基于計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)的大尺度復(fù)雜地形山區(qū)風(fēng)環(huán)境模擬

裘國平 章俊屾 楊振文 孫易吟

摘要：我國的城市規(guī)劃設(shè)計(jì)中常會(huì)涉及到“環(huán)境品質(zhì)”“綠色通廊”“人居環(huán)境”等概念，這些都需要對(duì)風(fēng)環(huán)境的研究及應(yīng)用。本文基于CFD（計(jì)算流體力學(xué)）技術(shù)，以浙江省麗水市青田縣石溪鄉(xiāng)為研究對(duì)象，圍繞近地表低空區(qū)域，模擬山區(qū)鄉(xiāng)村區(qū)域的風(fēng)速場(chǎng)，并對(duì)其風(fēng)環(huán)境特征的規(guī)劃設(shè)計(jì)展開相應(yīng)的深入研究。研究結(jié)果表明：即使模擬區(qū)域的地形復(fù)雜、計(jì)算范圍廣，仍可通過分步計(jì)算控制法對(duì)大尺度模型進(jìn)行CFD模擬分析，并給出合理的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)；不僅如此，在山區(qū)鄉(xiāng)村規(guī)劃設(shè)計(jì)中，人居活動(dòng)區(qū)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離在山體附近，減小環(huán)境風(fēng)回流區(qū)對(duì)人居安全帶來的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步證明了山體對(duì)建筑表面風(fēng)速分布的影響不容忽略。最后，本文認(rèn)為“風(fēng)環(huán)境”可作為山區(qū)鄉(xiāng)村規(guī)劃的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，提供一定的定量分析及參考依據(jù)，為提高人居環(huán)境品質(zhì)提供規(guī)劃設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：鄉(xiāng)村規(guī)劃；大尺度復(fù)雜地形；山區(qū)；風(fēng)環(huán)境；石溪鄉(xiāng)；CFD

doi：10.3969/j.issn.1009-1483.2019.03.010？中圖分類號(hào)：P425

文章編號(hào)：1009-1483（2019）03-0063-08？文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A？？？？

Wind Environment Simulation in the Complex Terrain of Mountain Area with Large Scale on the Basis of CFD： Taking Shixi Township as an Example

QIU Guoping， ZHANG Junshen， YANG Zhenwen， SUN Yiyin

[Abstract] The concepts of "environmental quality" "green corridor" and "human settlement environment" are usually involved in urban planning and design in China， which are the preliminary studies and applications of wind environment. Therefore， based on CFD technology， this paper takes Shixi Township， Qingtian County， as the research object， simulates the wind speed field in the rural area of mountainous zone around the near surface low altitude area， and carries on the corresponding research to the planning and designing of wind environment characteristics. The results show that despite the complex terrain and wide computing range of the stimulating area， the CFD simulation analysis of the large-scale model can be carried out by the stepwise computational control method， and the reasonable wind field structure can be obtained. What’s more， the human settlement area should be far away from the mountain so as to reduce the risk of the environmental wind return zone to the human settlement safety， which acts as a further prove that the influence of the mountain body on the wind velocity distribution on the building surface should not be ignored. Finally， this paper holds that "wind environment" can be applied as an evaluation index for rural planning in mountainous areas， which can provide certain quantitative analysis and referential information， and suggest planning and designing ideas for improving the quality of human settlement.

[Keywords] rural planning； large scale complex terrain； mountainous area； wind environment； Shixi Township； CFD

引言

在我國的城市規(guī)劃設(shè)計(jì)中常會(huì)涉及到“環(huán)境品質(zhì)”“綠色通廊”“人居環(huán)境”等概念，這些都需要對(duì)風(fēng)環(huán)境的研究及應(yīng)用。在城市規(guī)劃設(shè)計(jì)與研究中，需要運(yùn)用氣候?qū)W的相關(guān)知識(shí)，跟蹤觀測(cè)規(guī)劃區(qū)域的氣候特征，將氣候?qū)W的研究成果及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)譯成城市規(guī)劃可用的設(shè)計(jì)語言[1]，并進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)估分析，以做到因地制宜[2-4]。而對(duì)于山區(qū)鄉(xiāng)村規(guī)劃當(dāng)中，由于其地形地貌區(qū)域的特殊及復(fù)雜性，風(fēng)環(huán)境的影響也成為了如今規(guī)劃設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的參考指標(biāo)。

