動能（k）和湍流耗散率（ε）或者湍流特定耗散率（ω）相關(guān)。因此，為了同時解k和ε，需要兩個封閉的k和ε方程來計算，而對于兩者不同的處理策略，形成了目前眾多不同的兩方程湍流模型。如果只選用k方程來處理雷諾應(yīng)力，即為一方程湍流模型；如果不選任何方程，只是采用代數(shù)算法公式來表述雷諾應(yīng)力的話，即稱算法模型，也就是Zero-EQ模型。

Zero-EQ模型在利用Boussinesq假設(shè)來求解雷諾應(yīng)力的過程中，忽略k微分方程，而采用簡單算法方程，則式（3）簡化為式（4）

為求解湍流渦粘度（μt），依據(jù)Prandtl的混合長度理論，將式（4）簡化為單向的二維邊界層，其平均的雷諾應(yīng)力與平均速度梯度有關(guān)。在本實(shí)驗中，僅考慮雷諾在垂直方向上的順流速度梯度，式（4）可進(jìn)一步簡化為式（5）

式中:U為垂直方向上的順流速度分量，m／s。通過處理建筑周圍流場各測點(diǎn)數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)的雷諾應(yīng)力和順流速度分量梯度，計算出各測點(diǎn)的湍流渦粘度分布。通過分析渦粘度數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出優(yōu)化的零方程湍流渦粘度表達(dá)式，如式（6）至式（8）所示

式中:Returb是湍流雷諾數(shù)；Rebulk是主導(dǎo)雷諾數(shù)；L是積分湍流尺寸長度，m；H為區(qū)域內(nèi)平均建筑高度，m；V是建筑周圍流場局部計算點(diǎn)的速度大小，m／s；kin，H是在建筑H高度處入口湍流動能，m2／s2；τin，H是在建筑高度H處入口湍流時間尺度，s；Uin，H是建筑高度H處入口速度大小，m／s；v是動力粘度，m2／s；a和b為渦粘度表達(dá)式系數(shù)。

2 湍流模型對比分析

2.1 湍流模型介紹

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流方程預(yù)測流體經(jīng)過鈍體建筑時，存在一些誤差，比如過高預(yù)測碰撞區(qū)域的湍流動能k等，因此Kato等通過修改湍流動能產(chǎn)出項Pk，提出修正的兩方程湍流模型（LK）［14］；但是LK模型在研究湍流雷諾應(yīng)力和Pk時仍存在數(shù)值的不穩(wěn)定性現(xiàn)象。因此，Tsuchiya等通過在渦粘度表達(dá)式中添加修正參數(shù)，而非湍流動能產(chǎn)出項，得到了基于LK模型修正的MMK模型［13］。考慮到LES計算需要大量的計算機(jī)資源，作為修正的k-ε湍流模型:LK和MMK模型，因其相對快速而又相對準(zhǔn)確地預(yù)測建筑環(huán)境，目前已被大量地應(yīng)用于城市風(fēng)熱環(huán)境的研究中［15］。在LES計算中，選擇Smagorinsky常數(shù)Cs＝0.12用于求解亞格子渦粘度。文章選用MMK模型、LES模型，與Zero-EQ模型和風(fēng)洞實(shí)驗數(shù)據(jù)對比，分析Zero-EQ模型的優(yōu)劣。

2.2 風(fēng)洞實(shí)驗介紹

文章選用賓夕法尼亞州立大學(xué)航空航天工程系的風(fēng)洞實(shí)驗室開展實(shí)驗［12，16-17］（如圖1所示），風(fēng)洞試驗臺長度約6 m、寬度為0.6 m、高度為0.9 m。在Qian研究單棟建筑的基礎(chǔ)上［8］，選擇四棟毗鄰的學(xué)生公寓作為研究對象，其中每棟建筑長28 m、寬20m和高30 m，建筑模型縮尺比例為1:250，雷諾數(shù)為80000。

