熱壓作用下街區(qū)峽谷內(nèi)通風(fēng)模擬

趙福云 劉寶 成瑾 黃志榮 文雅冰 唐宇飛

湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署統(tǒng)計(jì)，在全球范圍內(nèi)，每年室外空氣污染可導(dǎo)致420 萬人過早死亡，暴露于受污染的空氣幾乎無法逃脫，據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，十分之九的人呼吸的空氣超過了安全限制，城市空氣質(zhì)量問題不容忽視。在晴朗無風(fēng)的天氣，往往會形成城市熱島的存在，此時，由于缺乏來流風(fēng)的影響，城市表面形成的熱浮升力成為清除城市內(nèi)熱和污染物的主要動力。Yifan Fan[1]研究了浮力驅(qū)動下的城市大氣環(huán)流，表明從周邊農(nóng)村地區(qū)的低水平空氣可以改善城市通風(fēng)并降低城市污染物濃度。Lina Yang[2]測量了無風(fēng)狀態(tài)下香港地區(qū)山坡與城市建筑之間因?yàn)闊釋α饕鸬耐L(fēng)，發(fā)現(xiàn)由建筑產(chǎn)生的熱浮升力在城市通風(fēng)潛力中尤為重要。以往的城市通風(fēng)文獻(xiàn)中，幾個因素被確認(rèn)為在城市街道通風(fēng)中影響很大，其中街道縱橫比是已被證明的最重要的因素之一，特別是在二維街道峽谷中，不同的街道縱橫比將流場分成了四個不同的區(qū)域[3-5]。其他的影響因素還包括城市填充密度[6]，建筑形態(tài)[7]等。但是此類文獻(xiàn)大多數(shù)是在有風(fēng)的情況下進(jìn)行的，單純就熱壓情況下對城市街區(qū)研究很少，本文以熱壓為基礎(chǔ)，研究了不同建筑群大小及不同高寬比因素對街區(qū)通風(fēng)的情況。

1 三維街區(qū)CFD 模型

1.1 物理模型

本次研究的對象是街區(qū)建筑之間的通風(fēng)情況，考慮到現(xiàn)實(shí)中建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且對研究對象影響較小，于是將街區(qū)中的建筑簡化成長寬高均為H，街道寬度為W，街道縱橫比為H/W，如圖1 所示，本次研究的街區(qū)建筑數(shù)量為M2，M取值為2 到6，對于計(jì)算域的設(shè)定，Gan G[8]比較了原本物理尺寸的計(jì)算域和擴(kuò)展后的計(jì)算域得出的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)自然通風(fēng)通風(fēng)率和壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)有很大的區(qū)別，計(jì)算域擴(kuò)展后的計(jì)算結(jié)果更貼近實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，本文模擬也選取擴(kuò)展計(jì)算域的方法，其中L=22H。對于邊界條件設(shè)定，頂部選取symmetry 條件，側(cè)邊選取pressure-outlet 條件，建筑群和街道采取恒溫且與周圍空氣溫度相差10 K。

圖1 CFD 模型及計(jì)算域

1.2 網(wǎng)格及模型驗(yàn)證

利用ICEM 軟件進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分，為了減少誤差采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對建筑壁面及街道地面進(jìn)行網(wǎng)格加密，第一層網(wǎng)格設(shè)為0.05，網(wǎng)格膨脹因子為1.2，保證了30≤Y+≤150。為了驗(yàn)證本模型的正確性，本文采取對照實(shí)驗(yàn)的方式選取了Pham[9]等人利用三維粒子測量技術(shù)測量熱羽流的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖2 所示，對照數(shù)據(jù)采集的是熱源上方豎直方向速度與最大速度之比，可以看出，數(shù)據(jù)吻合較好。本文比較感興趣的是街區(qū)峽谷內(nèi)空氣質(zhì)量，所以選擇在街區(qū)內(nèi)進(jìn)行增加/減少網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，取街區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)為30×30 為基礎(chǔ)網(wǎng)格，并增加1.5 倍、減少1.5 倍制定fine、coarse 兩種網(wǎng)格密度，取街區(qū)中心位置Z 方向速度進(jìn)行比較，如圖3 所示，在z 方向上，basic 網(wǎng)格與fine 網(wǎng)格產(chǎn)生的速度變化已不大，即basic 網(wǎng)格已基本滿足要求。

