建筑底層架空對行人高度處風(fēng)環(huán)境及污染物擴(kuò)散影響的數(shù)值模擬

關(guān)鍵詞：底層架空；行人高度；風(fēng)環(huán)境；污染物；數(shù)值模擬

在千變?nèi)f化的城市建筑形態(tài)設(shè)計中，底層架空設(shè)計逐漸受到人們的重視和青睞。由于架空層的半開放公共空間能起到良好的局部遮陽和避雨作用，居民可不受天氣情況約束在此進(jìn)行戶外活動。另外，架空設(shè)計能減小地面附近空氣流通的阻力，這會導(dǎo)致城市微氣候環(huán)境的改變，尤其有助于改善行人高度處的風(fēng)環(huán)境與地面附近污染物的擴(kuò)散［1–5］。因此，架空設(shè)計對提高居民的生活品質(zhì)、改善建筑外的空氣質(zhì)量以及建設(shè)宜居城市有重要的現(xiàn)實意義。

目前，對架空建筑周圍風(fēng)環(huán)境的研究主要采用風(fēng)洞試驗法和數(shù)值模擬法。文獻(xiàn)[6–7]以高層建筑為研究對象，在風(fēng)洞內(nèi)分別測量了單體建筑、單排建筑以及帶有裙房的單排建筑模型周圍的行人高度處風(fēng)速，并分析和討論了建筑高、寬和裙房等因素對風(fēng)速的影響。文獻(xiàn)[8]的風(fēng)洞試驗研究表明，相比于架空層柱體的斷面尺寸，架空層高度是影響行人高度處風(fēng)速的主要因素。

由于數(shù)值模擬法的低成本和短周期優(yōu)勢，許多研究者采用該方法探討架空設(shè)計對建筑周圍微氣候環(huán)境的影響。文獻(xiàn)[1]首先實地測量了重慶市某住宅小區(qū)夏季時的周邊風(fēng)速情況，并將其作為數(shù)值模擬的邊界條件，再選用RNGk?ε紊流模型考察了架空層面積占比和架空區(qū)域位于建筑中間或端部時對小區(qū)行人高度處風(fēng)舒適度的影響。文獻(xiàn)[2]以單棟高層建筑和上、下游布置的2棟高層建筑為研究對象，利用realizablek?ε紊流模型模擬并分析了建筑高度和上游建筑對架空建筑周圍的風(fēng)舒適度與熱舒適度的影響。文獻(xiàn)[4，9?10]考察了架空設(shè)計對不同高寬比街道峽谷內(nèi)風(fēng)環(huán)境的影響。

在討論架空設(shè)計對建筑群的風(fēng)環(huán)境影響時，已有的研究大多假定所有建筑均為架空設(shè)計[1，11?12]，然而，實際建筑群往往是部分采用架空設(shè)計，因此，本文選用數(shù)值模擬的方法，在規(guī)則建筑群中，考察不同位置的建筑架空設(shè)計對行人高度處風(fēng)環(huán)境的影響，同時分析該風(fēng)場對地面污染物擴(kuò)散的影響程度。本文的研究可為建筑群的規(guī)劃與建筑架空的設(shè)計提供理論依據(jù)和參考。

1建筑群模型和計算設(shè)置

本文選取住宅類建筑群為研究對象，每個單體建筑外形相同，各建筑長L=60m，寬W=15m，高H=30m，共計4排8列，建筑間距D為15m，建筑群模型如圖1所示。圖1中研究區(qū)域的建筑考慮底層架空設(shè)計且架空高度為3.5m，架空層內(nèi)的支撐柱體斷面為0.5m×0.5m。圖中的污染源為地面交通面源，污染物為CO，污染物以0.04m·s?1的速度從路面均勻向上發(fā)散[13]。因建筑布排、計算域的設(shè)置和流動情況呈對稱性，因此，本文取沿來流方向的對稱面的一半進(jìn)行數(shù)值模擬，計算域設(shè)置如圖2所示，圖中的坐標(biāo)系原點位于地面，z軸沿建筑高度方向，計算域頂部距離地面5H。本文參考文獻(xiàn)[6]將計算域進(jìn)口來流速度u設(shè)為：u/Ur=（z/H）0.15，Ur為5m·s?1，進(jìn)口紊流強(qiáng)度參考文獻(xiàn)[14]設(shè)置，其余地面和建筑表面均設(shè)為無滑移壁面，計算域出口為出流條件。

