基于CFD 技術(shù)對(duì)板式高層建筑風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬

張仕奇，閆 鉑，蔡亞東

（吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118）

0 引言

隨著我國城市化發(fā)展進(jìn)程不斷加快，隨之而來的是城市人口數(shù)量的不斷增加，高層建筑的發(fā)展成為了解決未來城市人口爆發(fā)的重要條件，目前我國對(duì)高層建筑的設(shè)計(jì)依然停留在以日照，綠化，防火等影響因素來決定建筑的布局[1]，對(duì)建筑群風(fēng)環(huán)境的影響考慮不周，而惡劣的風(fēng)環(huán)境不僅會(huì)造成污染氣體難以排放，還會(huì)威脅行人的生命安全。例如1965 年英國渡橋冷卻塔倒塌事故的原因就是因?yàn)楹雎粤巳核L(fēng)環(huán)境的效應(yīng)[2]，導(dǎo)致了場(chǎng)間風(fēng)速瞬間增大，加之設(shè)計(jì)冷卻塔時(shí)未考慮風(fēng)環(huán)境的影響，設(shè)計(jì)的鋼筋數(shù)量無法承受瞬時(shí)的風(fēng)壓，導(dǎo)致冷卻塔坍塌。然而在高層建筑密集的城市中心，風(fēng)環(huán)境的情況會(huì)更加的復(fù)雜，很容易形成不利風(fēng)環(huán)境，因此對(duì)建筑周圍風(fēng)環(huán)境的研究具有實(shí)際意義。

近年來，國內(nèi)外的學(xué)者對(duì)風(fēng)環(huán)境的研究大致分為兩個(gè)方向，一是對(duì)既有的建筑群進(jìn)行風(fēng)環(huán)境的分析，提出改善風(fēng)環(huán)境的可行方案；二是對(duì)各種建筑布局進(jìn)行風(fēng)環(huán)境的分析，為建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)提供可視化的數(shù)據(jù)，對(duì)建筑群的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化[3]。目前對(duì)風(fēng)環(huán)境的研究手段有風(fēng)洞試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬3 種方法，隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，數(shù)值模擬的優(yōu)勢(shì)越發(fā)明顯。

目前國內(nèi)外應(yīng)用CFD（計(jì)算流體力學(xué)）技術(shù)對(duì)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了諸多研究，Allgrini Jonas 等人通過改變建筑高度的方式，運(yùn)用CFD 模擬探討了建筑形態(tài)對(duì)其周圍風(fēng)環(huán)境的影響，結(jié)果表明高度變化對(duì)周邊氣候有明顯的影響[4]。孟晗等[5]研究了不同建筑群開口角度對(duì)周圍風(fēng)環(huán)境的影響，宋文鵑等[6]研究了對(duì)于不同高差的2 棟并列高層建筑風(fēng)環(huán)境的影響，馬劍等[7]采用RNG 模型對(duì)由6 個(gè)矩形截面高層建筑組成的8 種不同布局形式的建筑群在人行高度處對(duì)風(fēng)速比做了模擬分析。王輝等人基于Reynolds 時(shí)均方程，采用SST 湍流模型，以點(diǎn)式高層建筑群風(fēng)環(huán)境為研究對(duì)象，分析了6 種平面布局下人行高度處的風(fēng)場(chǎng)分布，結(jié)果表明前排布置單棟建筑時(shí)可減小行人高度處風(fēng)速[8]。岳夢(mèng)迪在其碩士論文中對(duì)板式建筑的不同形態(tài)和布局進(jìn)行了風(fēng)環(huán)境模擬，以北京市氣候?yàn)榛鶞?zhǔn)，探討了板式高層住宅人行區(qū)域風(fēng)環(huán)境的優(yōu)化方法，得出各類要素對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響規(guī)律[9]。上述的研究大多是從建筑的形態(tài)和布局兩方面來探討行人高度處風(fēng)環(huán)境的優(yōu)劣，而對(duì)于建筑之間間距的變化，以及風(fēng)向?qū)ㄖ車L(fēng)環(huán)境影響的研究卻很少。

