國內(nèi)CFD模擬在城市微氣候中的應(yīng)用綜述*

王月明 喬雨軒 王楠楠 黎俊儀 傅偉聰 董建文

福建農(nóng)林大學園林學院 福州 350002

人類活動對氣候的影響[1]隨著城市化的發(fā)展而越發(fā)顯著。人們開始重新審視城市與氣候、人與氣候的關(guān)系。在此契機下，CFD技術(shù)在環(huán)境科學領(lǐng)域的應(yīng)用迅速發(fā)展。本文通過文獻統(tǒng)計與歸納總結(jié)，回顧了國內(nèi)相關(guān)研究的發(fā)展歷程，并為未來研究提供參考。

1 研究概述

1.1 城市微氣候的發(fā)展

城市微氣候是指在城市維度內(nèi)，因獨特下墊面條件形成的、區(qū)別于地區(qū)氣候的獨特氣候狀況[2－3]。我國系統(tǒng)地研究城市氣候始于1980年，遠晚于19世紀初起步的英國[4]。1985年，《城市氣候?qū)W導論》 出版，此書包含城市氣候?qū)W的發(fā)展歷程、基本原理與應(yīng)用[1]，是國內(nèi)開展城市氣候研究的理論基礎(chǔ)。近20年來，我國對城市氣候的關(guān)注度與日俱增，歷經(jīng)從定性到定量的研究轉(zhuǎn)變，大批學者通過CFD軟件對城市氣候進行可視的定量分析，探索城市要素與不同氣象因子之間的關(guān)系。

1.2 CFD模擬技術(shù)的應(yīng)用

CFD是計算流體力學 (Computational Fluid Dynamics) 的英文簡稱，是指在流體力學的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值方法求解得到時間、空間上流場離散的定量描述，并以此預測流體運動規(guī)律的學科[5]。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，20世紀60年代，CFD成為一門獨立的學科[6]，解決了縮尺模型模擬與風洞試驗成本高、周期長、尺度受限等問題[7]。但因其晦澀難懂，阻礙了它在跨度較大的學科中的應(yīng)用，直到通用軟件的出現(xiàn)，打破知識壁壘，才使CFD成為解決流體力學相關(guān)問題的有力工具[5]。

CFD在我國的應(yīng)用起源于飛行器周邊流場的模擬，后廣泛應(yīng)用于各個工程領(lǐng)域[8]。20世紀90年代，建筑學首次將CFD模擬引入人居環(huán)境學科對氣候因子的研究[9]，研究內(nèi)容涵蓋城市環(huán)境的方方面面:從風環(huán)境、熱環(huán)境到人體舒適度、顆粒物擴散、水體凈化[10]、聲場[11]、工程選址[12]；從建筑單體到組團布局、綠地格局、濱水區(qū)、城市整體；從傳統(tǒng)民居、歷史街區(qū)到現(xiàn)代住區(qū)與街道。

1.3 CFD軟件與操作流程

目前研究城市氣候較為常用的流體力學計算軟件有 FLUENT、PHOENICS、ENVI－ met、AIRPAK、STAR－CD、CFX等，每個軟件都有自己的特點和最適合應(yīng)用的場景，前3者最常用于人居環(huán)境學科相關(guān)的模擬(表1)。

無論使用哪種軟件模擬，基本操作流程都是相似的，均由前處理階段、計算求解階段和后處理階段3部分組成。前處理階段是指建立模型、定義幾何計算域，劃分子區(qū)域、建立計算網(wǎng)格(網(wǎng)格越密，計算準確度越高，所耗費的時間越長)，定義流體的屬性、邊界條件和初始條件。計算求解階段指選擇合適的流體模型進行計算。后處理階段指分析結(jié)果并將其可視化[13]。

表1 常用CFD模擬軟件

2 文獻計量統(tǒng)計與分析

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)來自知網(wǎng)CNKI中文文獻數(shù)據(jù)庫，時間區(qū)間選擇從中文第一篇關(guān)于CFD模擬應(yīng)用于城市環(huán)境研究的論文為起始 (1981年[14]) 至2018年12月，以主題詞“CFD模擬”或“流體力學”并含“環(huán)境”為檢索公式，共得到865條結(jié)果。為能夠準確反映研究特征，通過閱讀摘要，并剔除報道、通知、消息等非研究類文獻及超出本文研究范圍的文獻，最終得到樣本734篇。

