基于CFD模擬技術(shù)的城市綠化對(duì)風(fēng)環(huán)境影響研究

劉瑞杰， 閆星宇， 王 鑫

(1.石家莊鐵道大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100055)

2021年，根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局報(bào)道，我國(guó)人口普查城鎮(zhèn)常住人口達(dá)到9.14億人，城鎮(zhèn)化率達(dá)到64.7 %。隨著城市不斷發(fā)展，人口不斷擴(kuò)增，城市建成區(qū)高密度布局態(tài)勢(shì)的出現(xiàn)，導(dǎo)致市區(qū)內(nèi)風(fēng)環(huán)境逐漸復(fù)雜化[1]。風(fēng)環(huán)境是影響城市室外環(huán)境舒適度的重要因素，對(duì)室外環(huán)境熱舒適、顆粒污染物擴(kuò)散、局部熱島效應(yīng)消散等方面起著重要的作用[2]。良好的城市通風(fēng)條件能快速、有效地移除集聚在市中心的建筑排熱及污染物，以及改善室外行人區(qū)的風(fēng)環(huán)境與熱舒適[3]。在三大人居環(huán)境學(xué)科中，風(fēng)環(huán)境研究集中建筑領(lǐng)域，規(guī)劃領(lǐng)域適中，風(fēng)景園林領(lǐng)域較少。目前公園景觀設(shè)計(jì)多著眼于強(qiáng)調(diào)視覺(jué)美化，而對(duì)風(fēng)環(huán)境考慮不足，導(dǎo)致公園風(fēng)環(huán)境舒適度不高，且可能引發(fā)局部惡劣風(fēng)況影響游客身體健康。植物景觀是公園內(nèi)主要的組成部分，通過(guò)調(diào)整植被類(lèi)型及類(lèi)型搭配的手段改善風(fēng)環(huán)境，具有綠色生態(tài)、適應(yīng)性佳、可操作性強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)。

一、風(fēng)環(huán)境研究基礎(chǔ)

在植被優(yōu)化風(fēng)環(huán)境方面，Abhijith等[4]、鐘佳定等[5]、林定等[6]證明了綠化植被能優(yōu)化局部風(fēng)環(huán)境及舒適感。劉濱誼等對(duì)同濟(jì)大學(xué)宿舍區(qū)極端天氣下的人行層風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了研究，通過(guò)優(yōu)化植物布局的策略，改善了場(chǎng)地內(nèi)強(qiáng)風(fēng)區(qū)、渦旋區(qū)、角隅區(qū)等惡劣風(fēng)況現(xiàn)象[7]。王澤發(fā)、劉庭風(fēng)對(duì)泉州8處海絲文化史跡點(diǎn)展開(kāi)了風(fēng)環(huán)境評(píng)估，并通過(guò)植物優(yōu)化的方法改善了場(chǎng)地內(nèi)風(fēng)環(huán)境品質(zhì)[8]。王路佳通過(guò)研究呼和浩特中心商業(yè)區(qū)風(fēng)環(huán)境，發(fā)現(xiàn)路旁植被能減弱行人高度的強(qiáng)風(fēng)速率，合理增加綠化景觀可以提升風(fēng)環(huán)境舒適度[9]。洪波、林波榮研究發(fā)現(xiàn)有綠化的場(chǎng)地風(fēng)環(huán)境優(yōu)于無(wú)綠化場(chǎng)地風(fēng)環(huán)境[10]。

在植被風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬方面，Ohashi利用CFD模擬技術(shù)進(jìn)行三維計(jì)算分析孤植樹(shù)木周?chē)痛┻^(guò)樹(shù)木的氣流影響情況[11]。Zhou等運(yùn)用數(shù)值模擬計(jì)算樹(shù)木防護(hù)林結(jié)構(gòu)相關(guān)的風(fēng)流模式，提出有關(guān)樹(shù)木防護(hù)林設(shè)計(jì)和管理的建議[12]。Endalew等通過(guò)模擬與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式，對(duì)多孔介質(zhì)樹(shù)木模型和高仿樹(shù)木模型冠層的氣流進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了數(shù)值模擬的可靠性[13]。楊易等證明了樹(shù)木模型模擬風(fēng)環(huán)境的有效性[14]。程向明對(duì)樹(shù)木不同間隔距離、空隙率工況下進(jìn)行了風(fēng)環(huán)境模擬研究，結(jié)果顯示植物交錯(cuò)排列時(shí)背風(fēng)區(qū)風(fēng)環(huán)境優(yōu)于平行排列[15]。