1 研究?jī)?nèi)容

本文采用ANSYS FLUENT 軟件分別對(duì)單、雙棟板式建筑物進(jìn)行了數(shù)值模擬，在對(duì)雙棟建筑模擬中改變了并排2 棟建筑的間距，通過間距的變化探討雙棟建筑風(fēng)環(huán)境，隨后改變來流處的風(fēng)向角，通過風(fēng)向角的改變探討風(fēng)環(huán)境的優(yōu)劣。建筑模型使用ICEM CFD 軟件建立，其尺寸為長(zhǎng)度L=50 m，寬度W=20 m，高度H=60 m。計(jì)算域尺寸為來流方向距離建筑5 L，出流方向距離建筑10 L，計(jì)算域兩側(cè)距離建筑5 L，高度為5 H。具體模型見圖1～圖2。

2 模擬可行性驗(yàn)證

2.1 網(wǎng)格劃分

為了證明本文模擬所得數(shù)據(jù)的可行性，通過與CAARC 標(biāo)準(zhǔn)高層建筑模型的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)作對(duì)比驗(yàn)證模擬的精確[10]，該風(fēng)洞試驗(yàn)是在湖南大學(xué)教育部建筑安全與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的HD-3 大氣邊界層風(fēng)洞所做，試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x用有機(jī)玻璃板制作，縮尺比為1：300，通過本文模擬的足尺模型所得測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)對(duì)比試驗(yàn)所得的相同測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)來驗(yàn)證模擬的可行性。風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[10]。CAARC 模型是幾何尺寸為30.48 m×45.72 m×183.88 m 的矩形截面建筑，其表面光滑平整。計(jì)算域尺寸為503 m×776 m×919 m，為了減少計(jì)算時(shí)間，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)只對(duì)建筑表面進(jìn)行加密處理，整體網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元數(shù)量為1 666 099，最小網(wǎng)格質(zhì)量0.35，符合流體計(jì)算要求，網(wǎng)格的具體劃分見圖3。

2.2 邊界條件設(shè)定

入口邊界條件：入口處采用速度入口邊界（Velocity-inlet）， 入口處風(fēng)速采用指數(shù)律分布其速度表達(dá)式為其中地面粗糙度α 為0.3，參考高度zref取8 m，參考高度處風(fēng)速vref取12 m/s。

出口邊界條件：采用自由出口（Outflow）。

建筑物表面及計(jì)算域的兩側(cè)和頂部：采用無滑移壁面。

計(jì)算域底面：采用對(duì)稱邊界（Symmetry）。

2.3 模擬結(jié)果

在進(jìn)行數(shù)值模擬的過程中，分別采用了標(biāo)準(zhǔn)kε 湍流模型和SSTk-ω 模型進(jìn)行數(shù)值模擬，建立了9個(gè)測(cè)點(diǎn)與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為 p1（0，22.68，122.59），p2（0，13.176，122.59），p3（0，4.572，122.59），p4（3.048，0，122.59），p5（15.24，0，122.59），p6（27.432，0，122.59），p7（30.48，4.572，122.59），p8（30.48，13.716，122.59），p9（30.48，22.86，122.59）。測(cè)點(diǎn)的詳細(xì)布置見圖 4，最終所得各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)如圖5 所示。從所得數(shù)據(jù)來看，迎風(fēng)面的3 個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較差，2 種模型的平均風(fēng)壓系數(shù)均低于試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)，而側(cè)面和背風(fēng)面測(cè)點(diǎn)較試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較為吻合，其中標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的最大誤差在p1 測(cè)點(diǎn)，最大誤差為30%，而SSTk-ω 模型的最大誤差為20%，所以選擇SSTk-ω 模型作為后續(xù)模擬的湍流模型更為合適。