圖1 發(fā)表文獻時間分布

2.2 統(tǒng)計結(jié)果與分析

2.2.1 文獻時間分布

運用Excel對734篇文獻發(fā)表的時間進行初步統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如圖1所示:1995年之前鮮有文獻發(fā)表，2010年增長率最大，接近上一年文獻量的5倍，標志研究進入蓬勃發(fā)展時期；之后每年發(fā)表文獻量保持穩(wěn)定、持續(xù)的增長；2016年達到峰值后發(fā)文數(shù)量有所回落，整體趨勢呈現(xiàn)波動上升。

2.2.2 研究機構(gòu)分布

對樣本文獻的發(fā)表研究機構(gòu)進行統(tǒng)計分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)共有134個文獻來源于研究機構(gòu)，30個機構(gòu)間有過合作。高校是CFD研究的核心力量，與國家(地方) 氣候中心、設(shè)備公司、工程公司形成合作網(wǎng)絡(luò)。圖2列出了發(fā)文量前12的機構(gòu)，占總量的39.5%，位列前3的大學發(fā)文量約占總和的17.4%。研究機構(gòu)分布多集中在上海、南京、北京、廣州、武漢、長沙、東三省等科研實力雄厚，以及氣候問題較嚴峻的城市和地區(qū)。

圖2 截至2018年CNKI收錄發(fā)文量前12的機構(gòu)

2.2.3 關(guān)鍵詞分析

將數(shù)據(jù)導入分析軟件Citespace5.4，剔除無法被軟件算法識別的文獻，統(tǒng)計的有效時間區(qū)間為2001—2018年，最終有效數(shù)據(jù)樣本為681篇。

節(jié)點類型選擇“Keyword”對文獻進行分析，閾值設(shè)置為Top 50 per slice、thresholding設(shè)置為(2、2、20)，通過“Pathfinder算法”精簡網(wǎng)絡(luò)，結(jié)果得到N (節(jié)點) ＝124，E (連接線) ＝205，Q (聚類模塊值) ＝0.595 7 (Q＞0.3時認為聚類結(jié)構(gòu)顯著)，S (聚類平均輪廓值) ＝0.526 1 (S＞0.5時認為聚類合理)[15]。“十字”體量表示關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次，連接線粗細表示關(guān)聯(lián)度，所得關(guān)鍵詞圖譜如圖3。

圖3 關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

對相似關(guān)鍵詞進行歸納，圖譜圍繞CFD模擬技術(shù)(數(shù)值模擬、CFD模擬、ENVI－met)、風環(huán)境(風環(huán)境、自然通風、氣流組織) 與熱環(huán)境(熱環(huán)境、熱舒適度、溫度場) 構(gòu)成，各關(guān)鍵詞結(jié)合緊密，研究覆蓋面較廣。

2.2.4 研究熱點演進

結(jié)合關(guān)鍵詞突現(xiàn)圖譜(圖5) 判讀，我們可大致推斷出氣候適應(yīng)性設(shè)計、通風廊道、舒適度是CFD技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域最新和最具潛力的研究應(yīng)用方向。

2.3 研究階段

通過對樣本文獻的時間分布、關(guān)鍵詞時間分布和關(guān)鍵詞突現(xiàn)情況分析，關(guān)于城市環(huán)境的CFD模擬研究大致可分為4個階段。

1) 萌芽期(1981—2003年)。通過在外深造的學者們對CFD技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域和使用的工具與方法進行詳細的介紹，此時期國內(nèi)開始引入CFD技術(shù)。

圖4 關(guān)鍵詞時間線圖譜

圖5 引用率最高的19個突現(xiàn)關(guān)鍵詞

2) 緩慢發(fā)展期(2003—2010年)。此時期的文獻發(fā)表篇數(shù)少而穩(wěn)定，是CFD在城市環(huán)境領(lǐng)域的探索時期；與風、熱環(huán)境相關(guān)的是頻次較高的關(guān)鍵詞，研究方向多為暖通工程和室內(nèi)自然通風。

