基于PHOENICS的校園宿舍室外風(fēng)環(huán)境模擬研究

成思維 趙 祥

(西南科技大學(xué)，四川 綿陽 621000)

高校的擴(kuò)招使得在校大學(xué)生的數(shù)量急劇增加，學(xué)生的學(xué)習(xí)與生活的需求與現(xiàn)有的高校宿舍不匹配，而新建的大學(xué)往往在偏僻的城市郊區(qū)并且規(guī)模較大，宿舍風(fēng)環(huán)境的問題也逐漸暴露了出來[1]。本文根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，將宿舍的三維模型輸出至PHOENICS軟件中，對(duì)西南科技大學(xué)新區(qū)八棟宿舍樓進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬，試圖通過評(píng)價(jià)其現(xiàn)有建筑布局風(fēng)環(huán)境狀況，總結(jié)規(guī)律，為以后校園宿舍建設(shè)提供參考。

1 模擬方法及原理

1.1 軟件選擇

計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,簡稱 CFD)是通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。計(jì)算流體力學(xué)的軟件有很多，市面上較為常用的風(fēng)環(huán)境模擬軟件有FLUENT，PHOENICS，AIRPARK，VENT等，本文選擇PHOENICS,其特點(diǎn)參數(shù)設(shè)置直接，網(wǎng)格可半自動(dòng)生成、仿真預(yù)測高效、快速、直觀的軟件，并且通過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證了該軟件仿真具有正確性和結(jié)果準(zhǔn)確率高的優(yōu)勢[2]。

1.2 數(shù)學(xué)模型的選取

學(xué)校宿舍室外風(fēng)的流動(dòng)屬于不可壓縮和低速湍流區(qū)域，同時(shí)也考慮到計(jì)算機(jī)硬件水平和計(jì)算效率，本文采用的是最為常用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，其所涉及到的方程如下。

(2)連續(xù)性方程

(3)動(dòng)量方程

(4)k方程

(5)ε方程

2 計(jì)算模型與計(jì)算域、網(wǎng)格的確定

為了減少計(jì)算時(shí)間，加快收斂速度，在不影響模擬結(jié)果的前提下對(duì)建筑模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，將建筑物表面微小的凹凸處忽略，將其處理成較為規(guī)則的立方體。

風(fēng)場的作用范圍是比較大的，因此計(jì)算域的范圍應(yīng)該選擇的較大一點(diǎn)，但是太大的計(jì)算域會(huì)導(dǎo)致模擬計(jì)算成本的增加，所以依照以往模擬經(jīng)驗(yàn)來看，本文計(jì)算域的高度為最高建筑的5倍，長度為建筑群寬度的8倍，寬度為建筑群寬度的5倍，同時(shí)本文采用局部加密網(wǎng)格的方法對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)大約123萬。

3 邊界條件的處理

3.1 來流面邊界條件(表1)

由于地表摩擦，風(fēng)速隨著離地面高度的變化而變化，但是當(dāng)達(dá)到一定高度后風(fēng)速所受刀鋒摩擦力便可忽略不計(jì)，一般為300m～500m左右.來流面風(fēng)速的變化規(guī)律以指數(shù)率表示為[3]

其中:uz為高度Z處的水平方向風(fēng)速;u0為參考高度z0處的風(fēng)速;α為由地形粗糙度所決定的冪指數(shù)。我國規(guī)范將地形分為A，B，C，D四類，參照研究區(qū)域本文選擇0.16。

3.2 出流邊界

由于所設(shè)置的計(jì)算域較大，可以認(rèn)為出流面上的流動(dòng)已經(jīng)充分發(fā)展，即認(rèn)為風(fēng)的流動(dòng)狀態(tài)已經(jīng)不受建筑物的影響。

表1 邊界條件

3.3 建筑上方與兩側(cè)邊界條件

由于所設(shè)置的計(jì)算域較大其高度和兩側(cè)距離建筑物都比較遠(yuǎn)，所以空氣的流動(dòng)幾乎不受影響，采用自由滑移邊界條件。

3.4 建筑壁面邊界條件

本文所采用的是標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，適用于高雷諾數(shù)的湍流，但是在離建筑壁面很近的區(qū)域，層流粘性對(duì)其影響變大了，故需對(duì)k-ε湍流模型進(jìn)行修正，本文采用壁面函數(shù)法修正。

4 校園宿舍樓群風(fēng)環(huán)境模擬分析

本文所模擬的區(qū)域?yàn)榫d陽市涪城區(qū)西南科技大學(xué)新校區(qū)八棟學(xué)生宿舍，該建筑群南北朝向，排列較為整齊，為方便描述將宿舍樓排列如圖1所示。

圖1 宿舍樓排列圖

圖2 1.5m夏季風(fēng)速云圖

4.1 典型模擬條件的選取

通過查閱綿陽2000-2010年的氣象數(shù)據(jù)，綿陽冬季平均室外風(fēng)速為1.4m/s，風(fēng)向?yàn)闁|；夏季室外平均風(fēng)速為1.7m/s，風(fēng)向?yàn)闁|北偏北。

