基于Airpak軟件的回字形建筑風環(huán)境模擬研究

李姍姍，王 釗，龔伶俐，鐘紫薇，臧思情，王 悅

(大連民族大學 土木工程學院，遼寧 大連 116605)

基于Airpak軟件的回字形建筑風環(huán)境模擬研究

李姍姍，王 釗，龔伶俐，鐘紫薇，臧思情，王 悅

(大連民族大學 土木工程學院，遼寧 大連 116605)

對Airpak軟件的計算準確性進行了評估，證明其在風場模擬上具有較高的準確性。然后基于Airpak軟件對回字形建筑的室外風環(huán)境進行了模擬，結(jié)果表明回字形建筑設(shè)計能營造較好的風環(huán)境，但其建筑布局中的狹長通道會出現(xiàn)較高的風速，應(yīng)盡量避免。模擬結(jié)果對回字形建筑的合理布局起到一定的指導(dǎo)作用。

建筑風環(huán)境；Airpak軟件；回字形建筑

人們以往關(guān)注的建筑環(huán)境，主要以建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境、空氣品質(zhì)、光環(huán)境、聲環(huán)境為主，很少關(guān)注建筑室外風環(huán)境。隨著社會的發(fā)展，人們對建筑室外風環(huán)境的要求也越來越高。室外風速和風向影響著建筑室外風環(huán)境，建筑的布局形式也顯著影響室外風環(huán)境。不合理的建筑布局易產(chǎn)生“峽谷效應(yīng)”，出現(xiàn)局部強風，讓人感到非常不舒適；建筑布局不合理還易導(dǎo)致局部渦流，使得垃圾不斷在渦流處旋轉(zhuǎn)、堆積，破壞小區(qū)衛(wèi)生環(huán)境，對居民健康造成危害。而合理的建筑布局使得小區(qū)內(nèi)部風速均勻，居民舒適感高，能減輕小區(qū)內(nèi)污染，在很多時候也可以間接提高室內(nèi)環(huán)境的水平[1]。

本文基于此對應(yīng)用較多的回字形建筑布局室外風環(huán)境展開了研究。風環(huán)境的研究方法主要有現(xiàn)場實測、風洞模型試驗和計算機數(shù)值模擬[2]?，F(xiàn)場實測法是針對已建成的建筑進行測試，而在項目初級階段對風環(huán)境的研究只能采用風洞模型或計算機模擬。風洞實驗室成本高，由于條件的限制，很難大規(guī)模推廣使用。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，CFD(Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學)技術(shù)越來越多的應(yīng)用在工程之中，利用CFD模擬能節(jié)省大量實驗成本，是應(yīng)用較為廣泛的一種方式。

目前應(yīng)用較多的CFD商用軟件有FLUENT，STAR-CD，PHOENICS等，它們的功能比較全面，適用性強，可以求解工程界中的各種復(fù)雜問題[3]。本文采用FLUENT下的Airpak軟件對風環(huán)境進行模擬。在進行模擬之前，首先實驗驗證了Airpak軟件模擬的準確性，然后基于Airpak軟件對回字形建筑的室外風環(huán)境進行了數(shù)值仿真。

1 Airpak軟件準確性評估

為驗證Airpak軟件在風場模擬上的計算準確性，開展了實驗研究與理論模擬相比較的工作。如果直接測量建筑室外風場，由于室外風速、風向變化迅速，不易測量出穩(wěn)定的實驗結(jié)果，因此本文采用在室內(nèi)搭建小型實驗測試系統(tǒng)，利用大功率電風扇提供測試房間可控的較為穩(wěn)定的風環(huán)境，然后利用微風測試儀對室內(nèi)不同位置的風速、溫度、相對濕度等進行測試，最后將測試結(jié)果與Airpak軟件的模擬結(jié)果進行比較。

1.1 實驗測試系統(tǒng)

室內(nèi)實驗是利用可調(diào)速的大功率電風扇產(chǎn)生相對穩(wěn)定的風場，然后通過測試房間窗洞吹入房間內(nèi)部，并通過房間敞開的門流出，測量該情形下房間的氣流組織。測試房間的長、寬和高分別為480，420，250 cm，窗洞的高和寬分別為100，90 cm，門的高和寬分別為190，80 cm，測試房間布置如圖1。測試儀器采用微風測試儀，有三個探頭，距地面分別為55，105，163 cm，可以同時測量測點垂直方向上三個位置的風速、溫度和相對濕度等信息。房間布置了0～9共10個測點，如圖2，其中0點是為了后續(xù)輸入到Airpak軟件中作為邊界條件而布置的。