為研究不同位置的底層架空設(shè)計對其周圍風(fēng)場和濃度場的影響，本文設(shè)計了6種工況，分別命名為R000、R100、R010、R001、R110和R111，其中R表示住宅建筑群，R后的數(shù)字依次表示沿來流方向上研究區(qū)域內(nèi)建筑的架空設(shè)計情況，0表示底層無架空，1表示底層有架空。圖3為研究區(qū)域建筑的不同架空設(shè)計。

本文各工況的網(wǎng)格劃分采用ICEM商用軟件完成，由于建筑均為規(guī)則長方體形狀，因此，計算域離散采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的形式。為獲得網(wǎng)格獨立解，本文選用3種疏密度的網(wǎng)格，其壁面附近的最小網(wǎng)格尺寸約分別為1、0.8和0.5m。計算結(jié)果表明，上述網(wǎng)格的計算結(jié)果變化均小于5%，因此，后續(xù)模擬時各工況壁面最小網(wǎng)格尺寸均選用0.5m。

數(shù)值模擬的控制方程為連續(xù)性方程、動量方程和realizablek?ε紊流模型方程，污染物分布由組分輸運方程確定，上述方程的具體形式可參考文獻(xiàn)[2，11]，方程離散選用二階迎風(fēng)格式，計算收斂的標(biāo)準(zhǔn)為殘差達(dá)到1.0×10?4，且流場無變化。本文采用Fluent商用軟件完成計算。

為定量評價行人高度處的風(fēng)速大小，本文定義時均風(fēng)速比MVR，且有MVR=Up/Ur，其中Up為行人高度處風(fēng)速，MVR僅考察速度大小而不考慮速度方向。研究表明，當(dāng)行人高度處的風(fēng)速大于5m·s?1時，行人會有明顯的不適感，在夏季，行人對小于1.5m·s?1的風(fēng)速幾乎無感知［15］。據(jù)此，本文根據(jù)MVR將風(fēng)速區(qū)分為5類，表1為MVR對應(yīng)的風(fēng)速區(qū)。

2模擬結(jié)果與分析

2.1架空設(shè)計對行人高度處風(fēng)場的影響

圖4為建筑群行人高度處的流場和MVR分布。由圖可知，在沿來流方向的主街道上，x向主流可保持至研究區(qū)域第2或3列建筑處。建筑群最外側(cè)的氣流在研究區(qū)域第3列建筑后沿y向流入建筑群內(nèi)。這兩股氣流的MVR均大于0.3，即均為中風(fēng)速或中高風(fēng)速。與無架空的工況R000下相比，研究區(qū)域內(nèi)有架空建筑時的MVR變大。

由圖4可知，在工況R100下，第1列架空設(shè)計使得x向主流縮短至研究區(qū)域第2列建筑前，該主流在架空位置0當(dāng)群內(nèi)有2列或3列建筑采用架空設(shè)計時，整個研究區(qū)域的MVR均顯著變大，工況R110和R111下的MVR分布基本相同。上述分析表明，無論是單列還是多列的架空設(shè)計，研究區(qū)域上游建筑的架空對MVR的增加效果更顯著，下游的架空效果則逐漸遞減。