3) 蓬勃發(fā)展期(2010—2016年)。此時期發(fā)文量保持較高增長趨勢，在2016年迎來最高峰；關(guān)鍵詞涵蓋室內(nèi)、建筑、城規(guī)等，12個突現(xiàn)關(guān)鍵詞在此階段出現(xiàn)，拓展了CFD在城市環(huán)境中的應(yīng)用領(lǐng)域。

4) 成熟發(fā)展期(2016年至今)。此時期發(fā)文量略有下降，趨于平緩；園林小氣候、城市風道、舒適度開始受到關(guān)注；關(guān)于建筑與室內(nèi)相關(guān)的研究熱度下降明顯，進行了熱點的更替與知識的迭代更新。

3 對城市環(huán)境構(gòu)成要素的CFD模擬

3.1 室內(nèi)

譚洪衛(wèi)[9]以日本經(jīng)驗為例向國內(nèi)介紹了CFD模擬在室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用，后經(jīng)潘毅群、袁鳳東等[16－19]對劇場、體育場、地鐵、辦公樓等大型公共場所送風與溫控系統(tǒng)進行模擬驗證，實現(xiàn)推廣。通過對室內(nèi)空間高度與面積關(guān)系[16]、送風口位置與送風方式[20]、民居細部設(shè)計[21]的模擬，歸納提高自然通風效率、室內(nèi)舒適度的方法。CFD模擬也幫助實現(xiàn)醫(yī)療建筑[22－23]、數(shù)據(jù)中心[20]、畜舍[24]、溫室[25]、井窖[26]等對顆粒物擴散、溫度、濕度有特殊要求的室內(nèi)空間微氣候的精確控制。

3.2 建筑

對于單體建筑的CFD模擬可輔助判斷建筑的安全性。研究對超高建筑[27]、大跨度結(jié)構(gòu)[28]、屋蓋[29]等風敏結(jié)構(gòu)的風場進行模擬，為建筑抗風設(shè)計提供指導。通過模擬屋面風致雪漂移模擬[30－31]、立面風驅(qū)雨(WDR)[32]，探索消減自然天氣對建筑結(jié)構(gòu)與材料不良影響的方法。劉建麟等[33]探索了架空層與建筑高度比、風向夾角對人體舒適度的影響。

關(guān)于建筑群的研究，拆解布局要素，以2棟建筑[34]為起點，逐一探索它們對微氣候的影響程度。曾穗平[35]建立20種理想布局探究現(xiàn)代居住區(qū)典型布局下的風熱環(huán)境。楊揚[36]通過改變建筑單一特征探討突變對風場的影響。以傳統(tǒng)民居為模擬對象學習傳統(tǒng)建筑技藝對自然的利用[37－38]，可為歷史建筑的保護和綠色建筑設(shè)計提供參考。

1.2.4 術(shù)后有效咳嗽指導 ①指導患者坐在床上，上身微向前傾，雙手手指交叉橫壓在傷口上，采用橫膈呼吸，口微開，深吸氣，再以兩次短促的呼吸，呼出所有氣體，然后維持嘴微張，快速吸一口氣再用力咳嗽一兩次，把痰液咳出來。②術(shù)后常規(guī)霧化吸入每日2次，持續(xù)1周。每次霧化治療結(jié)束半小時內(nèi)護理人員協(xié)助患者進行拍背咳痰。

3.3 街道

城市道路兩側(cè)因高層建筑密集，易出現(xiàn)“狹管效應(yīng)”與“風漏斗效應(yīng)”[39]，局部空氣流動加快，局部滯留，造成氣流紊亂而導致災害。街道微氣候形成與建筑密度、高度、錯落度，街道高寬比、方向、天空視覺因子、圍合度有關(guān)。研究分別圍繞著這些影響因子與風場[40－41]，熱環(huán)境[42－43]、空氣顆粒物擴散[44－45]的相關(guān)性展開，或雜糅以探索街區(qū)舒適度[46]；部分學者補充研究了建筑立面形式[42、45]、建筑陰影[43]的影響。而歷史街區(qū)具有不同的微氣候特征[47]，因而在保護更新中，通過模擬尋找提高居住和游覽舒適度[48]、提升應(yīng)對突發(fā)天氣能力[49]的方法。也有學者就高架道路與普通道路[44]污染物分布的差異進行了研究。

