多因素作用下小區(qū)風(fēng)環(huán)境風(fēng)洞試驗研究

沈 煉，韓 艷，唐春朝，袁 濤，楊 瑛，匡希龍

(1. 長沙學(xué)院土木工程學(xué)院，長沙 410022；2. 長沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院，長沙 410076；3. 湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，長沙 410082；4. 湖南省建筑設(shè)計院有限公司，長沙 410012)

現(xiàn)代城市小區(qū)隨著建筑高度與密度的不斷增加，其風(fēng)環(huán)境愈加復(fù)雜，由高聳建筑物排列不當(dāng)引發(fā)的人行高度風(fēng)環(huán)境危害屢見不鮮[1]。目前國內(nèi)外學(xué)者對其展開了大量研究[2-4]，主要研究手段有風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬[5-6]，數(shù)值模擬由于可反映風(fēng)場的分布機(jī)理近年來得到了廣泛應(yīng)用[7-9]，但不足的是模擬過程對計算參數(shù)依賴性強(qiáng)，往往需要用風(fēng)洞試驗進(jìn)行驗證[10]。近年來風(fēng)洞試驗研究隨著試驗設(shè)備與試驗條件的快速發(fā)展，其試驗規(guī)模也實現(xiàn)了由單體建筑模型[11]到小區(qū)模型的過渡[12]。如關(guān)吉平等[3]利用風(fēng)洞試驗對縮尺比為1∶300 的群體建筑風(fēng)環(huán)境干擾效應(yīng)進(jìn)行了研究。金海等[13]對北京某商業(yè)中心風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了風(fēng)洞試驗并對其風(fēng)環(huán)境不舒適區(qū)域提出了改善建議；劉立創(chuàng)[14]也采用1∶300 的縮尺比對高層建筑行人高度風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了風(fēng)洞試驗并定量評估了環(huán)境舒適度。Ricci等[15]則對縮尺比為1∶300 意大利老街道城市邊界層進(jìn)行了試驗分析，獲得了城區(qū)風(fēng)剖面演變規(guī)律。這些風(fēng)洞試驗為日后數(shù)值模擬提供了寶貴借鑒，但不足的是，這些研究采用的風(fēng)洞尺寸一般相對較小，風(fēng)洞壁與建筑模型距離過小會擠壓風(fēng)場引起流場的加速，從而影響試驗結(jié)果。同時，這些試驗?zāi)Ｐ椭荒M了小區(qū)核心位置，并沒考慮小區(qū)外圍建筑的邊界效應(yīng)，加之試驗過程中人行高度風(fēng)速監(jiān)測探頭布點較少，很難精確、全面地捕捉小區(qū)流場信息。為消除周圍建筑對小區(qū)流場的邊界效應(yīng)，Weerasuriya 等[16]考慮周邊建筑影響后利用扭曲來流對香港典型城區(qū)進(jìn)行了1∶400 的縮尺試驗研究，發(fā)現(xiàn)扭曲來流剖面作用下的人行高度平均風(fēng)速相比常規(guī)風(fēng)剖面來流更大；Zhang等[17]利用1∶200 的縮尺試驗對抬高建筑行人高度風(fēng)場進(jìn)行了評估分析；Du 等[18]對香港理工大學(xué)校園建筑進(jìn)行了1∶200 的縮尺風(fēng)洞試驗，驗證了數(shù)值模擬的正確性；Antoniou 等[19]則對緊湊密集城區(qū)進(jìn)行了的風(fēng)洞試驗分析，討論了不同數(shù)值方法與試驗結(jié)果的偏差。這些風(fēng)洞試驗相比無周邊建筑情況其試驗精度有了明顯提升，但由于受到風(fēng)洞尺寸的限制，風(fēng)洞壁對風(fēng)場的邊界效應(yīng)仍未消除[20]。同時這些研究關(guān)注點主要集中在小區(qū)水平、豎向風(fēng)速分布以及風(fēng)環(huán)境評估等方面，對不同因素影響下人行高度風(fēng)場分布規(guī)律及影響機(jī)理的針對性分析仍未涉及。

因此，基于上述研究的不足，本文以長沙通用時代國際社區(qū)為研究背景，利用大尺寸邊界層風(fēng)洞對其風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了全方位，多工況試驗研究，在考慮不同入口來流、風(fēng)速、風(fēng)向角、高聳建筑與植被等因素后獲取了小區(qū)內(nèi)部風(fēng)場的詳細(xì)分布，揭示了人行高度風(fēng)環(huán)境在不同因素影響下的分布規(guī)律，彌補(bǔ)了當(dāng)前試驗研究的不足，相關(guān)結(jié)論可供類似風(fēng)洞試驗研究與實際小區(qū)規(guī)劃借鑒。