通常針對(duì)一個(gè)山體而言，風(fēng)環(huán)境的影響差距主要體現(xiàn)在迎風(fēng)坡與背風(fēng)坡。當(dāng)環(huán)境風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)向與山體一致時(shí)，由于空氣收到山脊截面的擠壓，壓力的增大導(dǎo)致風(fēng)速加劇，因此在山脊處的風(fēng)速達(dá)到峰值。反之，當(dāng)山脊截面增大時(shí)，由于氣流壓力減小，風(fēng)速隨之降低，即文氏效應(yīng)（見圖1a）。而當(dāng)環(huán)境風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)向與山體相反時(shí)，則在山體背風(fēng)處形成渦流區(qū)，且坡度越大風(fēng)向逆轉(zhuǎn)的區(qū)域約為明顯（見圖1b）。

應(yīng)當(dāng)指出，由于鄉(xiāng)村下墊面地形的變化，山區(qū)鄉(xiāng)村風(fēng)環(huán)境會(huì)變得更為復(fù)雜，尤其當(dāng)流經(jīng)山體背風(fēng)面狹窄街道內(nèi)部及鄉(xiāng)村建筑裙樓時(shí)，風(fēng)向發(fā)生轉(zhuǎn)角，氣流受到擠壓，風(fēng)速會(huì)驟升至來流平均風(fēng)速的2～3倍，甚至更為嚴(yán)重[5]。因此，測(cè)量其中風(fēng)速環(huán)境，對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)作出指導(dǎo)，進(jìn)一步提升山區(qū)鄉(xiāng)村規(guī)劃的品質(zhì)則變得愈發(fā)關(guān)鍵。

而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是研究風(fēng)環(huán)境最直接有效的方法，對(duì)建成建筑進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，收集風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)資料，對(duì)后期設(shè)計(jì)和研究工作具有重要的意義[6-7]。但現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試往往是針對(duì)已建建筑進(jìn)行，無法對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)初期提供參考數(shù)據(jù)。且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)極易受外界因素限制，實(shí)際操作中需消耗大量人力物力。因此，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)并非最適宜的風(fēng)環(huán)境研究手段。

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是目前研究風(fēng)環(huán)境運(yùn)用最廣泛的手段之一，依據(jù)相似性原理，將待測(cè)對(duì)象制成比尺模型后放置在風(fēng)洞通道內(nèi)，通過一系列人工控制方法使風(fēng)洞內(nèi)的氣流達(dá)到模擬所需的流動(dòng)狀態(tài)，以完成實(shí)際所需的試驗(yàn)工況。但實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱髻M(fèi)時(shí)費(fèi)力，投資成本較高，風(fēng)洞試驗(yàn)周期長，且實(shí)驗(yàn)的還原度較低，具有一定的局限性。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高，計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamic， CFD）技術(shù)越來越受到重視和廣泛應(yīng)用，并取得了不少成果[8]。相比于傳統(tǒng)方法，CFD是建立在Navier-Stoke方程近似解基礎(chǔ)上的計(jì)算技術(shù)，克服了風(fēng)洞試驗(yàn)周期長、精度差、投資成本高的缺點(diǎn)，直接在計(jì)算機(jī)上建立數(shù)值方程，采用離散求解的方法分析流體動(dòng)形態(tài)，目前市面上常見的CFD模擬軟件主要有Fluent、CFX、Icepak、Mixsim等，而Flunet作為其中的佼佼者，含有豐富而準(zhǔn)確的物理模型，迄今為止開發(fā)的Spalart-Allmaras模型、k-ω模型、k-ε模型、LES模型等能夠精確地模擬出層流、湍流、無黏流的流場(chǎng)形態(tài)，市場(chǎng)占有率達(dá)到了60%以上[9]。

因此，文章采用CFD技術(shù)，以石溪鄉(xiāng)為研究對(duì)象，圍繞近地表低空區(qū)域，模擬相鄰山谷間鄉(xiāng)村規(guī)劃區(qū)域的風(fēng)速場(chǎng)，對(duì)山區(qū)小鄉(xiāng)村風(fēng)環(huán)境特征的規(guī)劃設(shè)計(jì)展開相應(yīng)的研究。