實驗過程中，保證只有風扇提供風，避免其他干擾。實驗先開啟一臺電風扇，記錄室內(nèi)10個點的風速等信息；然后開啟兩臺電風扇，記錄室內(nèi)10個點的風速等變化情況，為后續(xù)模擬對比提供依據(jù)。

圖1 實驗房間示意圖 圖2 房間實驗測點分布

1.2 模擬結(jié)果與實驗結(jié)果比較

1.2.1 實驗結(jié)果分析

選取距地面105 cm處探頭的實驗結(jié)果進行分析。測點0的風速最高，一臺風扇時風速為0.91 m·s-1，兩臺風扇時，風速為1.10 m·s-1，一臺風扇運轉(zhuǎn)和兩臺風扇運轉(zhuǎn)時風速變化趨勢基本一致，兩臺風扇開啟時比一臺風扇開啟時風速略高，如圖3。在7、9、3測點連成的直線上(離窗洞由近到遠)，風速呈下降趨勢，如圖4。

圖3 室內(nèi)各測點風速變化

圖4 離窗洞由近到遠實驗風速變化情況

1.2.2 軟件模型設(shè)置

室內(nèi)模型按實際房間尺寸建立，如圖5。網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格，并對通風口處網(wǎng)格進行加密處理，網(wǎng)格數(shù)量為50 400個。在邊界條件中，入口邊界分別設(shè)置為開啟一臺風扇和兩臺風扇時的實驗測量風速0.91 m·s-1和1.10 m·s-1，六個面都設(shè)置為wall類型，門設(shè)置為一個vent類型，初始速度設(shè)置為0 m·s-1。本例采用RNG k-ε湍流模型進行求解，計算至收斂。

圖5 房間模型

1.2.3 模擬結(jié)果與實驗結(jié)果比較

入口風速1.10 m·s-1和0.91 m·s-1時距地面105 cm高度上的風速云圖如圖6-7，入口風速1.10 m·s-1時房間風速矢量圖及中心軸線上的速度分布云圖如圖8-9?？梢婏L速越大風流經(jīng)墻壁產(chǎn)生的回流越明顯，離窗洞越遠風速越低，縱向上風速由窗中心高度向兩側(cè)依次減弱。當入口風速分別為1.10 m·s-1和0.91 m·s-1時，房間進深方向風速模擬值變化趨勢與實驗結(jié)果一致，如圖10和12，圖11為入口風速為1.10 m·s-1時測點7處不同高度下風速的比較，模擬值和實驗值變化趨勢也一致。由圖可見，模擬值與理論值的差異在可接受范圍內(nèi)，可用Airpak軟件的模擬結(jié)果評估建筑風環(huán)境。

圖6 105 cm水平高度上的風速 圖7 105 cm水平高度上的風速 云圖(入口風速1.10 m·s-1) 云圖(入口風速0.91 m·s-1)

圖8 105 cm水平高度上的風速 圖9 房間中心軸線上的速度分布 矢量(入口風速1.10 m·s-1) 云圖(入口風速1.10 m·s-1)

圖10 高度105 cm處測點實驗值與模擬值風速對比 (入口風速1.10 m·s-1)

圖11 測點7不同高度下風速比較 (入口風速1.10 m·s-1)

圖12 高度105 cm處測點實驗值與模擬值風速對比 (入口風速0.91 m·s-1)

2 回字形建筑室外風環(huán)境模擬

2.1 軟件模型設(shè)置

本文以大連民族大學土木樓布局為例探討回字形建筑室外風環(huán)境情況，根據(jù)建筑圖紙建立幾何模型，如圖13。模擬計算區(qū)域的大小以不影響氣流流動為準。根據(jù)相關(guān)資料合理分配計算資源，確定室外計算區(qū)域為350×75×180 m3。網(wǎng)格劃分為六面體型，對重點研究區(qū)域網(wǎng)格進行了加密處理，網(wǎng)格數(shù)量為68萬，網(wǎng)格劃分如圖14。

圖13 幾何模型

圖14 網(wǎng)格劃分情況

大氣邊界層采用冪函數(shù)風剖面公式：

(1)

一個入口采用大氣邊界條件(圖15-18右側(cè)邊界)，風速設(shè)置為5.50m·s-1，5.50m·s-1為根據(jù)氣象數(shù)據(jù)查得的大連地區(qū)月平均最大風速，根據(jù)式(1)計算可得距地面高度1m處風速為3.81m·s-1，距地面1.6m處風速為4.10m·s-1。出口邊界條件全部設(shè)置為壓力出口，環(huán)境相對壓力設(shè)置為0Pa。