二、研究方法

(一)研究方法選取

目前對(duì)于公園風(fēng)環(huán)境的研究主要有3種手段：風(fēng)速儀場(chǎng)地實(shí)測(cè)、風(fēng)洞測(cè)試和CFD數(shù)值模擬。場(chǎng)地實(shí)測(cè)是通過(guò)氣象站、風(fēng)速儀等設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地布點(diǎn)測(cè)量得出風(fēng)速數(shù)據(jù)，出現(xiàn)最早且數(shù)據(jù)最為真實(shí)可靠，但由于測(cè)量周期長(zhǎng)、人力需求多、外界限制因素多等原因，相繼出現(xiàn)了風(fēng)洞測(cè)試和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方式。風(fēng)洞測(cè)試可控性高、準(zhǔn)確度優(yōu)，是建立縮小尺度仿真模型，利用大型風(fēng)機(jī)還原現(xiàn)狀探頭采集數(shù)據(jù)，但設(shè)備費(fèi)用高，維護(hù)管理難度大。CFD數(shù)值模擬測(cè)驗(yàn)是通過(guò)計(jì)算機(jī)建設(shè)實(shí)際模型，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)設(shè)定，參數(shù)選定，再進(jìn)行風(fēng)環(huán)境圖像導(dǎo)出的直觀表達(dá)方式，憑借靈活性強(qiáng)、模擬效率高、實(shí)驗(yàn)成本低、可觀性高的特點(diǎn)逐漸成為風(fēng)環(huán)境研究主流方法。所以本文選用數(shù)值模擬的方式，探索不同植被類(lèi)型和不同植被類(lèi)型搭配下對(duì)人行高度處(1.5 m)風(fēng)速的影響。

(二)模擬軟件選取

段艷文證明了PHOENICS、FLUENT、ENVI-MET三款CFD模擬軟件在景觀植被風(fēng)環(huán)境研究中，都具備風(fēng)環(huán)境指數(shù)模擬的可靠性[16]。但在模型建設(shè)、軟件接連、模擬尺度、網(wǎng)格繪制等方面，F(xiàn)LUENT平臺(tái)實(shí)用性相對(duì)較低；ENVI-MET平臺(tái)支持的網(wǎng)格數(shù)量需在250×250×30以?xún)?nèi)，更適合中小型尺度空間風(fēng)場(chǎng)模擬研究；PHOENICS平臺(tái)可以兼容多種模擬格式，對(duì)模擬空間尺度沒(méi)有限制，內(nèi)置網(wǎng)格編輯快速便捷，軟件間接連性?xún)?yōu)，實(shí)用性高。所以選定PHOENICS為模擬研究平臺(tái)。

(三)模型構(gòu)建

在城市公園中不同類(lèi)型植物單體會(huì)使周?chē)L(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生差異，已有實(shí)驗(yàn)表明，樹(shù)木與大灌木兩種植被類(lèi)型對(duì)1.5 m高度人行空間風(fēng)環(huán)境影響顯著[17]。李亮等對(duì)不同形狀樹(shù)冠進(jìn)行模擬對(duì)比，結(jié)果顯示長(zhǎng)方體樹(shù)冠各項(xiàng)指標(biāo)最佳[18]，所以本文選用長(zhǎng)方體模型模擬。根據(jù)對(duì)石家莊世紀(jì)公園、長(zhǎng)安公園、水上公園內(nèi)植物尺寸調(diào)研，將植物模型劃分為大喬木、中喬木、小喬木和大灌木4類(lèi)，參數(shù)如表1。

表1 植物模型參數(shù)表

(四)模擬參數(shù)設(shè)定

為了保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，模擬參數(shù)根據(jù)《民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》[19]和日本AIJ標(biāo)準(zhǔn)[20]設(shè)定。計(jì)算域邊界統(tǒng)一設(shè)定為x=155 m，y=105 m，z=100 m，計(jì)算域最小網(wǎng)格選用0.1 m×0.1 m×0.1 m正方形網(wǎng)格，模型附近網(wǎng)格加密，邊界外隨之?dāng)U大，網(wǎng)格線過(guò)渡比值為1.2，地面到1.5 m高度處設(shè)6根線。地面粗糙度選用C類(lèi)地面粗糙度α=0.22，PHOENICS運(yùn)算迭代次數(shù)設(shè)定為1 000。在4種植物模型運(yùn)算中湍流模型選用Standard k-ε model，壓力與速度耦合求解方程使用SIMPLEC算法。