1 CFD模擬概況

1.1 模擬對(duì)象概況

石溪鄉(xiāng)隸屬于浙江省麗水市青田縣，鄉(xiāng)域總面積29.6km2，人口約0.7萬人。全年溫和濕潤，四季分明，依山傍水，三面環(huán)山。地貌構(gòu)成中丘陵低山占比89.7%，區(qū)域地形復(fù)雜，切割強(qiáng)烈，千嶂萬壑，層巒疊翠，地勢(shì)由北向西南方向傾斜，全區(qū)海拔最低處位于村落內(nèi)，海拔僅為6m（見圖2）。

將2013年至2017年的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，發(fā)現(xiàn)5年內(nèi)青田縣平均氣溫19.26℃，平均風(fēng)速1.88m·s-1，平均濕度72.68%，平均日照時(shí)長4.26 h。統(tǒng)計(jì)5年內(nèi)的風(fēng)向頻率，ENE（東北偏東風(fēng)）占比33.30%、NE（東北風(fēng)）占比12.49%、E（東風(fēng)）占比11.66%，將5年內(nèi)的溫度、風(fēng)速、濕度、日照時(shí)間按四季進(jìn)行分割，并對(duì)全年風(fēng)向頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過該區(qū)域風(fēng)玫瑰可以看出青田縣5年內(nèi)67.96%的風(fēng)向區(qū)域都集中在N～E的范圍內(nèi)，基本與石溪鄉(xiāng)鄉(xiāng)村區(qū)域地形保持一致，形成了一條狹長的通風(fēng)廊道（見表1、圖3）。

1.2 計(jì)算流程與邊界條件

對(duì)于大尺度規(guī)劃區(qū)域風(fēng)環(huán)境模擬，采用傳統(tǒng)的整體計(jì)算方式確保計(jì)算精度，由于軟件和設(shè)備限制，模型體量及復(fù)雜程度將導(dǎo)致無法導(dǎo)入計(jì)算，且網(wǎng)格數(shù)量龐大、計(jì)算時(shí)間過長等問題也將直接影響計(jì)算效果。因此為確保模擬結(jié)果的真實(shí)性及準(zhǔn)確性，文章提出了適用于大尺度規(guī)劃區(qū)域風(fēng)環(huán)境模擬分布計(jì)算控制流程（見圖4）。

首先運(yùn)用CAD及Solidworks進(jìn)行建模，建立青田縣石溪鄉(xiāng)山體地形幾何模型。在建模過程中，對(duì)研究對(duì)象中的山體及建筑模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，山體高度按等高線進(jìn)行繪制，最高海拔取220m，模擬計(jì)算區(qū)域長、寬、高分別為3000m、1800m和400m（見圖5a）。入口邊界條件采用自定義函數(shù)UDF（User Define Function）導(dǎo)入，由于地表摩擦的結(jié)果，使接近地表的風(fēng)速隨著離地面高度的增加而增大，在離地面300～500m以上的地方，風(fēng)速將不受地表的影響，能夠在氣壓的作用下自由流動(dòng)，從而達(dá)到最大速度。平均風(fēng)速沿高度的變化規(guī)律，常稱為平均風(fēng)速梯度，出現(xiàn)這種速度的高度叫梯度風(fēng)高度。在400m以下，風(fēng)速按指數(shù)關(guān)系[10-11]變化：

其中，v為某一高度上的風(fēng)速，v0為地面上方10m高度上測(cè)得的風(fēng)速，即氣象局測(cè)試的風(fēng)速。Z為高度，Z0為10m。α為地面粗糙系數(shù)，該值與地形地貌、建筑環(huán)境等因素有關(guān)，根據(jù)規(guī)范[12]取0.25。出口邊界相對(duì)壓力為0，底面為Wall壁面邊界條件，計(jì)算域共計(jì)2.11×107個(gè)單元，采用六面體網(wǎng)格劃分，單元網(wǎng)格質(zhì)量均勻良好（見圖5b）。