3.4 植被

在CFD模擬時，植物按實際形狀建模和計算收斂都存在困難。林波榮[50]采用半透明樹木模型解決模型無法反應(yīng)實際輻射情況的問題，在此基礎(chǔ)上進一步驗證了被單株植物遮蔽的下游風場模擬[51]的可靠性。李亮[52]將圓錐形樹冠模型經(jīng)四棱錐、四棱臺轉(zhuǎn)化為長方體，發(fā)現(xiàn)長方體模型模擬收斂性最好，所得情況接近圓錐形模型風洞試驗值。對不同樹種的生理指標(葉片蒸騰速率、葉片表面溫度)[53]、樹冠結(jié)構(gòu)(樹葉當量值、葉面積指數(shù)、孔隙率等)[54－56]的微氣候影響探究也未曾落下。

當綠地面積一定時，內(nèi)部層次結(jié)構(gòu)影響生態(tài)功能的表現(xiàn)[57]。以綠地群落理想模型為對象，灌木對風速的減弱優(yōu)于喬木，喬木的降溫效應(yīng)優(yōu)于灌木[58]；單排、雙排、互植的風場存在差異[59]。以真實的特定場地為模擬對象，喬－灌－草結(jié)構(gòu)降溫、增加濕度、防風效果最顯著[60]。隨著垂直綠化的廣泛應(yīng)用，CFD模擬也幫助評價垂直綠化的生態(tài)效能[61]。

3.5 水體

CFD模擬結(jié)果表明水深對氣溫影響甚微，差值不超過0.03 ℃[62]。面積一定的靜水面，方形產(chǎn)生最佳效果[63]。將布局特征量化為水體面積占比、平均最近鄰體距離比、形狀指數(shù)、位置指數(shù)4個指標，指標對溫度、濕度、舒適度的影響程度一致，但在不同尺度下主導作用卻不同[64－66]。

以城市自然水體為模擬對象，其冷島效應(yīng)為大湖泊＞小湖泊＞河流，形狀復雜的湖泊＞形狀簡單的湖泊[67]。河道寬度影響下風向建筑群內(nèi)的濕度，溫度與距河道的距離成正相關(guān)[68]。張志勤[69]將水珠與空氣的熱交換公式嵌入環(huán)境模擬計算程序，以研究增大噴泉降溫效果的有效措施。

3.6 地形

地形對近地風場有一定的影響。以Askervein小山為例，鄧院昌[70]得到下墊面粗糙度精細化的方法；趙永鋒[71]證明簡化的二維地形模型其模擬結(jié)果可信。山體對風的阻礙作用與來流方向有關(guān)，湖南境內(nèi)山體對夏季風的阻擋作用大于冬季風[72]。地形對風的加速效應(yīng)為埡口＞峽谷＞單個山體，且在山頂處最為明顯；當山體間距小于山體直徑的一半時，近地面風速加速比大于安全規(guī)范[73]。通過對地形的CFD模擬更好地認識到障礙物對近地風場的影響，可為建筑、橋梁、公路等的選址提供幫助。

3.7 城市形態(tài)與景觀格局

城市綠地系統(tǒng)可抽象為點狀、帶狀、放射狀、環(huán)形、楔形5種典型格局。對綠地格局理想模型模擬，在2 m和5 m高度上，楔形格局對城市具有明顯的降溫效應(yīng)，且透風性較高；環(huán)形格局與外界能量交換較少，可用于防風林帶[58、67]。在10 m高度上，帶狀格局對城市具有明顯的降溫效應(yīng)；地表高度上，點狀格局效果最佳[74]。

結(jié)合3S技術(shù)與CAD、Rhino等繪圖建模工具實現(xiàn)對城市尺度的真實環(huán)境模擬。通過結(jié)合SPSS，將模擬數(shù)據(jù)與各城市規(guī)劃參數(shù)進行回歸分析。結(jié)果表明:風速比與綠地水體覆蓋率成正比，與建筑密度、容積率、迎風面密度、城市粗糙元平均長度成反比[75]；熱島強度與建筑密度、容積率成正比，與綠地水體覆蓋率成反比[76]。因此，以上述結(jié)果為理論基礎(chǔ)可以指導城市風道建設(shè)和城市用地布局。