1 風(fēng)洞試驗簡介

1.1 研究對象

以長沙市天心區(qū)通用時代小區(qū)為研究對象，該小區(qū)占地200 畝，總規(guī)模近50 萬平方米，位于長沙市中心城區(qū)，小區(qū)北側(cè)為長沙理工大學(xué)，四周為6 層～15 層的居民樓，屬典型居民小區(qū)，對該小區(qū)進(jìn)行研究具有普遍意義。研究過程中，以小區(qū)中心為坐標(biāo)原點，取直徑1200 m 所圍成區(qū)域為試驗對象，試驗對象如圖1 所示。

圖 1 試驗區(qū)域Fig. 1 Domain of the test model

1.2 風(fēng)洞介紹

本試驗在長沙理工大學(xué)風(fēng)工程與風(fēng)環(huán)境研究中心進(jìn)行，風(fēng)洞試驗段尺寸為10.0 m(寬)×3.0 m(高)×21.0 m(長)，轉(zhuǎn)盤直徑為5.0 m，風(fēng)速在1.0 m/s～18.0 m/s 可調(diào)，采用變焦距風(fēng)扇系統(tǒng)，確保低風(fēng)速流場品質(zhì)，建筑模型放置于風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤上，模型直徑為4.8 m，縮尺比為1∶250。其中模型核心區(qū)域采用施工圖建立，外圍建筑模型采用ArcMap 數(shù)據(jù)建立，建成的試驗?zāi)Ｐ腿鐖D2(b)所示，模型阻塞比約為4%，雷諾數(shù)為4.0×105，左、右兩側(cè)均留有2.5 m 空間，較好地避免了試驗過程中風(fēng)洞壁對模型風(fēng)場的擠壓。

圖 3 歐文探針與監(jiān)測點分布Fig. 3 Irwin sensor and monitoring points distribution

圖 2 風(fēng)洞試驗Fig. 2 Wind tunnel test

1.3 風(fēng)速測量裝置

試驗過程中，水平方向(人行高度)風(fēng)速采用歐文(Irwin)探針測量，如圖3(a)所示，對探針頂部和中間凹槽部位測壓，其壓力值分別為P1和P2，根據(jù)歐文探針理論[21]，壓力與風(fēng)速存在如下對應(yīng)關(guān)系：

式中：v為測量風(fēng)速； α 、 β為標(biāo)定系數(shù)。試驗前，以Croba 風(fēng)速儀為參照，對170 組歐文探針進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定系數(shù)均大于0.99，將標(biāo)定后的歐文探針安裝于小區(qū)內(nèi)部。其中，小區(qū)核心區(qū)域探針布置相對較密，外圍區(qū)域探針布置相對較稀，安裝位置如圖3(b)中圓點所示。其中，風(fēng)壓測量采用美國PSI DTC Initium 型的電子壓力掃描閥，采樣頻率350 Hz。

豎直方向風(fēng)速測量采用澳大利亞TFI 公司的Cobra 風(fēng)速探頭，Cobra 能夠同時捕捉x、y、z三向壓力和風(fēng)速時程，采樣頻率為500 Hz。試驗過程中，Cobra 風(fēng)速儀配合二維移測架使用，可方便捕捉所需測點風(fēng)剖面，試驗測量裝置如圖2(b)所示。

1.4 設(shè)計工況

為探究不同因素下小區(qū)風(fēng)環(huán)境的分布規(guī)律，對小區(qū)模型進(jìn)行了多工況試驗研究，模擬了4 m/s、5 m/s、6 m/s、7 m/s、8 m/s、9 m/s 這6 種 不同C 類地貌來流。同時在8 m/s 風(fēng)速下分別對有無高聳建筑(以星宇V 立方為例，該建筑高150 m，占地面積8456 m2)、有無植被等情況進(jìn)行了多工況試驗。試驗過程中，利用歐文探針捕捉人行高度2 m處的風(fēng)速信息，并利用Croba 風(fēng)速儀對典型工況下核心位置風(fēng)剖面進(jìn)行詳細(xì)監(jiān)測，各工況匯總?cè)绫? 所示。

表 1 模擬工況匯總Table 1 Test cases

2 風(fēng)環(huán)境試驗結(jié)果分析

試驗過程中，對照表1 所述工況，分別對不同來流，不同風(fēng)速，鄰近高聳建筑與植被4 種因素作用下的小區(qū)平均風(fēng)場進(jìn)行了深入分析。