4.2 模擬結(jié)果及分析

4.2.1 夏季模擬結(jié)果分析

圖2～4分別是1.5m處人行高度處的風(fēng)速云圖，風(fēng)速矢量圖、建筑表面風(fēng)壓圖。從圖2來看，宿舍區(qū)域整體風(fēng)速較為低且平緩，大約0.78～1.12m/s之間，建筑與夏季東北偏北主導(dǎo)風(fēng)向呈現(xiàn)出一定夾角，在宿舍樓迎風(fēng)面的拐角處的風(fēng)速相對(duì)來說有明顯提升大約在1.12～1.8m/s之間。另外在宿舍樓群兩側(cè)的風(fēng)速很低，八棟樓都出現(xiàn)了不同程度的靜風(fēng)區(qū),均在宿舍樓的東、西入口處。在宿舍樓的各層樓道上下是不封閉的，也是為了保證宿舍樓里的通風(fēng)，即使如此，3，4，5，8號(hào)樓內(nèi)部的北面和7號(hào)樓內(nèi)部的南面出現(xiàn)了靜風(fēng)區(qū)，不利于顆粒物、污染物的流通。圖3大致顯示了風(fēng)流動(dòng)的方向，在建筑的背風(fēng)面，形成了風(fēng)影區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)形成風(fēng)速緩慢的回流，由于各樓層并不封閉，回流也可以得到向東方向的疏通，但是1號(hào)樓西入口處的氣流很雜亂，2號(hào)樓形成了渦流，不利于污染物、顆粒物的疏通。圖4為宿舍樓表面風(fēng)壓圖，迎風(fēng)面阻擋來流風(fēng)形成正壓，在其背風(fēng)面和側(cè)面，空氣少速度低從而形成負(fù)壓。在這八棟樓里，迎風(fēng)面一側(cè)樓的通風(fēng)情況較好壓差大約在1Pa左右，1，2，4，6，7號(hào)樓的東南角風(fēng)壓約在2.7～3.6Pa之間，這樣有利于室內(nèi)通風(fēng)，而背風(fēng)面一側(cè)的3，4，5，6，7號(hào)樓的通風(fēng)情況較差一些，前后壓強(qiáng)差別不大，但考慮到實(shí)際情況，宿舍樓的東西向均開設(shè)了陽

圖3 1.5m夏季風(fēng)速矢量圖

圖4 夏季建筑表面風(fēng)壓圖

臺(tái)，故這一問題也可以得到有效解決?？偟膩碚f宿舍樓的風(fēng)壓相對(duì)穩(wěn)定，通風(fēng)情況良好。

4.2.2 冬季模擬結(jié)果分析

從圖5可以看出，冬季風(fēng)速偏低，且風(fēng)向垂直于宿舍樓開口處，但是在冬季為了御寒，人們選擇把門窗關(guān)閉，再加上宿舍樓門口造型為凹型，不利于風(fēng)的流動(dòng)，因此在宿舍門前形成靜風(fēng)區(qū)。1，2，4，6，7號(hào)樓的迎風(fēng)拐角處風(fēng)速相對(duì)來說較高一點(diǎn)。風(fēng)速矢量圖(圖6)可以看出，由于冬季風(fēng)是完全垂直于建筑迎風(fēng)面的，故所形成的建筑風(fēng)影區(qū)的寬度與長度都高于夏季，這樣一來就不利于空氣的流通。1號(hào)樓背風(fēng)面西口氣流較為紊亂，這可能是1號(hào)樓與2號(hào)樓之間所形成的狹小空間，加快了風(fēng)的流動(dòng)，而1號(hào)樓的北側(cè)沒有建筑風(fēng)速相對(duì)較緩，這樣就造成了1號(hào)樓背風(fēng)面風(fēng)影區(qū)風(fēng)速北慢南快的現(xiàn)象，兩股氣流交織所造成的紊亂，2號(hào)樓西口產(chǎn)生了渦流，不利于顆粒物的排散。在風(fēng)壓圖中，建筑迎風(fēng)面的風(fēng)壓最高，背風(fēng)面最低，迎風(fēng)面最高大約在1.0058Pa左右，背風(fēng)面最低-1.3808Pa左右，由于冬季的風(fēng)向與宿舍樓陽臺(tái)開口的方向一樣，在冬季需要考慮宿舍樓在東西向的保暖措施。

圖5 1.5m東季風(fēng)速云圖

圖6 1.5m東季風(fēng)速矢量圖

5 結(jié) 論

1通過冬夏兩季的模擬，宿舍樓的東西入口都存在一定的靜風(fēng)區(qū)這與風(fēng)速和建筑形態(tài)有關(guān)，綿陽屬于弱風(fēng)地區(qū)，加上“凹”字形的建筑形態(tài)，容易使空氣不流通，應(yīng)減少這一形態(tài)的建筑；發(fā)現(xiàn)不管是冬季還是夏季，一號(hào)樓西入口的氣流都很紊亂，建議在一號(hào)樓西南側(cè)種植樹木平衡風(fēng)速以免造成亂流現(xiàn)象；南北朝向的宿舍樓與冬季的盛行風(fēng)垂直，這就與宿舍樓陽臺(tái)東西向開口方向同向，不利于冬季保暖，建議在宿舍樓的東側(cè)栽種高大喬木以御寒風(fēng)。