4 討論

1) 關(guān)于實測與理想模型模擬的驗證研究。準確性和可靠性是CFD應(yīng)用的基礎(chǔ)，通過驗證研究比較模擬與實測數(shù)據(jù)是研究歷程前期的關(guān)注點。今日依然有很多學者致力于提高模擬的精度，以克服大中尺度、復雜地形、結(jié)構(gòu)等帶來的困難。同時，為保證落地實踐的可操作性和結(jié)果的可信度，北京[77]、上海[78]相繼出臺模擬標準，規(guī)范參數(shù)設(shè)置與模擬流程。

2) 關(guān)于理想模型模擬研究。CFD模擬為控制單一變量提供了可能。通過對比風洞試驗結(jié)果與實測數(shù)據(jù)，對單一實體模型進行簡化[50]、對布局結(jié)構(gòu)進行抽象[35]，從而形成理想模型。理想模型用于探索單因素與微氣候之間的作用機制及其相關(guān)性和敏感性。真實環(huán)境的模擬常為理想模型的模擬進行校驗。

3) 關(guān)于微氣候、城市環(huán)境要素的耦合研究。隨著研究的進一步深入，各因素與微氣候之間的作用機制成為研究側(cè)重點。研究通過對空氣流動與熱過程的迭代計算，實現(xiàn)風場與熱場的耦合，探索風場與熱輻射的互相影響[79]；利用回歸方程將下墊面形態(tài)與微氣候環(huán)境模擬進行耦合，分析各因素與風[41]、熱環(huán)境[43]的相關(guān)性。將CFD模擬與中尺度天氣預測模式(WRF) 耦合，修正氣象參數(shù)，提高模擬的精確度[80]；與建筑能耗計算耦合用于評價建筑的節(jié)能效果[81]。

4) 關(guān)于城市微氣候優(yōu)化設(shè)計的研究。此類研究是近年來應(yīng)用的熱點[82]。常通過改變城市環(huán)境要素(單一或復合) 預測未來微氣候變化趨勢，或?qū)Ρ确治龆鄠€規(guī)劃方案的污染物擴散、地表溫度模擬結(jié)果，選取最佳設(shè)計方案[83]。此類研究多集中在發(fā)達的一、二線城市。

5) 關(guān)于微氣候評價的研究。此類研究通過CFD模擬得到各高度(多為1.5 m、3 m、5 m、10 m處) 的風場、熱場、顆粒物濃度分布特征。對照風災等級劃分[84]評價環(huán)境的風安全性；結(jié)合風速概率統(tǒng)計、風速比[85]等風舒適度評估法，PMV[86]、PET[87]等熱舒適度評價標準得到舒適度空間分布，從而評價環(huán)境的舒適度。《中國生態(tài)住宅技術(shù)評估手冊》[88]《綠色建筑評價標準(GBT50378－2014) 》[89]《綠色校園評價標準》[90]等相繼出臺填補了我國評價標準的空白。

6) 研究的不足與展望。CFD模擬技術(shù)是探究城市氣候執(zhí)行有效的方法，經(jīng)過近40年的研究，模擬技術(shù)日趨成熟，備受青睞。CFD模擬技術(shù)在設(shè)計階段可以緩解城市氣候問題、驗證結(jié)構(gòu)安全性、規(guī)避風險、節(jié)約能耗，在維護使用階段可以評價微氣候改善與節(jié)約能耗的效果。但研究還存在一定的局限:尚未了解所有對微氣候產(chǎn)生影響的因素，以及它們之間的作用機制與效果，對復雜情況還需要進一步的離析探究；對寒冷地區(qū)熱島效應(yīng)的積極作用、快速城鎮(zhèn)化地區(qū)的微氣候問題、氣候累積效應(yīng)的影響等議題關(guān)注不夠；我國微氣候等級劃分和評價體系亟待完善，微氣候評價尚未作為工程驗收的指標，缺少法律效力和執(zhí)行力度，難以將理論研究與實踐相結(jié)合以指導城市的建設(shè)；未來城市依舊面臨環(huán)境問題和可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)，研究與建設(shè)間的有效連接亟待建立，CFD模擬研究將在此領(lǐng)域不斷擴大它的作用。