為給出架空設(shè)計對不同位置的風(fēng)場影響的定量評價，將研究區(qū)域的y向街道分別命名為S1、S2、S3和S4，其面積均為0.5H×4.5H，x向街道命名為S5和S6，其面積均為3.5H×0.5H。具體如圖5所示。參考文獻(xiàn)[8]中關(guān)于風(fēng)速面積占比的評價指標(biāo)，定義指標(biāo)ARSi為

式中：AVj-k為行人高度處風(fēng)速V為j～k范圍內(nèi)的面積，j～k取值為表1中的5種風(fēng)速；ASi為待評價區(qū)域Si的面積，i取1～6。

圖6為各工況下ARSi分布。由圖可知，建筑群附近行人高度處以低風(fēng)速和中風(fēng)速為主，超高風(fēng)速區(qū)的面積為0。ARSi分布特征隨位置變化明顯，在和來流方向垂直的S1～S4位置，低風(fēng)速面積占比較大，ARS1～ARS4基本上均大于50%，尤其在位置S3，各工況下低速風(fēng)ARS3基本上均大于90%。在和來流風(fēng)向一致的S5和S6位置，低風(fēng)速面積占比明顯變小，中風(fēng)速和中高風(fēng)速面積占比增加，特別是S5位置，低風(fēng)速ARS5小于40%，中風(fēng)速和中高風(fēng)速ARS5的和增加至60%以上。與S5位置相比，S6位置的低風(fēng)速ARS6雖略有增加，但中風(fēng)速和中高風(fēng)速ARS6也有40%。

架空設(shè)計對各街道ARSi的影響也隨工況不同而變化。在S1位置，與無架空的工況R000下相比，工況R100下低風(fēng)速ARS1減小了10%，工況R110和R111下均減小了25%，上述工況下中風(fēng)速ARS1則分別增加了10%和20%。工況R010和R001下，S1位置的低風(fēng)速ARS1無改善，上述ARS1的統(tǒng)計結(jié)果與圖4的流場分布基本一致。由以上分析可知，S1位置低風(fēng)速ARS1的減小主要取決于第1列建筑的架空，下游第2或3列建筑架空對S1位置的低風(fēng)速ARS1無改善效果。

S2位置的ARS2與S1位置的基本相同，第3列建筑的單獨架空對S2位置的低風(fēng)速ARS2無改善效果，但第1列和第2列建筑各單獨架空時則有改善，雖然第2列建筑架空時的改善效果較弱。工況R110和R111下，S2位置的中風(fēng)速ARS2在所有位置中最大，中風(fēng)速和低風(fēng)速的均約為50%，且工況R111下中風(fēng)速ARS2略大于工況R110下的。這說明第3列建筑與其他建筑同時架空時能起到改善低風(fēng)速ARS2的作用。

在S3位置，各種架空設(shè)計對低風(fēng)速ARS3的改善效果均不明顯。由圖4可知，建筑群內(nèi)的x向主流動能沿程減小，在第2列建筑處基本消耗殆盡，建筑群外的y向回流則發(fā)生在第3列建筑后。工況R001下的流場表明，第3列建筑架空時，y向回流主要影響第3列建筑架空處的風(fēng)速，但對S3位置的風(fēng)速影響不大，因此，S3位置的低風(fēng)速ARS3最大。

在S4位置，研究區(qū)域第2列建筑架空對改善低風(fēng)速ARS4無效果，第3列單獨架空、第1和第2列架空以及3列全部架空的效果基本相同。值得注意的是，距離S4位置較遠(yuǎn)的第1列建筑架空對S4位置的低風(fēng)速ARS4有一定的改善作用，其原因為：由于S5位置的x向主流會對S3和S4位置y向回流造成阻力，因此，當(dāng)?shù)?列建筑架空時，S5位置的x向主流變?nèi)?，則阻力也變小。

S5位置兩旁的建筑使得此處的氣流通道變窄，氣流被加速，因此，S5位置的低風(fēng)速ARS5小于S6位置的低風(fēng)速ARS6。總體上看，S5位置的各范圍風(fēng)速面積占比在所有街道中相對最均勻。