縮尺模型周圍的水平和豎直測點(diǎn)分布圖如圖2所示。在選擇水平測點(diǎn)時，盡量選擇建筑中心側(cè)的位置。根據(jù)縮尺模型分布和周圍流場的特點(diǎn)，布置了水平位置上的八橫行（Y1至Y8）和八縱列（X1至X8）。研究選取對模型下游流場影響比較大的四橫行Y3、Y4、Y5和Y6作為研究對象，除因位置原因無法測試外，總計26個水平測點(diǎn)。其中測點(diǎn)X1Y1、X1Y4、X1Y8主要用于入口邊界的速度和湍流強(qiáng)度邊界條件。

2.3 CFD模擬設(shè)定

在數(shù)值計算時，減少計算區(qū)域上游的距離滿足實(shí)際風(fēng)洞邊界測點(diǎn)與第一個建筑的距離要求，即計算區(qū)域距上游第一個建筑1 H長度，距下游最后一個建筑12 H長度，而側(cè)面和垂直區(qū)域受實(shí)際風(fēng)洞實(shí)驗條件的限制，分別為2.5 H高度和3.6 H高度，計算模型如圖3所示。MMK模型和Zero-EQ模型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格數(shù)為140×110×100。采用網(wǎng)格收斂指數(shù)GCI對網(wǎng)格相關(guān)性分析，即:GCI［fine］＝FS｜ε｜／（rp-1）。計算上游第一個建筑迎風(fēng)面的表面摩擦系數(shù)Cf，分別選取粗糙網(wǎng)格（120×90×85，Δ1），中等密度網(wǎng)格（144×110×100，Δ2）和加密網(wǎng)格（170×132×120，Δ3）。結(jié)果表明:GCI［3，2］＝3.18%（加密網(wǎng)格對比中等密度網(wǎng)格）和GCI［2，1］＝7.54%，GCI［3，2］相比GCI［2，1］有較小的網(wǎng)格相關(guān)性；因此本模型選取中等網(wǎng)格密度。入口邊界平均流速和湍流強(qiáng)度拋物線如圖4所示。出口采用出口（OUTLET）類型，區(qū)域側(cè)面采用壁面（WALL）邊界條件，計算區(qū)域頂部采用對稱邊界（Symmetry）條件。

圖1 風(fēng)洞試驗圖

圖2 不同位置測點(diǎn)分布圖

采用LES模型時，絕大部分近壁區(qū)滿足y+≈1的要求，網(wǎng)格數(shù)為300×200×120，入口邊界采用高斯概率密度分布公式來生成瞬時脈動速度，如式（9）所示

式中:σ為在入口邊界不同高度處的湍流強(qiáng)度，%。時間步長設(shè)定為0.0005 s，滿足絕大部分計算區(qū)域Courant-Friedrichs-Levy（CFL）值低于1的要求。

圖3 計算模型圖

圖4 入口邊界沿建筑高度方向變化的速度和湍流強(qiáng)度分布圖（a）速度；（b）湍流強(qiáng)度

2.4 計算結(jié)果對比分析

在相同計算工況和同等計算機(jī)配置條件下，三種湍流模型所消耗的計算時間比為:Zero-EQ: MMK:LES＝1:1.6:15，很顯然，Zero-EQ能夠比MMK湍流模型快60%，是LES模型計算所需時間的1／15。計算三個湍流模型預(yù)測結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗數(shù)據(jù)的平均相對誤差，分別得到12.9%、7.9%和11.8%（MMK，LES和Zero-EQ），可以看出Zero-EQ模型具有一定的優(yōu)勢。因此，Zero-EQ模型能夠比較快速地模擬建筑群周圍的流場分布，同時Zero-EQ模型能相對準(zhǔn)確地預(yù)測流場速度大小分布。

