西安某小區(qū)風環(huán)境CFD模擬分析

王洋 宣永梅

摘要：指出了建筑風環(huán)境與人體戶外活動的舒適程度密切相關(guān)，并對建筑節(jié)能有重要影響。運用計算流體力學的原理和方法，利用Phoenics軟件，對西安某小區(qū)的風環(huán)境進行了模擬計算，分析了其風速和風壓的分布情況，結(jié)果顯示其達到了綠色建筑風環(huán)境評價標準的相關(guān)要求，可為西安地區(qū)的綠色建筑規(guī)劃設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：綠色建筑;風環(huán)境;CFD模擬

中圖分類號：TU119.2

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9941（2018）8-0191-04

1 引言

隨著中國城市化進程的加速，類似北京、上海等新一線城市逐漸增多，新建建筑的體量會有大幅上升，建筑能耗也在攀升，因此“綠色、低碳、環(huán)境友好型”的綠色建筑受到中國政府的大力推廣，在國家和各地力的綠色建筑標準中建筑風環(huán)境的評價是其中重要一項。良好的建筑風環(huán)境有利于建筑物在夏季合理利用自然通風，使建筑物通風散熱，并消除區(qū)域內(nèi)的污染物，冬季中減少巷道風和局部風速過大的問題，使建筑物更好的防風保暖。所以，在建筑方案的設(shè)計階段應(yīng)該將風環(huán)境的影響考慮在內(nèi)。

目前，對建筑物風環(huán)境的研究主要有三種方法：風洞試驗、實地測試和數(shù)值模擬，前兩者投入時間多并試驗成本高，不適宜于大范圍推廣使用，數(shù)值模擬比前兩者省時省力，可以一次得到諸多室外流場的參數(shù)，國內(nèi)外很多學者已經(jīng)運用數(shù)值模擬方法對建筑風環(huán)境進行了研究，數(shù)值模擬的方法已經(jīng)較為成熟。劉輝志等[1]采用風洞試驗和數(shù)值模擬等方法，對北京某高大建筑在盛行風條件下的風環(huán)境進行研究，結(jié)果表明3種方法得到的風場結(jié)構(gòu)和分布基本一致，驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性;楊易等[2]采用數(shù)值模擬方法，對中國建筑科學研究院新建大樓與原科研樓組成的高層建筑群的室外風環(huán)境問題，進行了詳細的數(shù)值模擬和方案優(yōu)化設(shè)計研究;石小倩等[3]對某大學的綜合樓周邊的風環(huán)境進行了模擬研究，將計算區(qū)域選取的基準由建筑物高度調(diào)整為建筑物的實際尺寸，通過分析比較得出后者的計算結(jié)果更為精確;K. Visagavel等[4]利用數(shù)值模擬軟件，分析研究了單體建筑單側(cè)開窗時與能形成穿堂風時的兩種情況下的進風量，結(jié)果顯示，進風口的風速是隨著建筑物窗戶高度的增加而增加的：B.Blocken等[5]利用數(shù)值模擬技術(shù)評估荷蘭某足球場的行人風舒適度，并用現(xiàn)場實際測量數(shù)據(jù)驗證模擬結(jié)果，結(jié)果顯示在荷蘭新的風損害標準評估下，球場周圍的街道及廣場風舒適程度在球場修建后大大惡化。

本文采用CFD軟件Phoenics，對西安某處新建住宅小區(qū)的室外風環(huán)境進行了模擬研究，期望為該小區(qū)提供舒適安全的風環(huán)境，并為西安地區(qū)的建筑氣候設(shè)計提供參考。

2 工程概況

本工程位于西安市浐灞區(qū)，占地面積8.96萬m2，東西寬230 m，南北長340 m，共有30棟建筑物構(gòu)成，其中1#～19#樓為低層住宅樓，20#～27#樓為高層住宅樓，28#～30#為小區(qū)配套低層商業(yè)建筑，該小區(qū)東西兩側(cè)為城市主干道路，北側(cè)為該小區(qū)附屬的學校區(qū)域，南側(cè)是已建成的高層住宅樓（圖1）。

參考《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》[6]中西安地區(qū)的氣象參數(shù)，夏季最多風向為ENE（東東北），平均風速是2.5 m/s;冬季多風向為ENE（東東北），平均風速是2.5 m/s，冬、夏季主導(dǎo)風向和平均風速相同，故可同時進行分析。

3 模型的建立

3.1 數(shù)學模型的選用

建筑作為障礙物會阻礙風的流動，氣流在其周邊會產(chǎn)生碰撞、分離、附著等物理現(xiàn)象，按湍流作用下的鈍體空氣動力學理論，建筑周圍的流動風具有低速不可壓縮性[7]，空氣密度為常量。建筑物周圍風場的變化，基本控制方程是質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）和動量守恒方程，在其流動過程中不考慮溫度變化，所以屏蔽能量方程。湍流模型選擇兩方程模型中的標準k-ε模型。