圖2 模型驗(yàn)證

圖3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

1.3 求解步驟

數(shù)值仿真采用Anasys 19.0 中的fluent 作為求解器，利用壓力基求解器求解連續(xù)性方程，動量及能量方程。本模型的Gr 大于2×1010已經(jīng)處于湍流狀態(tài)，RNGk-e模型對于湍流處理精度較高且提高了湍流漩渦的可信度，故選用此模型對模型進(jìn)行求解。采用coupled算法進(jìn)行迭代計(jì)算求解，能量殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為10-6，其他的殘差變量均設(shè)為10-3。

2 結(jié)果分析

2.1 單個街區(qū)內(nèi)溫度及速度分析

本次結(jié)果取M=5 時的街區(qū)進(jìn)行分析，建筑模型邊長H設(shè)為30 m，街道寬度W設(shè)為30 米，街道縱橫比為1。為便于數(shù)據(jù)對比，對溫度和速度進(jìn)行了無量綱化處理，過程如下：

式中：Tm是平均無量綱溫度，Tc是環(huán)境溫度，Tw是建筑表面溫度。

式中：Um是平均無量綱速度，u，v，w分別是速度沿X，Y，Z 軸方向的速度分量，Vmax取街區(qū)峽谷冠層平面速度最大值。

如圖4 所示為所有街區(qū)峽谷的平均無量綱溫度和平均無量綱速度分布，從圖4a 可以看出建筑壁面熱流對峽谷內(nèi)的空氣溫度有明顯的影響，從建筑群邊緣往中心的方向上，溫度在不斷增加，說明收斂流對建筑邊緣街區(qū)峽谷內(nèi)降溫較為明顯，但是在中心位置確是會抑制熱量的散發(fā)，建筑群中心街區(qū)峽谷出現(xiàn)了較大的溫升。相較于溫度變化，平均無量綱速度變化則較為平緩，整體上是朝著街區(qū)邊緣峽谷逐漸減少的趨勢（圖4b）。

圖4 單個街區(qū)峽谷內(nèi)平均無量綱溫度與速度

2.2 不同街區(qū)的溫度及速度分析

本部分主要研究的不同街區(qū)大小對街區(qū)峽谷內(nèi)的溫度及速度的影響，街區(qū)大小M的變化范圍是2 到6。圖5 給出了不同街區(qū)行人層（Z=2 m）無量綱溫度分布，云圖中的溫度分布表明了隨著街區(qū)的增大，街區(qū)中心峽谷內(nèi)溫升越來越明顯，而街區(qū)邊緣峽谷內(nèi)溫升較小，主要原因是收斂流產(chǎn)生的降溫效果且隨著建筑群的增大降溫效果更加明顯。從圖6a（圖中右上角標(biāo)注區(qū)域?yàn)樗x街區(qū)峽谷）中可以看出，隨著街區(qū)的增大，總體的平均無量綱溫度隨之增加，且街區(qū)邊緣峽谷內(nèi)溫升較小，在街區(qū)中心峽谷內(nèi)溫升較大，最大處溫升達(dá)到0.65 ℃。平均無量綱速度整體趨勢也是隨著街區(qū)的增大而變大，從街區(qū)邊緣往中心的方向上，平均無量綱速度不斷增加，在街區(qū)中心峽谷內(nèi)卻出現(xiàn)了減小的情況。造成此種結(jié)果的原因是由于壓差使周圍的收斂流空氣不斷加速，故氣流速度不斷增大，但是在街區(qū)中心峽谷內(nèi)方向相反的兩股氣流會出現(xiàn)抑制作用（圖6b）。