由以上分析可知，建筑群的架空設(shè)計能減小低風(fēng)速ARSi，增加中風(fēng)速和中高風(fēng)速的ARSi，相對而言，2列以上的建筑采用架空設(shè)計對減小低風(fēng)速ARSi的效果更好。架空對x向街道的ARSi影響較小，對y向街道的ARSi影響較大。

2.2架空設(shè)計對污染物擴(kuò)散的影響

圖7為各工況下行人高度處的無量綱污染物濃度分布。圖中無量綱污染物濃度K定義為［13］

式中：c為污染物的體積分?jǐn)?shù)；Qs為污染物的釋放率，m3·s?1。

在本文模擬的各工況下，污染源兩旁的建筑和街道形成了高寬比為2的深街谷，由于S6街道的存在，該街谷屬于短街谷類型[9]。由文獻(xiàn)[9]可知，深街谷會導(dǎo)致交通污染物聚集在街道底部而不易擴(kuò)散。在無架空設(shè)計的工況R000下，S1位置的K分布與文獻(xiàn)[9]的結(jié)論基本一致[見圖7（a）]。

圖7（b）～（f）表明，架空對建筑群行人高度處的污染物濃度分布影響不大。各種架空設(shè)計均使得建筑附近產(chǎn)生強(qiáng)烈的?x向回流（見圖4），這使得污染物難以向下游擴(kuò)散，因此，除了S1位置附近的K較大外，其余位置的K總體上較小。

工況R000下，S5和S6位置的x向主流將污染源處的污染物輸運至下游并在S2位置擴(kuò)散開，其K約為15～45，S3和S4位置的K則均小于15。工況R010和R001下的架空位置距離污染源較遠(yuǎn)，架空流動對K的影響則更小，因此這兩個工況下的K分布與工況R000下的基本相同。

工況R100下，研究區(qū)域第1列建筑架空使得該建筑迎風(fēng)面行人高度處的K急劇變小，但K>30的污染物主要分布在第1列建筑的0≤y/H<0.5和1.7≤y/H<3.2處，和工況R000下相比，低濃度區(qū)域（15輸運至第1列建筑附近，研究區(qū)域大部分位置的K≤15。

3結(jié)論

本文設(shè)計了無架空和底層架空共6種規(guī)則建筑群，利用realizablek?ε紊流模型數(shù)值模擬了行人高度處的流場和濃度場分布，采用MVR、ARSi和K等無量綱指標(biāo)對流場和濃度場進(jìn)行了評價，得到以下結(jié)論：

（1）單列或多列的架空設(shè)計均能有效增加建筑周圍行人高度處的MVR，研究區(qū)域內(nèi)沿來流方向最上游建筑的架空對MVR的增加效果更顯著，下游建筑的架空效果則逐漸變?nèi)酢?/p>

（2）架空設(shè)計能減小研究區(qū)域低風(fēng)速ARSi，增加中風(fēng)速和中高風(fēng)速的ARSi，有2列及以上架空設(shè)計對減小低風(fēng)速ARSi的改善效果更好。架空對與來流風(fēng)向一致的x向街道的ARSi影響較小，對與來流風(fēng)向垂直的y向街道的ARSi影響則較大。

（3）當(dāng)污染源位于建筑群上游地面時，架空設(shè)計對行人高度處的K分布影響不大，架空導(dǎo)致的?x向回流使得污染物難以擴(kuò)散至建筑群內(nèi)，緊鄰污染源的建筑還會因其架空導(dǎo)致該建筑迎風(fēng)面行人高度處的K顯著變小。

需要說明的是，上述結(jié)論是基于建筑群上游來流方向和風(fēng)速保持不變的結(jié)果，當(dāng)來流情況不斷變化時，本文結(jié)論的有效性還需進(jìn)一步驗證。