3 模擬流程

計(jì)算模擬可分為3 個(gè)過程，分別是前處理、求解過程和后處理。前處理過程包括幾何建模、網(wǎng)格劃分、設(shè)定邊界條件、選用湍流模型4 個(gè)步驟。其中幾何建模部分不再贅述，詳見本文第一小節(jié)。網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行劃分。邊界條件設(shè)定如下，入口處邊界采用速度入口（Velocity-inlet），風(fēng)速分布采用指數(shù)律分布，其中風(fēng)速表達(dá)式為取 0.3，參考高度 zref取 5 m，參考高度處風(fēng)速vref采用長(zhǎng)春市年平均風(fēng)速3.9 m/s，湍動(dòng)能表達(dá)式為 k=1.5（v·I）2，湍流耗散律表達(dá)式為 ε=C其中 Cμ=0.09，湍流積分尺度 l=100（z/30）0.5，湍流頻率出口條件選用自由出口（Outflow），建筑表面和計(jì)算域兩側(cè)采用無滑移壁面條件，其他邊界采用對(duì)稱邊界（Symmetry）。湍流模型采用SSTk-ω 模型；入口處邊界條件采用UDF 編譯[11]。

求解過程包括對(duì)求解器的設(shè)置，算法的選擇，離散格式的選取[12]，在本文模擬中選用SEMPLEC算法求解，離散格式均用二階迎風(fēng)格式，殘差曲線降至1·e-4后視為計(jì)算收斂。后處理過程較為簡(jiǎn)單，不做過多贅述。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 對(duì)單、雙棟建筑風(fēng)環(huán)境比較分析

在進(jìn)行風(fēng)環(huán)境的分析時(shí)我們需要考慮2 個(gè)影響因素，既行人高度處的人體舒適度和污染物的排放2 個(gè)角度，行人高度通常指的是1.5 m 高度處，運(yùn)用風(fēng)速比的概念對(duì)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估和分析，風(fēng)速比表示為該區(qū)域處的平均風(fēng)速與入口處吹來的風(fēng)速的比值，通常當(dāng)風(fēng)速比＞2 時(shí)我們認(rèn)為該區(qū)域的風(fēng)速過大，從行人舒適度角度來說該區(qū)域風(fēng)環(huán)境不夠理想，而當(dāng)風(fēng)速比＜0.5 時(shí)，我們認(rèn)定該區(qū)域?yàn)殪o風(fēng)區(qū)，由于風(fēng)速過小導(dǎo)致污染氣體無法排放。首先對(duì)單棟建筑 1.5 m 高度處進(jìn)行分析，見圖 6（a）及圖 6（c），從圖6（a）中我們可以看到在建筑迎風(fēng)面的兩側(cè)形成了大面積的風(fēng)速突變區(qū)域，最大風(fēng)速比達(dá)到了2.5，從人體舒適度角度來說十分不利。在建筑物的背風(fēng)面形成了大面積的風(fēng)速比為1.0 的風(fēng)影區(qū)，背風(fēng)面的兩側(cè)形成了風(fēng)速比＜0.5 的靜風(fēng)區(qū)，不利于污染氣體的排放。在建筑的四周形成了小面積的靜風(fēng)區(qū)。從圖6（c）中可以看出背風(fēng)面的風(fēng)影區(qū)以旋渦的形式存在，兩側(cè)的風(fēng)速突變區(qū)域是因?yàn)楫?dāng)風(fēng)從正面吹向建筑時(shí)，由于高層建筑的阻擋，產(chǎn)生了逆風(fēng)，而逆風(fēng)是向四周吹回，在建筑的兩角處，由于來流的風(fēng)不斷吹來，與建筑阻擋形成的逆風(fēng)疊加形成了風(fēng)速突變的情形，這也是為什么在建筑正面的前方約30 m 的位置會(huì)形成風(fēng)速較小的風(fēng)影區(qū)的原因，同樣是因?yàn)榀B加原理，只不過風(fēng)是矢量分布，從正面吹回的逆風(fēng)與來流處的風(fēng)相互抵消，形成了小風(fēng)速的區(qū)域。