2.2 模擬結(jié)果分析

室外風環(huán)境模擬結(jié)果如圖15-18。其中，圖15-16是距地面1.0m處的回字形建筑風速分布云圖和風速分布矢量圖，圖17-18是距地面1.6m高處的回字形建筑風速分布云圖和風速分布矢量圖。從圖15-16可以看出，在距地面1.0m高度處，回字形建筑閉合區(qū)域內(nèi)風場較為均勻，回流不明顯，風速基本在0.5～1.0m·s-1，但是建筑上部的狹長區(qū)域的風速提高到了1.5m·s-1，遠高于其他位置的風速。從圖17-18可見，在1.6m處比在1.0m處風速有了提高，1.6m高度處回字形建筑閉合區(qū)域內(nèi)風速在0.8～1.6m·s-1，狹長區(qū)域內(nèi)的風速提高到了2.5m·s-1，隨著距離地面高度的增加，狹長區(qū)域的風速增加明顯。大連地區(qū)5級以上的風速較為常見，風速可達到8m·s-1以上，此時回字形區(qū)域的風速可能達到5m·s-1以上，人體吹風感將非常強烈，位于狹長區(qū)域高層的位置風速將更大，十分不利于冬季的保溫。

圖15 1.0 m高處風速分布云圖 圖16 1.0 m高處風速分布矢量圖

圖17 1.6 m高處風速分布云圖 圖18 1.6 m高處風速分布矢量圖

由上述模擬結(jié)果可知，如果回字形建筑是閉合的布局，在室外高風速的情況下，也可形成均勻的低風速風場，住戶在小區(qū)內(nèi)部活動舒適性好，在寒冷、高風速、高熱或風沙的天氣下也可獲得較好的室內(nèi)熱環(huán)境，適合于冬季溫度低、風速較大的區(qū)域或干熱、易受風沙襲擊的區(qū)域采用。如果回字形建筑不是閉合的，存在狹長通道的時候，在狹長通道區(qū)域會形成高風速，尤其在大風天氣，將使得從其區(qū)域通過的人們產(chǎn)生強烈的不適感，而且位于其附近的住戶在大風天氣下室內(nèi)風速可能也會偏大，不利于冬季保溫。

3 結(jié) 語

本文將Airpak軟件的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行了對比，結(jié)果表明Airpak軟件在不同測試位置及高度上風場模擬結(jié)果與實驗結(jié)果變化趨勢一致，模擬值與理論值差異在可接受范圍內(nèi)，可用Airpak軟件的模擬結(jié)果評估建筑風環(huán)境。最后基于Airpak軟件對于回字形建筑的室外風場進行了模擬，結(jié)果表明回字形建筑內(nèi)部風速小于迎風面風速，回字形的建筑能營造良好的風環(huán)境，但在回字形區(qū)域內(nèi)部的狹長通道風速顯著提高，在以后的建筑布局中，應(yīng)盡可能避免回字形建筑內(nèi)部的狹長通道。

[1] 袁巍巍.住宅小區(qū)風環(huán)境數(shù)值模擬研究[D].天津：河北工業(yè)大學,2014.

[2] 王青, 詹慶明. 武漢地區(qū)住宅小區(qū)風環(huán)境的數(shù)值模擬分析[J]. 中外建筑,2010(12):95-97.

[3] 劉彩霞, 鄒聲華, 楊如輝. 基于Airpak的室內(nèi)空氣品質(zhì)分析[J]. 制冷與空調(diào),2012(4):381-384.

(責任編輯 鄒永紅)

Study on the Wind Environment Simulation of Back-Shaped Building Based on Airpak Software

LI Shan-shan, WANG Zhao, GONG Ling-li, ZHONG Zi - wei,ZANG Si-qing, WANG Yue

(School of Civil Engineering, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China)

The calculation accuracy of Airpak software was evaluated, and it is verified that the Airpak software has a higher accuracy of calculation in the wind field simulation. The outdoor wind environment of the back-shaped building is simulated by Airpak software. The results show that the back-shaped building can create a good wind environment, but the long and narrow channel in the back-shaped building will produce a high wind speed, which should be avoided. The simulation results will provide guidance in the rational design of the back-shaped building.

wind environment; Airpak software; back-shaped building

2016-11-14；最后

2016-12-05

大連民族大學人才引進科研項目。

李姍姍(1984-)，女，黑龍江呼瑪人，副教授，博士，主要從事建筑技術(shù)和小型低溫制冷機的研究。

2096-1383(2017)01-0063-04

TU

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