3.2 幾何模型

建筑物存在于一定空間范圍的風場中，氣流的狀態(tài)的變化主要集中在這一區(qū)域，計算區(qū)域過大會導(dǎo)致劃分的網(wǎng)格數(shù)量過多，增加計算機的運算負荷，計算域過小風場變化顯示不清晰，因此模擬氣流在建筑物周邊的變化狀態(tài)就要合理確定風場的邊界，調(diào)用軟件的Flair模塊，設(shè)置計算域長寬分別為最高建筑物的10倍和5倍，高度方向為最高建筑的3倍，該小區(qū)最高建筑為99.8m，計算區(qū)域包括了北側(cè)臨近的學校和南側(cè)的高層住宅樓，如圖1。

3.3 邊界條件及控制參數(shù)

室外風環(huán)境的模擬的邊界條件為WIND邊界，即三維風環(huán)境邊界條件，入口采用速度入口邊界，入口風速2.5 m/s，風向為東東北;由于計算區(qū)域足夠大，氣流在出口處的流動狀態(tài)已經(jīng)恢復(fù)正常不再受建筑干擾，流動狀態(tài)已充分發(fā)展，將出口邊界壓力設(shè)置為大氣壓;計算域側(cè)而采用對稱邊界層，建筑物表而和地而當做無滑移界面處理，即壁而法線方向速度為零;設(shè)置計算域計算步數(shù)為2000次，終止標準按連續(xù)性方程與動量方程殘差為1.OE-4以下。

3.4 網(wǎng)格的獨立性驗證

網(wǎng)格獨立性驗證方法，即劃分多種網(wǎng)格方案，通過對比各種方案下的流場分布情況，及各監(jiān)測點的參數(shù)變化狀態(tài)，來確定最終進行后續(xù)計算的網(wǎng)格設(shè)置狀況。本文對該小區(qū)模型分別設(shè)置400萬、450萬、500萬網(wǎng)格數(shù)量，分別模擬室外風環(huán)境1.5m高度處的流場分布，計算結(jié)果如圖2、圖3、圖4所示，可以看出三種網(wǎng)格數(shù)下的風速矢量圖變化趨勢相同。

對計算區(qū)域的監(jiān)測點布置如圖5，記錄3種方案各監(jiān)測點的風速值，其差值變化率如圖6所示，當網(wǎng)格數(shù)由400萬增大至450萬時，模型中各點的風速差值比例都在±3%范圍內(nèi);當網(wǎng)格數(shù)由450萬增大至500萬時，模型中各點的風速差值比例在±2%的范圍肉，差值變化范圍較前者更小，故選取其中450萬網(wǎng)格的模型進行后續(xù)模擬計算。

4 模擬計算結(jié)果與分析

《綠色建筑評價標準》[8]指出：場地內(nèi)風環(huán)境有利于室外行走、活動舒適和建筑的自然通風。建筑群的室外環(huán)境主要是人的活動范圍，風環(huán)境對人的舒適感的影響集中在行人高度即1.5 m高度處，建筑的自然通風主要與風壓差有關(guān)，所以對風環(huán)境研究的主要參數(shù)是風速和風壓。當風速小于1 m/s時，易在小區(qū)中形成尤風區(qū)或者渦旋，夏季易產(chǎn)生熱量和污染物的堆積，人體長時間在此區(qū)域活動，會引起身體不適，風速大于5 m/s時，會對人體造成較強的吹風感，影響人體的熱舒適性，更甚者會導(dǎo)致建筑外部構(gòu)件脫落，產(chǎn)生安全隱患，為此規(guī)定風速放大系數(shù)不能大于2;冬季為減少門窗縫隙的熱量滲透，建筑前后壓差應(yīng)不大于5 Pa，夏季和過渡季節(jié)便于建筑群的室內(nèi)通風，更好的利用自然通風降溫，從而減少建筑能耗，并改善室內(nèi)空氣質(zhì)量品質(zhì)，50%以上可開啟外窗室內(nèi)外表而的風壓差應(yīng)大于0.5 Pa。