對(duì)比并排雙棟建筑來看，雙棟建筑的場(chǎng)間最大風(fēng)速與單棟建筑相比沒有明顯的變化，說明風(fēng)速的大小與建筑遮擋面積的大小無關(guān)。如圖6（b）所示，雙棟建筑在迎風(fēng)面的兩側(cè)和兩棟建筑的廊道之間為最大風(fēng)速所在區(qū)域，而2 棟建筑的背風(fēng)面均形成了大面積的靜風(fēng)區(qū)，分析圖6（d）來看，由于建筑之間形成的狹管效應(yīng)，狹管效應(yīng)是指由于2 棟建筑相鄰布置，當(dāng)風(fēng)通過廊道時(shí)，由于間距較近，導(dǎo)致邊墻處的風(fēng)匯到一起形成的高風(fēng)速現(xiàn)象，因?yàn)檫@種現(xiàn)象，通過廊道的風(fēng)無法改變方向，也就無法與背風(fēng)側(cè)的風(fēng)產(chǎn)生回流，所以從圖6（d）中看，雙棟建筑的背風(fēng)側(cè)沒有形成漩渦，導(dǎo)致背風(fēng)側(cè)的通風(fēng)效果極差，十分不利于污染物的排放。這種狹管效應(yīng)與建筑的間距、風(fēng)向息息相關(guān)。

4.2 對(duì)并排建筑間距變化的分析

從圖7 中分析來看，兩建筑間距的改變對(duì)背風(fēng)面靜風(fēng)區(qū)面積影響很大，當(dāng)建筑間距為10 m 時(shí)背風(fēng)面靜風(fēng)區(qū)面積最大，隨著建筑間距的增加，靜風(fēng)區(qū)的面積減小，當(dāng)建筑間距增加到一定程度時(shí)，背風(fēng)面靜風(fēng)區(qū)區(qū)域面積會(huì)增大，從圖7（c）可以看出兩樓間距為18 m 的工況背風(fēng)面靜風(fēng)區(qū)面積最小。

此外，建筑物周圍最大風(fēng)速比隨著建筑間距的改變沒有變化，均為2.5，且最大風(fēng)速突變區(qū)沒有明顯變化。但是建筑間的狹管效應(yīng)與建筑的間距變化有關(guān)，從圖7 所有的云圖中對(duì)比分析我們可以很明顯的看到隨著建筑的間距增大，建筑廊道之間最大風(fēng)速風(fēng)影區(qū)面積減小，當(dāng)建筑間距達(dá)到18 m 時(shí)最小。而當(dāng)建筑間距超過18 m 后，雙棟建筑的雙體遮擋效應(yīng)明顯變?nèi)酰? 棟建筑的風(fēng)速分布與單體建筑的風(fēng)速分布相似，所以從圖7（d）和圖7（e）中我們可以看到建筑間距為22 m 和26 m 的建筑之間的最大風(fēng)速區(qū)域變大，因此，從人體舒適度的角度來考慮建筑間距的布置在14 m 和18 m 之間風(fēng)環(huán)境最為理想。