試驗過程中的風(fēng)向角定義如圖4 所示，同時，在0°風(fēng)向角作用下，監(jiān)測了1 號、2 號、3 號點的風(fēng)剖面分布，在90°風(fēng)向角作用下監(jiān)測了4 號、5 號、6 號點的風(fēng)剖面分布，在180°風(fēng)向角作用下監(jiān)測了7 號、8 號、9 號點的風(fēng)剖面分布，在270°風(fēng)向角作用下，監(jiān)測了10 號、11 號、12號點的風(fēng)剖面分布，監(jiān)測點位置如圖4 所示。

圖 4 風(fēng)向角示意圖Fig. 4 Wind directions

2.1 不同來流下的小區(qū)風(fēng)場分布

采用均勻流和C 類地貌來流兩種工況分別對小區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行分析。工況CA1 為均勻流，模擬風(fēng)速為8 m/s，工況CA2 為大氣邊界層來流，利用尖劈、粗糙元、橫桿模擬出C 類地貌，試驗縮尺后的梯度風(fēng)參考高度為1.6 m，風(fēng)速為8 m/s，模擬的風(fēng)速剖面和湍流度剖面如圖5 所示。

圖 5 入口邊界條件Fig. 5 Inlet flow boundary

在0°風(fēng)向角作用下，通過對人行高度風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測，獲取了不同入口來流下各點的實時風(fēng)速，風(fēng)速采集時間為1 min，其無量綱風(fēng)速分布如圖6 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，不同來流作用下的無量綱平均風(fēng)速整體上趨勢一致，如CA1、CA2兩種工況在東南角平均風(fēng)速相對較大，而在東北角相對較小。對局部進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)平均風(fēng)速仍存在一定偏差。將兩種來流下的無量綱風(fēng)速進(jìn)行對比，如圖7 所示。為定量獲取兩種來流下小區(qū)風(fēng)剖面與湍流度剖面的分布差異，對180°風(fēng)向角工況進(jìn)行分析，(180°風(fēng)向角流場跨過建筑物距離最長，流場發(fā)展相對更為充分)，通過監(jiān)測離模型邊緣800 m 位置的7 號、8 號點(見圖4)，得到的風(fēng)剖面與湍流度剖面分布如圖8 和圖9 所示。

圖 6 不同入口來流作用下小區(qū)風(fēng)場云圖Fig. 6 Velocity contour under different inflow

圖 7 不同入口來流下的平均風(fēng)速對比Fig. 7 Comparison of velocity under different inflow

圖 8 7 號、8 號點風(fēng)剖面 (180°)Fig. 8 Wind profile of points 7 and 8 (180°)

圖 9 7 號、8 號點湍流度剖面Fig. 9 Turbulence intensity profile of points 7 and 8 (180°)

從圖8 中可以發(fā)現(xiàn)兩種工況作用下 7 號、8 號點的風(fēng)剖面吻合較好，說明周邊建筑模型增大了地表粗糙度，通過800 m 的粗糙距離，產(chǎn)生了與C 類風(fēng)場較為一致的平均風(fēng)場。但從圖9 中發(fā)現(xiàn)，兩種工況的湍流度剖面還相差較大，特別是在1 m 高度以下，C 類地貌來流作用下的小區(qū)內(nèi)部湍流度要明顯大于平均來流，說明800 m 的地表建筑距離還不能產(chǎn)生與C 類地表較為一致的湍流效應(yīng)。

2.2 不同風(fēng)速下的小區(qū)風(fēng)場分布

為獲取不同風(fēng)速下小區(qū)內(nèi)部流場分布機(jī)理，對6 種(4 m/s、5 m/s、6 m/s、7 m/s、8 m/s、9 m/s)C 類地貌來流作用下的小區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了詳細(xì)分析。引入風(fēng)速偏差均方根系數(shù)后對相鄰風(fēng)速作用下的無量綱風(fēng)速進(jìn)行兩兩對比，如圖10 所示。其中，偏差均方根系數(shù)可表示為：

從圖10 可以發(fā)現(xiàn)，隨著風(fēng)速的增加風(fēng)場均方根系數(shù)逐漸較小，如4 m/s 與5 m/s 來流作用下的風(fēng)速偏差均方根系數(shù)為0.185，7 m/s、8 m/s 風(fēng)速，8 m/s、9 m/s 來流風(fēng)速作用下的RMSE分別為0.075和0.074，說明了流場在低風(fēng)速作用下波動較大，而在高風(fēng)速作用下趨于穩(wěn)定。其主要原因是低風(fēng)速時測壓管測到的壓力本身很小，測量數(shù)據(jù)離散程度高，而高風(fēng)速測量數(shù)據(jù)離散程度低，同時高風(fēng)速具有相對更高的雷諾數(shù)，因此建議采用相對較高的風(fēng)速(7 m/s)進(jìn)行風(fēng)洞試驗。