文章僅考慮了Y4橫行中的四個測點(diǎn)X2Y4，X4Y4，X5Y4和X8Y4的縱向分速度分布，更多橫行對比分析可參考文獻(xiàn)［17］。因Y4行位于多棟建筑的中心位置，該行測點(diǎn)的對比分析能夠有效地評估Zero-EQ模型的優(yōu)劣。圖5為各測點(diǎn)的MMK、LES、Zero-EQ的模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗數(shù)據(jù)對比，在縱向分速度上，三個模型皆能準(zhǔn)確地預(yù)測測點(diǎn)X2Y4的速度，但Zero-EQ能更準(zhǔn)確地預(yù)測建筑頂部區(qū)域的漩渦。在測點(diǎn)X4Y4，MMK和LES雖能預(yù)測流場分布的趨勢，但其速度大小較風(fēng)洞實(shí)驗數(shù)值偏小，而Zero-EQ雖與實(shí)驗數(shù)據(jù)誤差較小，卻不能有效捕捉流場分布；在測點(diǎn)X5Y4，三個模型的預(yù)測結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗數(shù)據(jù)吻合較好；在測點(diǎn)X8Y4，MMK和LES模型的預(yù)測速度與實(shí)驗結(jié)果相比偏小，而Zero-EQ雖不能完全地預(yù)測出建筑背風(fēng)面區(qū)域流場的渦旋分布，但能有效地預(yù)測此區(qū)域的速度大小。

從風(fēng)洞實(shí)驗數(shù)據(jù)及MMK和LES模型預(yù)測結(jié)果對比，可以看出湍流模型能相對準(zhǔn)確地預(yù)測流場速度大小的分布，但不能完全地預(yù)測建筑擾流場的流動趨勢，這是由于（1）現(xiàn)有的湍流模型仍不能準(zhǔn)確地描述非近壁區(qū)的轉(zhuǎn)捩流動以及非穩(wěn)態(tài)流動中的漩渦脫落；（2）風(fēng)洞試驗采用的熱線風(fēng)速儀不能完全準(zhǔn)確地捕捉非穩(wěn)態(tài)流動漩渦區(qū)域的復(fù)雜流動，這是試驗的不足之處，今后將采用更精確的實(shí)驗設(shè)備。但總的說來，通過驗證和分析，相比MMK和LES模型，Zero-EQ能夠快速而又相對有效地模擬不規(guī)則建筑群的流場分布。

3 零方程湍流模型應(yīng)用研究

3.1 低碳生態(tài)建設(shè)專項規(guī)劃介紹

文章選擇成都市蒲江縣壽安鎮(zhèn)生態(tài)建設(shè)項目，來探討零方程湍流模型應(yīng)用于實(shí)際工程項目的可行性。結(jié)合壽安鎮(zhèn)當(dāng)?shù)貧庀髼l件，建立較準(zhǔn)確的城市三維模型，分析城區(qū)各區(qū)域風(fēng)熱環(huán)境的特點(diǎn)，提出壽安新城的城市規(guī)劃建議，達(dá)到工程應(yīng)用的目的。

雖然壽安鎮(zhèn)舊城區(qū)作為一個小區(qū)域，但其仍滿足城市地形區(qū)域UTZ（Urban Terrain Zone）的部分分類特點(diǎn)［18］，即:鎮(zhèn)中心商業(yè)區(qū)（UTZ-1）、壽安中學(xué)校區(qū)（UTZ-2）、高層樓居民生活區(qū)（UTZ-5）和鎮(zhèn)郊居民區(qū)（UTZ-6）。其各自詳細(xì)的建筑信息見表1和如圖6所示。

圖5 不同測點(diǎn)縱向速度（U）沿建筑高度方向（Z坐標(biāo)）變化的分布圖

表1 壽安舊城區(qū)不同區(qū)域的特點(diǎn)