三、植物類(lèi)型及配置方式對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響

(一)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

模擬測(cè)點(diǎn)設(shè)置在來(lái)流風(fēng)方向的植物下風(fēng)向遠(yuǎn)2 m距離處，高度選定1.5 m人行層高度，通過(guò)PHOENICS軟件的探針功能對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)速提取，風(fēng)速云圖(見(jiàn)圖1)中白色倒三角頭處為測(cè)點(diǎn)。

圖1 不同植物類(lèi)型單體風(fēng)速圖(大喬木)

(二)不同植物類(lèi)型對(duì)風(fēng)環(huán)境影響

來(lái)流風(fēng)從左方向流入，雖然植物屬于透風(fēng)體，但從圖1中可以明確看出植物對(duì)周?chē)L(fēng)場(chǎng)有著較大影響效果。根據(jù)表2可知，高1.5 m處風(fēng)速衰減效率排序?yàn)椋盒?大灌>中喬>大喬。

表2 不同植物類(lèi)型單體風(fēng)速數(shù)據(jù)表

不同植物類(lèi)型對(duì)周?chē)L(fēng)場(chǎng)的影響面積也存在明顯差異，對(duì)周?chē)L(fēng)場(chǎng)影響面積排序?yàn)椋捍髥?中喬>小喬>大灌。樹(shù)木后面的背風(fēng)區(qū)為主要減速區(qū)，受影響的風(fēng)場(chǎng)面積最大，形成一個(gè)橢圓形，影響長(zhǎng)度約為5個(gè)植物高度的距離。樹(shù)木不僅背風(fēng)區(qū)風(fēng)場(chǎng)受到影響，植物前端迎風(fēng)區(qū)和植物頂部林緣層風(fēng)場(chǎng)氣流也發(fā)生波動(dòng)。植物單體前端的來(lái)流風(fēng)方向迎風(fēng)區(qū)風(fēng)場(chǎng)也產(chǎn)生小面積波動(dòng)影響，但流速變動(dòng)較?。恢参镯敳苛志墝託饬?，受到頂部枝葉阻礙，部分氣流繞過(guò)冠頂產(chǎn)生偏流，對(duì)氣流的影響面積較小，但激流風(fēng)速增強(qiáng)。

(三)兩種植物類(lèi)型搭配對(duì)風(fēng)環(huán)境影響

來(lái)流風(fēng)從左方向流入，從圖2中可明顯看出，兩種不同類(lèi)型植物搭配時(shí)對(duì)周?chē)L(fēng)場(chǎng)影響面積明顯大于孤植。對(duì)周?chē)L(fēng)場(chǎng)影響面積排序?yàn)椋捍髥?中喬>大喬+小喬>大喬+大灌>中喬+小喬>中喬+大灌>小喬+大灌。

由表3可知,兩種植物類(lèi)型搭配模擬測(cè)點(diǎn)風(fēng)速值，1.5 m高度處風(fēng)速衰減效率排序?yàn)椋盒?大灌>中喬+小喬>大喬+小喬>中喬+大灌>大喬+大灌>大喬+中喬。當(dāng)兩種類(lèi)型植物搭配時(shí)有枝下層空間的風(fēng)速普遍要大于沒(méi)有枝下層空間的風(fēng)速。

圖2 兩種植物類(lèi)型搭配風(fēng)速圖(大喬木+中喬木)

表3 兩種植物類(lèi)型搭配風(fēng)速數(shù)據(jù)表

(四)多種植物類(lèi)型搭配對(duì)風(fēng)環(huán)境影響

來(lái)流風(fēng)從左方向流入，3種及以上植物類(lèi)型搭配不僅景觀層次較為豐富，而且阻風(fēng)效果相對(duì)較好(如圖3)，對(duì)周?chē)L(fēng)場(chǎng)影響面積從大到小排序?yàn)椋捍髥?中喬+小喬+大灌>大喬+中喬+小喬>大喬+中喬+大灌>大喬+小喬+大灌>中喬+小喬+大灌。