圖 10 不同風(fēng)速作用下風(fēng)速對比圖Fig. 10 Comparison of mean velocity under different inlet velocity

圖 11 不同風(fēng)速作用下人行高度速度云圖Fig. 11 Velocity contour under different inlet velocity

進(jìn)一步，對4 m/s、7 m/s、9 m/s 三種風(fēng)速作用下的人行高度風(fēng)速進(jìn)行批量分析，得到的小區(qū)速度云圖如圖11 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，4 m/s與7 m/s 來流作用下的風(fēng)速云圖存在一些差異，但7 m/s 與9 m/s 來流作用下的風(fēng)速云圖吻合較好。因此再次驗證了高風(fēng)速下小區(qū)內(nèi)部流場分布受入口來流風(fēng)速影響較小，對小區(qū)風(fēng)環(huán)境評估可采取較高風(fēng)速作用下的無量綱風(fēng)速分布。

2.3 鄰近高聳建筑對小區(qū)風(fēng)環(huán)境影響

為分析鄰近高聳建筑對小區(qū)風(fēng)環(huán)境的影響，以通用時代小區(qū)北側(cè)20 m 的“星宇V 立方”為研究對象，該建筑屬典型高聳建筑。試驗過程中，對4 組風(fēng)向角作用下(0°、90°、180°、270°)有無高聳建筑時小區(qū)內(nèi)部風(fēng)場進(jìn)行了詳細(xì)分析，獲取的人行高度風(fēng)場分布如圖12 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在V 立方附近，CD1(無V 立方)與CD2(有V 立方)兩種工況作用下小區(qū)內(nèi)部風(fēng)場出現(xiàn)了較大波動，而在遠(yuǎn)離V 立方區(qū)域，風(fēng)場變化很小。整體而言，在有V 立方時，其附近產(chǎn)生了明顯的加速作用。

圖 12 不同風(fēng)向作用下小區(qū)人行高度風(fēng)場分布云圖Fig. 12 Velocity contour under different wind directions

圖 13 高聳建筑影響下的風(fēng)剖面分布 /mFig. 13 Wind profile distribution under the influence of high-rise buildings

不同工況下監(jiān)測點風(fēng)剖面分布如圖13 所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)來流風(fēng)向角為0°時，由于小區(qū)建筑物的阻擋作用，1 號、2 號點在低于0.5 m高度處風(fēng)速較小，1 號測點位于V 立方的正后側(cè)，相比無V 立方情況，風(fēng)速偏小，說明建筑物對風(fēng)場產(chǎn)生了較大拖曳作用。2 號點在0.7 倍高度處風(fēng)速有細(xì)微波動，3 號點風(fēng)速則無明顯變化，說明在0°風(fēng)向角下，V 立方對正后方風(fēng)場的影響較大，且影響程度隨著距離的增加而減小。當(dāng)來流風(fēng)向角為90°時，4 號點位于V 立方后側(cè)，風(fēng)速出現(xiàn)了明顯的減速作用，5 號點風(fēng)速出現(xiàn)了細(xì)微波動，6 號點風(fēng)速則無明顯變化。當(dāng)來流為180°時，V 立方在小區(qū)后側(cè)，風(fēng)速相比無V 立方情況無明顯變化。當(dāng)來流為270°時，12 號點位于高聳建筑與小區(qū)樓棟的廊道中，風(fēng)速具有明顯的加速效應(yīng)，距12 號點120 m 位置的10 號點風(fēng)速則無明顯變化。通過對風(fēng)剖面影響距離進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)鄰近建筑對小區(qū)風(fēng)場的影響范圍與來流風(fēng)向密切相關(guān)。當(dāng)高聳建筑物在小區(qū)前方，建筑物會對風(fēng)場產(chǎn)生明顯拖曳作用，如果該建筑與附近高樓形成了廊道，會產(chǎn)生較大的廊道效應(yīng)。因此，高聳建筑設(shè)計時需考慮風(fēng)向與建筑形態(tài)耦合作用給風(fēng)環(huán)境帶來的不良影響。