3.2 模擬設(shè)定

根據(jù)近30多年浦江縣的氣象資料，年平均風(fēng)速為0.9 m／s，年靜風(fēng)頻率超過40%，空氣水平擴(kuò)散條件差，全年主導(dǎo)風(fēng)向為NNE，年平均氣溫為16.5℃。建立壽安鎮(zhèn)準(zhǔn)確的城區(qū)建筑模型，分別設(shè)定計算區(qū)域入口邊界、太陽輻射模型和壁面邊界條件:“WIND”入口條件，考慮太陽輻射對地面的影響，Tin＝25℃，選擇夏季6月23日正午時分，入口速度選擇對數(shù)函數(shù)分布輪廓線，U10＝0.9 m／s；建筑群表面設(shè)置溫度邊界條件T＝30℃，表面粗糙度為0.005 m；計算區(qū)域網(wǎng)格為600×500×120，滿足絕大部分壁面無量綱數(shù)y+＜300。

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)四個不同地形區(qū)域建筑分布的特點(diǎn)，分析區(qū)域內(nèi)風(fēng)熱環(huán)境的分布，可供建筑師和工程師做規(guī)劃設(shè)計時參考。區(qū)域內(nèi)速度大小和溫度分布圖分別如圖7、8所示，分布圖高度選擇行人的肩膀至頭部位置處，大約為1.5 m。分析如下:

（1）鎮(zhèn)中心商業(yè)區(qū)（UTZ-1）由于商業(yè)區(qū)位于城鎮(zhèn)中心，街道普遍較窄（約7 m），受周圍較高建筑的影響大，由圖7可知，區(qū)域內(nèi)的速度值普遍偏低，低于0.20 m／s；而街區(qū)內(nèi)溫度較高，如圖8所示，高于35°C，部分位置溫度甚至超過40°C。很顯然，在街區(qū)通風(fēng)不暢、太陽輻射比較強(qiáng)烈的情況下，街區(qū)內(nèi)的熱環(huán)境舒適度比較差，行人普遍感到不舒適；受此影響，城市熱島現(xiàn)象比較嚴(yán)重，區(qū)域內(nèi)溫度整體偏高，使得商業(yè)區(qū)的建筑能耗增大。

圖6 壽安舊城區(qū)建筑模型和區(qū)域分類圖

（2）壽安中學(xué)校區(qū)（UTZ-2）在壽安中學(xué)校區(qū)內(nèi)，因?qū)W生操場位置周圍無高層建筑，操場內(nèi)風(fēng)速大小受周圍環(huán)境影響較小，與城鎮(zhèn)近郊的風(fēng)速相近，最高達(dá)到0.45 m／s；學(xué)生教學(xué)樓和教師辦公樓周圍流場風(fēng)速較鎮(zhèn)中心商業(yè)區(qū)高，風(fēng)環(huán)境舒適度較好，受其影響，此區(qū)域溫度大多維持在28～32°C之間，最高不超過36°C，熱環(huán)境舒適度基本可以接受。

圖7 壽安舊城區(qū)速度大小分布圖在1.5 m處

圖8 壽安舊城區(qū)溫度分布圖在1.5 m處

（3）高層樓居民生活區(qū)（UTZ-5）在高層樓居民區(qū)，由于其遠(yuǎn)離鎮(zhèn)中心，且在主導(dǎo)風(fēng)向上游區(qū)域，風(fēng)環(huán)境比鎮(zhèn)中心商業(yè)區(qū)稍好，但由于大多數(shù)的高層住宅樓選用“口”字型設(shè)計，使得幾棟樓中心區(qū)域的風(fēng)速偏低，普遍低于0.1 m／s，風(fēng)環(huán)境舒適度較差；相應(yīng)地，高層樓居民區(qū)內(nèi)的溫度偏高，維持在35°C以上，最高可達(dá)43°C，行人區(qū)域的熱環(huán)境較差。

（4）鎮(zhèn)郊居民區(qū)（UTZ-6）在城鎮(zhèn)近郊，居民房屋大多呈單棟位置分布，房屋之間的間距較大，且房屋高度一般在4～7 m之間，遮蔽效應(yīng)不明顯，因此居民區(qū)周圍的風(fēng)環(huán)境較好（大約0.4 m／s），熱環(huán)境舒適度較好，溫度普遍維持在30°C上下。

通過對壽安鎮(zhèn)舊城區(qū)不同地形區(qū)域風(fēng)熱環(huán)境分析，對新城區(qū)城市規(guī)劃提供如下建議:

（1）有必要通過合理規(guī)劃商業(yè)區(qū)的布局，采取增大街區(qū)寬度，加大綠化、水體建設(shè)等措施來減少城市熱島效應(yīng)的影響；同時，根據(jù)當(dāng)?shù)厥⑿酗L(fēng)向和風(fēng)速大小，選擇偏南北走向的街道布局，加強(qiáng)城鎮(zhèn)建筑間通風(fēng)。

（2）受當(dāng)?shù)仫L(fēng)速偏低的影響，嚴(yán)格規(guī)劃城鎮(zhèn)高層居民區(qū)布局設(shè)計，杜絕“口”字型分布設(shè)計，合理控制建筑群的密度，保證行人區(qū)域內(nèi)風(fēng)環(huán)境舒適性要求；

（3）建議今后在新城規(guī)劃設(shè)計時，對不同建筑規(guī)劃設(shè)計方案建立CFD建筑模型，分析其受當(dāng)?shù)貧庀髼l件影響的微氣候環(huán)境，提供給建筑師和工程師足夠準(zhǔn)確的信息。

4 結(jié)論

通過上述研究可知:

（1）Zero-EQ模型雖不能完全預(yù)測建筑擾流的流動趨勢，但能相對準(zhǔn)確地預(yù)測流場速度分布；在同等計算機(jī)配置下，Zero-EQ模型比MMK模型快60%，是LES模型計算所需時間的1／15，能快速且相對有效地預(yù)測不規(guī)則建筑群的風(fēng)環(huán)境分布。

（2）通過分析不同地形區(qū)域的風(fēng)熱環(huán)境特點(diǎn)，Zero-EQ模型能夠快速地預(yù)測城鎮(zhèn)微氣候環(huán)境，可供建筑師和工程師做城市規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境設(shè)計時參考，達(dá)到實(shí)際工程應(yīng)用的目的。

（3）建議今后城鎮(zhèn)低碳社區(qū)在建設(shè)過程中，選用CFD模擬技術(shù)對新建或改建建筑周圍微氣候環(huán)境進(jìn)行預(yù)測，優(yōu)化和改善城鎮(zhèn)微氣候環(huán)境狀況。

文章的零方程湍流模型是基于縮尺風(fēng)洞試驗得到的，而此風(fēng)洞試驗未考慮強(qiáng)浮力流動效應(yīng)等影響，今后將繼續(xù)研究零湍流模型中自然對流引起的浮力流動對建筑擾流的影響，同時將對城鎮(zhèn)社區(qū)尺度下的微氣候環(huán)境進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，驗證零方程湍流模型的準(zhǔn)確性。

［1］ 關(guān)吉平，任鵬杰，周成，等.高層建筑行人高度風(fēng)環(huán)境風(fēng)洞試驗研究［J］.山東建筑大學(xué)學(xué)報，2010，25（1）:21-25.

［2］ 閆整，房文娟，肖華斌.上海低碳生態(tài)城市的規(guī)劃實(shí)踐進(jìn)展［J］.山東建筑大學(xué)學(xué)報，2011，26（3）:266-270.

［3］ 牛盛楠，張欣宜，黃成，等.天津地區(qū)居住區(qū)采光宇室外風(fēng)環(huán)境模擬研究［J］.山東建筑大學(xué)學(xué)報，2013，28（1）:12-17.

［4］ Murakami S.，Ooka R.，Mochida A.，et al.CFD analysis of wind climate from human scale to urban scale［J］.Journal ofWind Engineering and Industrial Aerodynamics，1999，81:57-81.

［5］ Chen Q.，Xu W..A zero-equation turbulence model for indoor airflow simulation［J］.Energy Buildings，1998，28（2）:137-144.

［6］ Zhai Z.Q.，Chen Q.Y.，Haves P.，et al.On approaches to couple energy simulation and computational fluid dynamics programs［J］.Build Environment，2002，37（8-9）:857-864.

