基于計算流體方法對建筑物風場分布*

蘆紅莉

(天津科技大學 藝術(shù)設(shè)計學院， 天津 300450)

隨著現(xiàn)代建筑外形越來越復雜，高度越來越高，建筑風場的研究逐漸得到各方的關(guān)注[1].其研究手段包括現(xiàn)場實測、實驗室模擬(主要是風洞模擬)和理論分析(包括數(shù)值計算)[2].現(xiàn)場實測作為對其他兩種研究手段模擬結(jié)果的檢測是必不可少的，也是最直接的研究手段，但其成本高、時間長且不易測量，只有在建成后才可以測量，無法為擬建建筑提供預測，因此具有一定的局限性[3].風洞試驗作為一種實驗室模擬手段，應用較為廣泛，對于體型復雜的建筑物，如大跨度體育場屋蓋結(jié)構(gòu)，或高層建筑，都宜進行風洞試驗.風洞試驗能夠得出相關(guān)結(jié)果，并驗證新方法的有效性.通過建立物理模型能夠研究一些具體位置的風場，從而檢測各種假設(shè).風洞的缺陷是其具有稀缺性，尤其是用于研究城市的模型，風洞需要足夠大，且在模型中的測點是有限的[4].

近年來，計算流體動力學(CFD)在建筑物風場的研究中得到了越來越多的應用，已有研究用該方法從定性和定量方面較準確地預測了風場的影響[5].與前兩種手段相比，其人力和物力的消耗小，且能夠?qū)ρ芯繉ο笳w進行定量和定性分析，而不僅是儀器測量的幾個點.但是，需要證明計算結(jié)果的正確性和可行性，尤其是建筑物周圍風場涉及到復雜的湍流流動[6].因此，利用CFD方法研究風場模型的準確性驗證需要更深入的研究.

本文介紹了使用FLUENT計算結(jié)果與風洞試驗結(jié)果進行對比驗證所建立的CFD模型方法，并優(yōu)化了模型參數(shù)，為今后城市風場的研究提供一定的依據(jù).

1 基本原理

CFD是利用高速計算機求解流體流動的偏微分方程組，目的是為了更好定性和定量地了解流體流動的物理現(xiàn)象.CFD計算包括前處理、求解和后處理三部分[7-8].FLUENT是常見的CFD軟件之一，其本身所帶的物理模型可以準確地預測層流、過渡流和湍流多種復雜現(xiàn)象.其中湍流模型理論(簡稱湍流模型)，就是以雷諾平均運動方程與脈動運動方程為基礎(chǔ)，依照理論與經(jīng)驗的結(jié)合，引進一系列模型假設(shè)，而建立起的一組描寫湍流平均量的封閉方程組.本文選取FLUENT軟件提供的k-ε模型，雷諾應力模型(RSM)即可實現(xiàn)k-ε模型進行計算分析.

k-ε模型自從被提出就成為工程流場計算中的主要工具，其湍動能輸運方程是通過精確的方程推導得到的，耗散率方程是通過物理推理，數(shù)學上模擬相似原型方程得到的[9].可實現(xiàn)的k-ε模型是近期才出現(xiàn)的，比起標準k-ε模型有兩個主要的不同點：1)為湍流粘性增加了一個公式；2)為耗散率增加了新的傳輸方程，這個方程來源于一個為層流速度波動而做的精確方程[10].RSM在FLUENT中是最精細的模型.放棄等方性邊界速度假設(shè)，使雷諾平均N-S方程封閉，解決了關(guān)于方程中的雷諾壓力，還有耗散速率.這意味著在二維流動中加入了四個方程，而在三維流動中加入了七個方程[11].由于RSM比單方程和雙方程模型更加嚴格地考慮了流線型彎曲、漩渦、旋轉(zhuǎn)和張力快速變化，對復雜流動有更高的精度預測潛力.

2 建立數(shù)值模型

2.1 物理模型

本文模擬計算了單一建筑，兩棟建筑和城市建筑群的風場分布.圖1為單一建筑模型參數(shù)，建筑長80 m，寬12 m，高18 m，中間為通道，寬6 m，高4 m.

圖1 單一建筑模型參數(shù)Fig.1 Model parameters for single building

圖2為兩棟建筑的分布圖，兩棟建筑高為18 m，中間通道寬b為4 m，風向如圖2所示.

圖2 兩棟建筑模型參數(shù)Fig.2 Model parameters for two buildings

圖3為城市中復雜建筑群分布圖，圖4為風洞試驗中各種測量點的位置[12].模型為不同高度的建筑群，中央建筑高度(76 m)為周圍建筑高度的四倍(19 m)，街道寬度為25 m.

圖3 城市綜合體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of urban complex

圖4 風洞試驗測點Fig.4 Measurement points in wind tunnel test

所建立模型需要滿足以下條件：1)阻塞率不應超過3%；2)模型截面(寬度×高度)形狀應優(yōu)先遵循暴露于風中的建筑物表面的形狀；3)模型長度在建筑物的上游延伸量大于10H，下游延伸量大于16H，H為較高建筑物的高度；4)滿足對稱條件，模擬一半模型的風場.