4.3 對(duì)雙棟建筑不同風(fēng)向角風(fēng)環(huán)境分析

根據(jù)上一小節(jié)的結(jié)果我們可以知道，建筑間距在14 m～18 m 之間最為理想，因此在做風(fēng)向角模擬時(shí)我們將建筑間距選為18 m。如圖8 所示，當(dāng)風(fēng)向角為15 °和30 °時(shí)，建筑周圍的最大風(fēng)速達(dá)到了7.99 m/s，最大風(fēng)速比達(dá)到了3.0，最大風(fēng)速區(qū)域均出現(xiàn)在兩建筑的廊道之間，這種風(fēng)的分布對(duì)行人的安全造成了極其不利的影響，風(fēng)向角超過30 °后，隨著風(fēng)向角度的增加，場(chǎng)間最大風(fēng)速比減小，當(dāng)風(fēng)向角達(dá)到75 °時(shí)，最大風(fēng)速比為2.0。從背風(fēng)面風(fēng)影區(qū)角度來看，風(fēng)向角越大，背風(fēng)面的靜風(fēng)區(qū)面積越小，但是當(dāng)風(fēng)向角達(dá)到了90 °后，建筑的兩側(cè)及廊道中間形成了大面積的靜風(fēng)區(qū)。從行人安全的角度來考慮，風(fēng)向角在 15 °～45 °之間十分不利，在 60 °～90 °之間對(duì)行人來說是相對(duì)舒適安全的。從污染物排放角度來看，風(fēng)向角在0 °～45 °之間背風(fēng)面一側(cè)的靜風(fēng)區(qū)面積較大，不利于空氣流通，在75 °～90 °之間對(duì)建筑的兩側(cè)以及通道處污染氣體的排放十分不利，所以，當(dāng)風(fēng)向角在60 °～75 °之間時(shí)，對(duì)建筑周圍污染氣體的排放最為合適。綜合來看，在布置并排建筑時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)?shù)仄骄L(fēng)的流動(dòng)情況盡量將建筑布置在風(fēng)向角為60 °～75 °之間的位置。

5 結(jié)論

根據(jù)本文模擬所得結(jié)果及分析，我們可以得出如下4 個(gè)結(jié)論。

1）通過對(duì)比CAARC 高層標(biāo)準(zhǔn)建筑風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們可以得出在進(jìn)行建筑風(fēng)場(chǎng)模擬湍流模型的選擇時(shí)，SST 模型要比標(biāo)準(zhǔn)模型的誤差小。

2）單棟建筑與并排雙棟建筑的風(fēng)環(huán)境在迎風(fēng)面一側(cè)相類似，均在建筑的兩側(cè)形成了風(fēng)速突變區(qū)域，且在迎風(fēng)面前約30 m 處形成了小面積的靜風(fēng)區(qū)，在背風(fēng)面一側(cè)雙棟建筑形成了大面積的靜風(fēng)區(qū)，而單棟建筑形成了大面積的風(fēng)速比＞1 的風(fēng)旋渦，可以得出結(jié)論雙棟建筑背風(fēng)側(cè)的通風(fēng)效果較差。在雙棟建筑的兩建筑中間形成了狹管效應(yīng)，風(fēng)速過大，對(duì)行人安全不利。

3）通過改變兩建筑的間距，我們可以得出建筑間距的變化對(duì)兩建筑間廊道及背風(fēng)側(cè)的風(fēng)環(huán)境有一定影響，對(duì)于兩建筑間的狹管效應(yīng)，間距過小和過大都會(huì)產(chǎn)生較差的影響，對(duì)于背風(fēng)側(cè)靜風(fēng)區(qū)面積，隨著間距的增加，靜風(fēng)區(qū)面積減小，但增大到一定程度時(shí)雙體遮擋效果不再明顯，最終得出建筑的間距在14 m～18 m 范圍內(nèi)風(fēng)環(huán)境最為理想，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮按此間距布置。

4）風(fēng)向角的改變對(duì)建筑風(fēng)環(huán)境的影響較大，風(fēng)向角在15 °～30 °之間時(shí)兩建筑中間的廊道風(fēng)速最大，風(fēng)速比達(dá)到了3.0，對(duì)于行人安全極其不利。風(fēng)向角在75 °～90 °之間時(shí)建筑兩側(cè)的靜風(fēng)區(qū)面積較大，不利于污染物的排放，綜合結(jié)果來看，當(dāng)風(fēng)向角處于60 °左右時(shí)風(fēng)環(huán)境最優(yōu)，因此在規(guī)劃并排建筑布局時(shí)，根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r盡量將建筑布置在處于風(fēng)向角60 °左右的位置，這樣既能符合行人舒適度指標(biāo)又能滿足污染物排放要求。