［7］ Srebric J.，Chen Q.Y.，Glicksman L..Validation of a zeroequation turbulence model for complex indoor airflow simulaiton［J］.ASHRAE Transactions，1999，105（2）:414-427.

［8］ Qian Y..Development of algebraic turbulence model for airflow and contaminant simulations around building［D］.University Park:The Pennsylvania State University，2004.

［9］ Van Driest E.R..On turbulent flow near a wall［J］.Journal of Aero Science，1956，23（1）:1007-1010.

［10］Cebeci T.，Smith A..Analysis of turbulence boundary layers，series in applied mathematics and methods:XV［M］.University Park:Academic Press，1974.

［11］Baldwin B.S.，Lomax H..Thin-layer approximation and algebraic models for separated turbulence flows［J］.AIAA Paper，1978，278-286.

［12］Davidovic D..Improvements in numerical airflow modeling around multiple buidlings［D］.University Park:The Pennsylvania State University，2009.

［13］Tsuchiya M.，Murakami S.，Mochida A.，et al.Development of a new kappa-epsilonmodel for flow and pressure fieldsaround bluff body［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1997，67-68（1）:169-182.

［14］Kato M.，Launder B.E..Themodeling of turbulent flow around stationary and vibrating square cylinders［J］.Preprints of 9th Symposium on Turbulent Shear Flow，1993，10（4）:1-6.

［15］Tominaga Y.，Mochida A.，Yoshie R.，et al.AIJguidelines for practical applications of CFD to pedestrian wind environment around buildings［J］.Journal ofWind Engineering and Industrial Aerodynamics，2008，96（10-11）:1749-1761.

［16］Davidovic D.，Liu J.，Heidarinejad M.，etal.Airflow study for a cluster of campus buildings using different turbulence modeling approaches［J］.Invited Paper for the Third Issue of International Journal in Building，Urban，Interior and Landscape Technology，2014.

［17］劉吉營.基于零方程湍流模型的非等溫城市區(qū)域熱環(huán)境的模擬研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2013.

［18］Ellefsen R..Current assessmentof Building Construction Types in Worldwide Example Cities［M］.Dahlgren:Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division，1999.

（責(zé)任編輯：吳芹）

Numerical simulation of them icro climate urban environment using a zero-equation turbulencemodel

Liu Jiying1，2，3，*，Guo Min1，2，3，Srebric Jelena4，et al.

（1.School of Thermal Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Shandong Key Laboratory of Building Energy Saving Technologies，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；3.Shandong Key Laboratory of Renewable Energy Utilization Technologies in Building，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；4.Department of Mechanical Engineering，University of Maryland，University Park 20742，USA）

The micro climate urban environment has an important effect on outdoor residential environment and building energy consumption.Numerical simulation as a fast prediction method can effectively evaluate the quality of neighborhood planning.In this paper，a rapid and relatively reliable Zero-equation turbulencemodel（Zero-EQ）is provided through analyzing and improvingmeasurement data of the wind tunnel experiment，and compared with two-equation turbulence model（MMK），Large Eddy Simulation（LES）and a wind tunnel experiment.By investigating the application of Zero-EQmodel in Shouan Town，this research discusses the feasibility of themodel's application to the real project.The result shows that the computational speed of Zero-EQmodel is faster by 60%than MMK model，and only 1／15 of thatusing LESmodel under the same computational resources，indicating the capability of Zero-EQ on relatively accurately predicting the wind flow field in a complex neighborhood.In the end，Zero-EQ can quickly predict the micro climate urban environment and provide reasonable suggestion for the urban planning and design by means of studying the wind and thermal environment over different urban terrains.

TU375.1

A

1673-7644（2014）06-0512-08

2014-10-31

國家科技支撐計劃子課題項目（2012BAJ06B03-01）；山東建筑大學(xué)博士科研基金項目（XNBS1408）

劉吉營（1983-），男，講師，博士，主要從事城市熱環(huán)境和綠色建筑等方面的研究.E-mail:jxl83＠sdjzu.edu.cn