2.2 邊界條件

模型邊界和上表面對稱，風入口處設(shè)為VELOCITY-INLET，風離開模型的表面設(shè)為OUTFLOW，其余邊界設(shè)為WALL，假設(shè)地面和建筑物表面光滑(即粗糙度為0)，墻體附近采用近壁面函數(shù).

3 結(jié)果分析

3.1 單個建筑風場數(shù)值計算

圖5為單個建筑(80 m×12 m×18 m)的模擬結(jié)果，通過FLUENT軟件計算各種湍流模型的U/U0值，并與Wiren的風洞試驗結(jié)果進行比較[13].其中，U/U0為有建筑物時2 m處的風速與無建筑物時相同高度風速的比值[13].

圖5 不同F(xiàn)LUENT湍流模型計算結(jié)果與風洞試驗對比Fig.5 Comparison between calculated results of differentFLUENT turbulence models and wind tunnel test

由圖5可知，雷諾應力模型(RSM)模擬結(jié)果與風洞試驗結(jié)果吻合最好，可用于評估單個建筑物通道中行人對風的舒適度.該湍流模型不僅能識別關(guān)鍵區(qū)域，而且可以準確地確定最關(guān)鍵位置和風的最大不適值.因此，RSM湍流模型能夠應用于建筑物風力舒適性的研究.

3.2 兩棟建筑物風場數(shù)值計算

通過單個建筑的研究得出，RSM湍流模型與風洞試驗吻合結(jié)果最好，因此，兩建筑計算模型采用RSM湍流模型與風洞試驗進行對比.圖6為FLUENT RSM湍流模型計算結(jié)果與風洞試驗對比.兩棟樓通道風速強度與Wiren風洞測試結(jié)果[13]吻合，與風洞試驗的測量值誤差小于等于10%，因此，F(xiàn)LUENT軟件的RSM湍流模型可用于預測建筑物風場的研究，以確定行人的舒適性和最大風速值.

圖6 FLUENT RSM湍流模型計算結(jié)果與風洞試驗對比

Fig.6ComparisonbetweencalculatedresultsofdifferentFLUENTRSMturbulencemodelsandwindtunneltest

通過以上分析得出，F(xiàn)LUENT是評估建筑物風場影響的有效工具.FLUENT定性和定量兩方面評估兩座建筑物周圍的風速.RSM模型是研究小群建筑物風力的理想湍流模型.

3.3 城市建筑群風場數(shù)值計算

圖7為FLUENT各模型對各街區(qū)U/U0比值平均值的計算結(jié)果，與Stathopoulos & Wu風洞試驗[12]進行對比，并選取風洞試驗風速為8 m/s.五個街區(qū)點組為：A1～A7，B1～B8，C1～C7，D1～D8，E1～E7.

圖72m高度處不同F(xiàn)LUENT湍流模型計算結(jié)果與風洞試驗對比

Fig.7ComparisonbetweencalculatedresultsofdifferentFLUENTturbulencemodelsandwindtunneltestatheightof2m

標準k-ε模型計算結(jié)果與試驗結(jié)果偏差最大，標準RSM模型所計算的整個城市地區(qū)的平均值與風洞試驗結(jié)果接近，相對誤差為5%.而RSM-壁面反射模型精度更高，五個街區(qū)和整個城區(qū)的計算結(jié)果都與風洞試驗測量值吻合較好.因此，RSM湍流模型結(jié)合壁面反射適用于研究密集城區(qū)建筑物風場，并可用于研究不同高度的建筑群.

圖8為中間三排風速變化較大的九棟建筑物2 m高處水平面風速分布圖，圖9為垂直面的速度分布圖.

圖8 高度2 m處水平面風速分布Fig.8 Wind speed distribution in horizontalplane at height of 2 m

通過以上分析，城區(qū)中具有不均勻高度的建筑群可采用RSM-壁面反射模型進行計算.但本文方法可以預測幾區(qū)或者整個城區(qū)的平均風速，無法確定每個點上的精確風速，能夠預測最高風速的區(qū)域，但是準確位置可能會局部偏移.

圖9 通過B8和D8的垂直面風速分布Fig.9 Wind speed distribution in verticalplane through B8 and D8

然而，實際應用中并不需要特定點的確切風速，只需要知道防風區(qū)，即給行人帶來不舒適性的區(qū)域.因此，本文模型能夠評估風的不舒適區(qū)域，以輔助建筑師或城市規(guī)劃師設(shè)計出舒適的公共空間.

4 結(jié) 論

本文建立了建筑物風場模型，并驗證了模型的正確性.通過研究發(fā)現(xiàn)，從定性的角度來看，F(xiàn)LUENT提出的RANs湍流模型能夠計算單個建筑物或小群建筑物以及城區(qū)非均勻高度建筑群的平均風速.從定量角度考量，RSM湍流模型更加適用于研究建筑物的風場，較好地預測三類建筑的平均風速分布.所建立的模型能夠識別關(guān)鍵區(qū)域并量化風的不適程度.對于單一建筑和小群建筑，標準RSM模型計算結(jié)果最好.在城區(qū)建筑群的模擬中，RSM-壁面反射模型最好.本文研究為通過模擬計算評估建筑物周圍行人的風力舒適性提供依據(jù).