圖7和圖8分別為小區(qū)距地1.5 m高度處風速矢量圖和風速云圖，從圖7中分析得到來流風向為東北偏東風，氣流與東側(cè)高層建筑成一定角度進入小區(qū)，然后在建筑之間流動形成風場，風速逐漸減小，圖7和圖8顯示流場中最大風速出現(xiàn)在18號和19號建筑之間，約為2.8 m/s，這是由于26號和27號建筑間距為32 n1，18號和19號建筑間距為22 m，氣流在這兩排建筑間產(chǎn)生了狹管效應(yīng)，可以考慮在該區(qū)域種植植被[9]或設(shè)置擋風板來降低來流風速。由于東側(cè)兩排建筑的遮擋效應(yīng)，小區(qū)中風速最低點出現(xiàn)在西側(cè)低層建筑背風側(cè)，約為0.4 m/s，由于風速較低，需要注意該區(qū)域的通風問題。項目區(qū)域內(nèi)風速放大系數(shù)如圖9所示，最大為1.7，沒有超過綠色建筑標準中規(guī)定的2.0，并且整個區(qū)域中均未出現(xiàn)風速大于5m/s的情況，項目內(nèi)建筑周邊的氣流平緩，因此認為該小區(qū)的風環(huán)境處于舒適度范圍內(nèi)。

從整個流場分布進行分析，整個小區(qū)沒形成明顯大的渦旋和無風區(qū)域影響空氣質(zhì)量，但是在21號和22號建筑的背風區(qū)有小部分渦流區(qū)，29號商業(yè)建筑和20號住宅樓之間風速只有0.4 m/s，如果商業(yè)建筑引入餐飲業(yè)態(tài)，產(chǎn)生的油煙等污染物不易擴散出去，這些區(qū)域要特別注意環(huán)境衛(wèi)生。小區(qū)北側(cè)的學校由于是半圍合式建筑，在建筑物的凹角處易形成渦流區(qū)，容易堆積垃圾并積聚熱量，對學生健康不易，建議學校建筑部分區(qū)域底層架空設(shè)計或者在建筑之間設(shè)計連廊，以便有利于氣流的通過，改善空氣品質(zhì)。

圖10和圖11分別為建筑物迎風面和背風面的風壓圖，從圖中分析可知，東側(cè)第一排高層建筑處于迎風面上，建筑物表面前后壓差較大，可以在東側(cè)種植行道樹、設(shè)置擋風墻、廣告牌等來降低行人高度處的風壓，由于梯度風的存在，導(dǎo)致風壓隨著高度的增加而增大，局部區(qū)域前后表面壓差大于5Pa，西安在氣候卜劃分屬于寒冷地帶，需要加強高層建筑的門窗的密封性能，減少冬季時的熱量散失，這些區(qū)域的防寒保暖需要引起設(shè)計者的注意。由于其對氣流的遮擋效應(yīng)，使西側(cè)的低層建筑物前后平均風壓差均不大于5Pa，并且室內(nèi)外壓差最低處為0.6Pa，符合綠色建筑評價標準的規(guī)定。

5 結(jié)語

室外風環(huán)境的優(yōu)劣與人體戶外活動的舒適程度密切相關(guān)，良好的室外風環(huán)境可以使區(qū)域內(nèi)氣流分布均勻，建筑物在冬季避開主導(dǎo)風向防風保暖，夏季為小區(qū)帶來新鮮空氣，除熱通風，而這些又與建筑物的布局、間距、地形、場地綠化情況休戚相關(guān)，要使設(shè)計的建筑能擁有良好的室外風環(huán)境，就要求設(shè)計師不僅僅只是經(jīng)驗豐富，還需要掌握CFD模擬技術(shù)，在建筑的規(guī)劃階段就設(shè)計多種方案，用CFD模擬技術(shù)對風環(huán)境進行計算分析，選出最優(yōu)方案。

參考文獻：

[1]劉輝志，姜瑜君，梁彬，等.城市高大建筑群周圍風環(huán)境研究[J].中國科學（D輯：地球科學），2005（S1）：84～96.

[2]楊易，金新陽，楊立國，等.高層建筑群行人風環(huán)境模擬與優(yōu)化設(shè)計研究[J].建筑科學，2011（1）;4～8.

[3]石小倩，劉厚鳳，山東師大新校區(qū)綜合教學樓風環(huán)境模擬研究[J].綠色科技，2013（2）：177～179.

[4]Visagavel K， Srinivasan P S S.Analysis of single side ventilatedand cross ventilated rooms by varying the width of the window o—pening using CFD [J]. Solar Energy， 2008，83（1）.

[5]Blocken B， Persoon J.Pedestrian wind comfort around a largefootball stadium in an urban environment： CFD simulation， vali-dation and application of the new Dutch wind nuisance standard[J]. Journal of Wind Engineering& Industrial Aerodynamics， 200a，g7（5）.

[6]GB 50736-2012，民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[sl.

[7]陳偉，梁境.某小區(qū)建筑風環(huán)境數(shù)值模擬分析研究[J].建筑節(jié)能，2011（06）：17～19.

[8]CB/T 50378-2014，綠色建筑評價標準[s].

[9]呂祥翠，高文文，張偉.樹木對生態(tài)建筑風環(huán)境影響的數(shù)值研究[J].制冷與空調(diào)（四川），2016（3）：256～261.