圖3 多種植物類(lèi)型搭配風(fēng)速圖(大喬+中喬+小喬)

根據(jù)表4可知,多種植物類(lèi)型搭配測(cè)點(diǎn)風(fēng)速值，1.5 m高度處風(fēng)速衰減效率排序?yàn)椋捍髥?中喬+小喬+大灌>中喬+小喬+大灌>大喬+中喬+小喬>大喬+小喬+大灌>大喬+中喬+大灌。

表4 多種植物類(lèi)型搭配風(fēng)速數(shù)據(jù)表

(五)模擬結(jié)果分析

樹(shù)冠層是樹(shù)木主體部分枝葉茂密，也是風(fēng)場(chǎng)變化最為顯著的區(qū)域，通過(guò)枝葉結(jié)構(gòu)阻礙部分氣流穿過(guò)，從而減緩風(fēng)速，樹(shù)木的枝葉面積大小與疏密度高低直接影響阻風(fēng)效果。枝下層只有樹(shù)干沒(méi)有枝葉的阻擋相對(duì)通透，與冠層底部為界限形成樹(shù)下風(fēng)廊，部分來(lái)流風(fēng)繞過(guò)冠層底部從枝下層穿過(guò)，氣壓發(fā)生變化，風(fēng)速隨之增快，枝下層風(fēng)速受枝下層的高度影響，行人會(huì)在高大樹(shù)木的枝下層內(nèi)活動(dòng)，所以高大樹(shù)木枝下層風(fēng)環(huán)境與人體舒適度密切相關(guān)。

植物對(duì)周?chē)L(fēng)場(chǎng)的影響面積與冠層大小呈正相關(guān)關(guān)系。植物對(duì)周?chē)L(fēng)場(chǎng)影響面積大小，由枝葉層面積和枝下層高度所決定，樹(shù)木冠層面積越大，導(dǎo)致周?chē)L(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生影響的面積也就越大，枝下層越低，相反影響面積也會(huì)變多。植物背風(fēng)面會(huì)形成低速流動(dòng)區(qū)，產(chǎn)生風(fēng)渦旋現(xiàn)象，多種植物枝葉層重疊部分和較大類(lèi)型植物組合的氣流回旋效果更加明顯，當(dāng)枝葉層較大，且疏透度較密時(shí)渦旋現(xiàn)象更明顯。

植物冠層是減緩風(fēng)速的主要區(qū)域，當(dāng)枝下層低于人行高度時(shí)，人行層高度風(fēng)速減緩明顯，當(dāng)枝下層高于人行高度時(shí)，人行層風(fēng)速減緩作用較弱，風(fēng)速較大。大喬木、中喬木枝下層高度為3 m和2 m均高于人行層，人行層無(wú)枝葉影響，氣流流動(dòng)通暢，測(cè)試點(diǎn)風(fēng)速較高；而小喬木枝下層高度1 m，受枝葉的阻礙作用強(qiáng)，氣流流動(dòng)減緩，風(fēng)速最低；大灌木高1.5 m，無(wú)枝下層，人行層氣流減緩效果較明顯，風(fēng)速較低。

四、結(jié)論

在規(guī)劃或優(yōu)化設(shè)計(jì)階段，對(duì)城市公園內(nèi)進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬與數(shù)值評(píng)估至關(guān)重要，可提前發(fā)現(xiàn)空間內(nèi)惡劣風(fēng)環(huán)境問(wèn)題，通過(guò)制定相應(yīng)優(yōu)化策略，能夠提高風(fēng)環(huán)境舒適度，且有效避免惡劣風(fēng)況。

在公園景觀廊道空間設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)爻Ｄ觑L(fēng)環(huán)境特點(diǎn)和具體風(fēng)況進(jìn)行植物類(lèi)型及搭配的選擇。在風(fēng)速、風(fēng)頻相對(duì)較低的區(qū)域，植物單體應(yīng)多選用大喬木，植物組合應(yīng)多選用大喬木+中喬木或大喬木+中喬木+大灌木的組合方式提高人行層平均風(fēng)速；在強(qiáng)風(fēng)地區(qū)應(yīng)多選小喬木單體，植物組合應(yīng)選小喬木+大灌木或中喬木+小喬木+大灌木的組合方式降低人行層平均風(fēng)速。