建筑布局對(duì)住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境的影響

摘 要：本文利用FLUENT軟件對(duì)建筑布局為行列式和錯(cuò)列式的住宅小區(qū)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行模擬，通過(guò)分析這兩種建筑布局下行人高度處（Z=1.5m）風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速的分布情況，得出這兩種建筑布局對(duì)住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境的影響，從而對(duì)實(shí)際的建筑規(guī)劃起到一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：FLUENT；住宅小區(qū)；建筑布局；風(fēng)環(huán)境

1 數(shù)值模擬機(jī)理

1.1 建立物理模型和選取數(shù)學(xué)模型

本文選取行列式和錯(cuò)列式兩種建筑布局，住宅小區(qū)中每棟建筑的長(zhǎng)、寬、高分別為40m、15m、50m。本文選取正北作為主導(dǎo)風(fēng)向，由《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定知，南北朝向的樓間距為樓層高度的 0.7 倍，即35m。東西朝向?yàn)?.4 倍，即20m。兩種布局見(jiàn)圖1。

住宅小區(qū)的風(fēng)場(chǎng)一般為低速、不可壓縮的湍流，而數(shù)學(xué)模型中標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在低速湍流中被廣泛應(yīng)用，因此筆者選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。其控制微分方程如下：

上式中，μt表示湍動(dòng)黏度；ε表示耗散率；Cμ表示經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；k表示湍流動(dòng)能；σε與σk表示ε 和k 相對(duì)應(yīng)的Prandtl 數(shù)；σk、σε、Cμ、C1ε、C2ε表示模型常數(shù)，其取值分別為σk=1.0，σε=1.3，Cμ= 0.09，C1ε=1.44，C2ε=1.92。

1.2 計(jì)算域的確定

由于住宅小區(qū)室外風(fēng)場(chǎng)作用范圍較廣，因此模擬過(guò)程中應(yīng)選擇較大的計(jì)算區(qū)域，但計(jì)算區(qū)域太大，會(huì)增加模擬的計(jì)算成本，而計(jì)算區(qū)域太小則會(huì)導(dǎo)致模擬的計(jì)算結(jié)果失真。因此合理的選擇計(jì)算區(qū)域十分重要。Chang等人發(fā)現(xiàn)，建筑風(fēng)環(huán)境模擬過(guò)程中模擬的建筑模型距計(jì)算區(qū)域邊緣至少是建筑模型高度的5倍時(shí)，計(jì)算的結(jié)果更準(zhǔn)確。所以筆者選取的計(jì)算區(qū)域的長(zhǎng)、寬、高分別是700m、650m、250m。

1.3 邊界條件及網(wǎng)格劃分

1.3.1來(lái)流面邊界條件

考慮到地表的摩擦作用，風(fēng)速隨著距地表的距離減小而減小，為使模擬盡可能接近實(shí)際，必須考慮風(fēng)速與距地表高度的關(guān)系。因此模擬過(guò)程中來(lái)流面風(fēng)速與高度的關(guān)系如下：

上式中：U（Z）表示高度為Z的任意高度處風(fēng)速，U（Z0）為高度為Z0的參考高度處風(fēng)速，α為表征地表粗糙程度的參數(shù)，取α=0.333。為了模擬方便，選擇Z0=10m，U（Z0）=2.5m/s。

1.3.2出流面邊界條件

由于出流邊界上的速度與壓力均未知，因此可選擇自由出流邊界條件。

1.3.3計(jì)算域的壁面、頂面、底面及建筑物各壁面的邊界條件

計(jì)算域的壁面統(tǒng)一視為墻體，頂面、底面及建筑物各壁面均采用無(wú)滑動(dòng)邊界條件。

住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境模擬的網(wǎng)格劃分為了滿(mǎn)足靈活性和適應(yīng)性，筆者采用了三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。由于行人高度Z=1.5m 處的流場(chǎng)是本文著重研究的區(qū)域，所以網(wǎng)格的劃分選擇由密到疏且按照一定的比例增加的劃分形式。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析與結(jié)論

通過(guò)FLUENT軟件的模擬，得出行列式和錯(cuò)列式這兩種建筑布局中行人高度處（Z=1.5m）風(fēng)速的分布情況如下圖1所示。

由圖1可知，兩種布局中風(fēng)速最大區(qū)域均在來(lái)流入口1、2、3三棟前排建筑處，風(fēng)速最小的區(qū)域均在7、8、9三棟后排建筑處。在行列式布居中第5棟建筑迎風(fēng)面和背風(fēng)面的風(fēng)速明顯大于錯(cuò)列式布局中第4或5建筑的迎風(fēng)面和背風(fēng)面的風(fēng)速，這是因?yàn)殄e(cuò)列式布局中第4和5棟建筑的迎風(fēng)面未完全被前排建筑遮擋，受到了建筑1、2、3之間的巷道風(fēng)作用。對(duì)比兩種布局中各建筑水平間隙的風(fēng)速可知，兩圖中均產(chǎn)生了較強(qiáng)的巷道風(fēng)。圖1行列式中的巷道風(fēng)的風(fēng)速明顯比錯(cuò)列式的大，這是由于行列式布局中的巷道無(wú)遮擋物，而錯(cuò)列式中巷道風(fēng)吹向建筑4和5時(shí)被阻擋，改變了風(fēng)向，對(duì)強(qiáng)風(fēng)進(jìn)行了緩沖。但也由于建筑4和5的遮擋，導(dǎo)致了錯(cuò)列式布局中建筑7、8、9周?chē)目諝饬鲃?dòng)性差。

因此為了實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑的合理規(guī)劃，在選擇行列式布局的住宅小區(qū)應(yīng)在巷道處設(shè)立一些遮擋物，以求達(dá)到減弱巷道風(fēng)的目的。在選擇錯(cuò)列式布局的住宅小區(qū)，為避免后排建筑間空氣流動(dòng)性差，適當(dāng)加寬建筑4、5之間的間距，讓建筑對(duì)巷道風(fēng)的遮擋作用減小。

參考文獻(xiàn)：

[1] Chang C H，Meroney R N.Concentration and flow distributions in urban street canyons：wind-tunnel and computational data[J].Journal of Wind engineering and industrial aerodynamics，2003，91：1141-1154.

作者簡(jiǎn)介：

蒲增艷（1994-），女，漢族，甘肅天水人，碩士，研究方向：室內(nèi)空氣品質(zhì)。