同時，對大廈周圍300 m 區(qū)域范圍內(nèi)有無V 立方的小區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了詳細(xì)對比分析，如圖14所示。圖中不同顏色表示不同區(qū)域范圍的測點，其中，方點兒、圓點兒、三角點兒分別代表0 m～100 m、100 m～200 m、200 m～300 m 區(qū)域范圍。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在V 立方附近100 m 內(nèi)區(qū)域多處出現(xiàn)了加速效應(yīng)。對圖中三種不同距離散點圖進(jìn)行線性擬合，發(fā)現(xiàn)100 m、200 m 和300 m 范圍內(nèi)的擬合值分別為0.75、0.94 和0.98，說明高聳建筑對小區(qū)100 m、200 m 和300 m 范圍內(nèi)平均風(fēng)速造成了25%、6%和2%的加速作用，其加速效應(yīng)隨著距離的增大而減小。

圖 14 有無高聳建筑作用下風(fēng)速對比圖Fig. 14 Comparison of the wind velocity under the influence of high-rise buildings

2.4 植被對小區(qū)風(fēng)環(huán)境影響

為分析地表植被對小區(qū)風(fēng)環(huán)境的影響，對小區(qū)核心位置進(jìn)行了3 種不同尺寸植被試驗，植被尺寸分別為4 cm×3 cm、3 cm×2 cm、2 cm×1 cm，對應(yīng)的實際高度分別為10 m、7.5 m 和5 m，植被模型如圖15 所示。

圖 15 不同尺寸植被作用下風(fēng)洞試驗 /cmFig. 15 Wind tunnel test with different vegetations

同樣，在C 類地貌參考高度為8 m/s 風(fēng)速條件下獲取了CE1(大樹)、CE2(中樹)和CE3(小樹)三種工況作用下的小區(qū)詳細(xì)風(fēng)場分布，對監(jiān)測點風(fēng)速取平均發(fā)現(xiàn)無植被工況平均風(fēng)速為1.96 m/s，小樹作用下風(fēng)速平均值為1.80 m/s，中樹作用下為1.73 m/s，而大樹作用下為1.67 m/s。說明了植被對小區(qū)平均風(fēng)速起到了拖曳作用，且拖曳作用隨著植被的體形增大而增大，將三種工況測點無量綱風(fēng)速與無植被工況進(jìn)行對比，如圖16 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加植被后大部分監(jiān)測點風(fēng)速要小于無植被情況，與無植被工況相比，大、中、小三種植被下的風(fēng)速擬合系數(shù)分別為0.872、0.894、0.928，說明三種植被作用下人行高度平均風(fēng)速分別減小了12.8%、10.6%和7.2%。

圖 16 不同尺寸植被作用下平均風(fēng)速對比Fig. 16 Comparison of mean wind speed with different vegetations

3 結(jié)論

基于大尺寸風(fēng)洞對通用時代小區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了全方位、多工況試驗研究，在考慮不同來流、不同風(fēng)速，有無高聳建筑與植被后獲取了小區(qū)內(nèi)部流場的詳細(xì)分布，總結(jié)了各因素對小區(qū)流場的影響，得到了以下研究結(jié)論：

(1)憑借大尺寸風(fēng)洞與大比例模型試驗，較好的消除了風(fēng)洞壁與外圍建筑的邊界效應(yīng)，并利用大量布設(shè)測點的方法獲取了小區(qū)內(nèi)部流場的詳盡分布。

(2)揭示了均勻來流與C 類地貌來流作用下小區(qū)平均風(fēng)速的分布規(guī)律析，發(fā)現(xiàn)了兩種工況下小區(qū)平均風(fēng)場整體分布一致，但局部位置仍存在一定差異。通過800 m 的地表建筑距離可產(chǎn)生與C 類地表較為一致的平均風(fēng)剖面，但湍流度剖面與C 類地表還存在較大差異。

(3)定量獲取了風(fēng)速與流場的分布關(guān)系，研究顯示，低風(fēng)速來流下小區(qū)無量綱風(fēng)速具有較大波動，但來流風(fēng)速大于7 m/s 時，流場的無量綱風(fēng)速分布不隨風(fēng)速大小的變化而變化。

(4)闡明了鄰近高聳建筑對小區(qū)內(nèi)部風(fēng)環(huán)境的影響規(guī)律，鄰近建筑對小區(qū)風(fēng)場的影響距離與建筑形態(tài)密切相關(guān)，需盡量避免盛行風(fēng)速與建筑形態(tài)耦合作用下引起的風(fēng)環(huán)境不舒適，高聳建筑會給其周圍風(fēng)場造成加速效應(yīng)，且加速效應(yīng)隨著距離的增加而減小。

(5)展示了植被對小區(qū)風(fēng)場的拖曳作用，其拖曳作用與植被大小成正比關(guān)系，對通用時代小區(qū)而言，大、中、小3 種植被作用下人行高度平均風(fēng)速分別減小了12.8%、10.6%和7.2%。