將計(jì)算模擬區(qū)域的建筑進(jìn)行簡(jiǎn)化，并進(jìn)行分割，將每個(gè)分割區(qū)域進(jìn)行獨(dú)立建模，分割區(qū)域時(shí)不僅需要考慮模擬的準(zhǔn)確性，還要綜合評(píng)判軟件的計(jì)算承受力及魯棒性。因此，結(jié)合整個(gè)鄉(xiāng)村區(qū)域的區(qū)塊劃分，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，本次模擬選取兩個(gè)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行建模計(jì)算。City 1計(jì)算域長、寬、高分別為600m、300m、300m，City 2計(jì)算域長、寬、高分別為1000m、800m、300m（見圖6a、b）。入口湍流強(qiáng)度剖面采用UDF實(shí)現(xiàn)，函數(shù)型式采用Matlab對(duì)地貌斷面剖面進(jìn)行擬合。出口邊界相對(duì)壓力為0，底面為Wall壁面邊界條件，建筑物外壁設(shè)為無滑移、不可穿透壁面邊界條件，City 1計(jì)算域共計(jì)0.48×107個(gè)單元，City 2計(jì)算域共計(jì)0.61×107個(gè)單元，采用六面體網(wǎng)格劃分，單元網(wǎng)格質(zhì)量均勻良好（見圖6c、d）。

1.3 控制方程及求解方法

在直角坐標(biāo)系下建立環(huán)境風(fēng)的模擬計(jì)算區(qū)域，假設(shè)室內(nèi)氣流為連續(xù)、穩(wěn)定、不可壓縮牛頓流體，采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，其中擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式。利用Gauss-Seidel迭代法求解離散后的代數(shù)方程組，首先通過SIMPLE算法得到流場(chǎng)壓力和速度。其中，所有的控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、k方程及ε方程如式（2）～（6）所示，簡(jiǎn)化后公式如式（5）～（6）所示。

2.2 地形風(fēng)場(chǎng)分析

將石溪鎮(zhèn)地形地貌進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬，距離地面1.5m時(shí)平均風(fēng)速1.81m·s-1，最大風(fēng)速為3.81m·s-1。A、B區(qū)域主要為風(fēng)場(chǎng)低速區(qū)，平均風(fēng)速為1.63m·s-1 （見圖7a）。而氣流在進(jìn)入山體區(qū)域時(shí)，由于氣流撞擊山體，導(dǎo)致風(fēng)速逐步削弱，但當(dāng)氣流進(jìn)入C、D兩個(gè)區(qū)域后，風(fēng)速明顯提高，平均風(fēng)速達(dá)到1.99m·s-1，這是由于氣流在入口方向均勻流經(jīng)山谷區(qū)域時(shí)，氣流受到兩側(cè)山體的擠壓，風(fēng)壓的增大造成流速的加快，因此在鄉(xiāng)村規(guī)劃區(qū)域主軸線形成了一個(gè)風(fēng)場(chǎng)加劇風(fēng)道。并且隨著空間高度的升高此現(xiàn)象尤為明顯，圖7b為距離地面10m的風(fēng)速場(chǎng)分布。平均風(fēng)速為3.12m·s-1，最大風(fēng)速6.21m·s-1出現(xiàn)在C區(qū)域的中部，風(fēng)環(huán)境低速、高速區(qū)域分布規(guī)律基本與1.5m處一致。

通過對(duì)春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)的風(fēng)速場(chǎng)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)氣流組織形式與上文保持一致（見圖8）。其中，夏季風(fēng)速梯度最高，平均風(fēng)速為4.28m·s-1，其次為秋季，平均風(fēng)速為3.75m·s-1，春季、冬季的平均風(fēng)速分別為3.47m·s-1、3.55m·s-1。代入式（7）式（8）進(jìn)行計(jì)算，得出春、夏、秋、冬四季的溫濕指數(shù)（THI）分別為18.03、27.76、19.95、9.78，感覺程度依次為舒適、熱、舒適、冷；春、夏、秋、冬四季的風(fēng)效指數(shù)（K）分別為-355.37、-36.84、-311.90、-636.34，感覺程度依次為舒適、熱、舒適、涼。可見該地形地貌條件下，整體宜居度較高，人體感官適宜度較為舒適。

2.3 建筑區(qū)域風(fēng)速場(chǎng)分析

對(duì)上文中City 1、City 2區(qū)域的剖面風(fēng)速進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，采用Matlab進(jìn)行函數(shù)擬合，風(fēng)速場(chǎng)散點(diǎn)擬合剖面如圖9所示，擬合出的函數(shù)型式進(jìn)行修正后見式（9）、式（10）。