圖5 不同街區(qū)行人層無量綱溫度分布

圖6 不同街區(qū)峽谷內(nèi)平均無量綱溫度與速度

2.3 不同街道縱橫比下的溫度及速度分析

為了模擬案例具有對比性，本部分模型保持街道寬度W=30 m 不變，通過改變建筑高度H（分別取0.5H、1.0H、1.5H、2.0H）來探究不同街道縱橫比對街區(qū)峽谷內(nèi)的平均無量綱溫度及速度的影響。如圖7a 所示，在溫度分布上，隨著街道縱橫比的增加，平均無量綱溫度也隨之增加，街區(qū)邊緣峽谷內(nèi)溫差變化很小，街區(qū)中心峽谷內(nèi)溫差變化較大，最大處約為0.7 ℃，相較于上一部分增加建筑群數(shù)量來講，增大街道縱橫比會讓街區(qū)中心峽谷內(nèi)的溫升趨勢變化更加明顯。在速度分布上，平均無量綱速度整體上隨著街道縱橫比的增大而增加。（圖7b）。

圖7 不同街道縱橫比街區(qū)峽谷內(nèi)平均無量綱溫度與速度

3 街區(qū)峽谷通風(fēng)質(zhì)量評價

3.1 三維街區(qū)峽谷換氣率定義

本文評估的街區(qū)通風(fēng)質(zhì)量的指標(biāo)是街區(qū)通風(fēng)面上的空氣交換率（ACH）[10]，空氣交換率的概念表示在街區(qū)峽谷的通風(fēng)面上每單位時間的體積空氣交換，通過分析不同通風(fēng)面的空氣交換率以評估街區(qū)峽谷內(nèi)的空氣品質(zhì)。與二維街區(qū)通風(fēng)只能依靠街區(qū)頂部開口不同，三維街區(qū)多出了側(cè)邊通風(fēng)面，為了研究其中具體的規(guī)律，相應(yīng)的通風(fēng)面定義如下[11]（圖8）：

圖8 計(jì)算域和一個子組

1）建筑之間的部分稱為建筑峽谷Building Canyon（BC），中間十字街道的部分稱為街道峽谷Street Canyon（SC）。

2）建筑峽谷部分側(cè)邊通風(fēng)面分別為V-N 和V-S，頂部通風(fēng)面為H-BC。

關(guān)于建筑峽谷的換氣率可以考慮為頂部通風(fēng)面空氣交換率加上側(cè)邊通風(fēng)面空氣交換率之和，表達(dá)式如下所示：

通風(fēng)面上的空氣交換率可分為兩部分，分別是平均風(fēng)引起的換氣率為與湍流脈動速度引起的換氣率ACH'，其中頂部通風(fēng)面的由平均風(fēng)導(dǎo)致的換氣率計(jì)算式如下：

由湍流脈動導(dǎo)致的換氣率計(jì)算式如下：

式中：k是湍流動能，vt是湍流運(yùn)動粘度。

頂部通風(fēng)面的換氣率則為：

三維街區(qū)峽谷側(cè)邊通風(fēng)換氣率與頂部通風(fēng)面換氣率計(jì)算過程類似。

3.2 三維街區(qū)峽谷內(nèi)換氣率討論

本部分主要從兩個方面進(jìn)行展開，一方面討論了單個街區(qū)中頂部面和側(cè)面空氣交換率的規(guī)律，另一方面討論了不同街區(qū)大小及不同街道縱橫比下街區(qū)峽谷內(nèi)的通風(fēng)狀況。為了便于比較，引進(jìn)一個參考流量通量Qref=Uref×A，其中Uref取建筑高度的最大速度，A是通風(fēng)面的面積，通過歸一化處理，則可以得到一個新的ACH*=ACH/Qref。

如圖9 所示，由于整個街區(qū)是對稱的，所以選擇圖中標(biāo)注區(qū)域部分進(jìn)行研究，主要探討街區(qū)中心到邊緣部分換氣率的影響。從圖10 可以看出，街區(qū)峽谷頂部通風(fēng)面上由于湍流脈動引起的換氣率相較于平均流引起的換氣率普遍較小，而且在街區(qū)中心部分差距愈加明顯，主要是因?yàn)闊釅鹤饔孟?，中心熱量較大，造成了由街區(qū)周圍向中心的收斂流，最后從街區(qū)中心峽谷頂部通風(fēng)面流向上空。從街區(qū)邊緣朝中心的方向上，無論是湍流脈動或者是平均流引起的換氣率都有增大的趨勢且街區(qū)中心位置上平均流引起的換氣率變化較為明顯。圖11 主要是研究側(cè)邊通風(fēng)面換氣率的變化規(guī)律，主要可以將街區(qū)峽谷分為兩個部分，分別是建筑峽谷（BC）和街道峽谷（SC），可以看出不管是湍流脈動或是平均流引起的換氣率，街道峽谷（SC）的總是要比建筑峽谷（BC）的要高，主要原因是街道峽谷相較于建筑峽谷多出了兩個通風(fēng)面。另外由平均流引起的換氣率在街區(qū)邊緣峽谷內(nèi)較高，而在街區(qū)中心區(qū)域較低，而由湍流脈動引起的換氣率則展現(xiàn)相反的趨勢。