由圖可以看出氣流組織在直接流經(jīng)建筑物時(shí)，City 1、City 2前排風(fēng)速普遍較高，將建筑迎風(fēng)面的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，結(jié)果發(fā)現(xiàn)City 1平均風(fēng)速為3.11m·s-1，最大風(fēng)速為6.71m·s-1，City 2平均風(fēng)速為6.15m·s-1，最大風(fēng)速為10.35m·s-1。可見由于山區(qū)地形的特殊性，在鄉(xiāng)村規(guī)劃布局主軸線上形成了一條引導(dǎo)風(fēng)道[15]，加劇了鄉(xiāng)村建筑的風(fēng)速場(chǎng)。而由于第一排建筑物的遮擋，City 1城鎮(zhèn)中心區(qū)域的風(fēng)速范圍為0.14～0.56m·s-1，且出現(xiàn)了渦流區(qū)域[16]，即流動(dòng)滯止區(qū)，使得該區(qū)域的換氣效率降低，人體舒適度下降。同理，City 2亦是如此，中心區(qū)域的風(fēng)速范圍為1.12～2.03m·s-1。應(yīng)當(dāng)指出，通過City 2的風(fēng)速場(chǎng)云圖，發(fā)現(xiàn)在City 2的左右兩側(cè)分別形成了一個(gè)強(qiáng)風(fēng)速帶。因此，將夏季、冬季z方向的風(fēng)速場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)一步比較，得到如下風(fēng)速場(chǎng)分布（見圖11）。

由圖可見，由于入口風(fēng)速邊界條件的變化，在模擬區(qū)域兩側(cè)環(huán)境風(fēng)的差異非常明顯，并且在風(fēng)道末尾兩側(cè)出現(xiàn)了高風(fēng)速，夏季風(fēng)速場(chǎng)最高出現(xiàn)了20.71m·s-1，達(dá)到了大風(fēng)等級(jí)，地面物理現(xiàn)象為折毀樹枝，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)；冬季最大風(fēng)速為15.35m·s-1，亦達(dá)到了疾風(fēng)等級(jí)，結(jié)合濕熱指數(shù)及風(fēng)效指數(shù)，人體感覺溫度為酷冷。不僅如此，在通道中間區(qū)域出現(xiàn)了負(fù)方向的速度，這是因?yàn)榭諝饬鹘?jīng)山體背風(fēng)面時(shí)由于坡度逆轉(zhuǎn)，導(dǎo)致環(huán)境風(fēng)回流進(jìn)一步加劇了鄉(xiāng)村建筑區(qū)域的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境，末位建筑迎風(fēng)區(qū)域的平均風(fēng)速夏季為12.32m·s-1、冬季為8.21m·s-1。

3 結(jié)論

本文通過CFD的風(fēng)環(huán)境模擬技術(shù)，以青田縣石溪鄉(xiāng)為研究對(duì)象，模擬山區(qū)鄉(xiāng)村的風(fēng)場(chǎng)分布，并進(jìn)一步分析了風(fēng)場(chǎng)分布，得出如下結(jié)論：

（1）即使模擬區(qū)域的地形復(fù)雜、計(jì)算范圍廣，仍可通過分步計(jì)算控制法對(duì)大尺度模型進(jìn)行CFD模擬分析，并給出合理的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

（2）在針對(duì)山區(qū)城鎮(zhèn)規(guī)劃布局時(shí)，應(yīng)盡量在環(huán)境空間形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，避免在山體兩側(cè)背風(fēng)面布局居住群，避免渦流區(qū)對(duì)人居環(huán)境的影響。不僅如此，在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減低區(qū)域建筑密度，網(wǎng)絡(luò)化通風(fēng)路徑，形成順應(yīng)主導(dǎo)風(fēng)向的公共空間廊道，以提高人居舒適度。

（3）在山區(qū)鄉(xiāng)村規(guī)劃設(shè)計(jì)中，人居活動(dòng)區(qū)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離在山體附近，減小環(huán)境風(fēng)回流區(qū)對(duì)人居安全帶來的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步證明了山體對(duì)建筑表面風(fēng)速分布的影響不容忽略。

（4）“風(fēng)環(huán)境”可作為山區(qū)鄉(xiāng)村規(guī)劃的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，提供一定的定量分析及參考依據(jù)，為提高“人居品質(zhì)”提供規(guī)劃設(shè)計(jì)思路。

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