圖9 街區(qū)峽谷示意圖

圖10 街區(qū)峽谷頂部換氣率隨街區(qū)峽谷位置的變化規(guī)律

圖11 街區(qū)峽谷側(cè)邊換氣率隨街區(qū)峽谷位置的變化規(guī)律

整體來看，不管是街區(qū)峽谷頂部通風(fēng)面還是側(cè)邊通風(fēng)面，由湍流脈動引起的換氣率總是低于平均流，并且在街區(qū)邊緣峽谷內(nèi)，側(cè)邊通風(fēng)面的換氣率占主導(dǎo)，而在街區(qū)中心峽谷內(nèi)則是頂部通風(fēng)面換氣率占主導(dǎo)。在街區(qū)邊緣峽谷朝中心峽谷的方向山，總體的換氣率不斷降低，即中心街區(qū)峽谷內(nèi)空氣質(zhì)量比較差。

對于不同街區(qū)大小和不同街道縱橫比情況下的換氣率研究，本部分取街區(qū)中心位置換氣率進(jìn)行計(jì)算。圖12a 展示了不同建筑群情況下的換氣率，隨著街區(qū)不斷增大，換氣率也隨之增加，在街區(qū)內(nèi)建筑達(dá)到M=4 后，換氣率變化逐漸趨于平緩。圖12b 展示了不同街道縱橫比下街區(qū)峽谷換氣率變化，隨著街道縱橫比的增大，換氣率隨之變大，但是其變化率隨著街道縱橫比增大逐漸趨于平緩?？梢钥闯霾还苁窃黾咏ㄖ簲?shù)量還是增加街道縱橫比，都可以改善街區(qū)峽谷內(nèi)空氣質(zhì)量的效果，但是其改善效果隨著建筑群數(shù)量或街道縱橫比的增加變得越來越差。

圖12 街區(qū)中心位置峽谷內(nèi)換氣率的變化規(guī)律

4 結(jié)論

1）不管是單個建筑群還是不同建筑群，其中心位置峽谷內(nèi)的溫升較為明顯，邊緣溫升無明顯變化，說明由于壓差驅(qū)動的收斂流對建筑群邊緣降溫較為明顯，但是在街區(qū)中心峽谷部分卻是對熱擴(kuò)散起到了抑制的作用。并且隨著建筑群的不斷增大或是街道縱橫比的增加，其中心街區(qū)峽谷溫升也是越來越高，最大可達(dá)到0.7 ℃。對于建筑群內(nèi)的速度分布，主要是從邊緣部分到中心的部分不斷增大，但是在中心峽谷內(nèi)卻又開始減小。隨著建筑群的不斷增多或街道縱橫比的增加，其整體平均無量綱速度也是在不斷變大。

2）本文評價街區(qū)峽谷內(nèi)通風(fēng)質(zhì)量的參數(shù)是換氣率。首先分析單個建筑群的情況，整體上街區(qū)峽谷內(nèi)的通風(fēng)情況依靠的是平均流驅(qū)動的通風(fēng)，并且街區(qū)中心峽谷換氣率主要是由頂部通風(fēng)面占主導(dǎo)，而街區(qū)邊緣部分峽谷換氣率主要是由側(cè)邊通風(fēng)面占主導(dǎo)，而且在街區(qū)邊緣朝中心的方向上，總的換氣率是不斷降低的，這也說明了街區(qū)中心位置空氣質(zhì)量較差。其次是在不同建筑群或不同街道縱橫比的情況下，隨著建筑群的不斷增多或是街道縱橫比逐漸增大，可以改善街區(qū)峽谷通風(fēng)質(zhì)量，但是其改善效果卻是越來越差。