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建筑小區內氣數值分析
文摘：本文采用計算流體動(dòng)力學(xué)CFD（computationalfluiddynamics）的方法，對北京地區冬季北風(fēng)情況下某建筑小區內的氣流流動(dòng)進(jìn)行了數值模擬仿真。借助數值模擬能模擬真實(shí)情況、資料詳細的優(yōu)點(diǎn)，對該小區兩個(gè)主要區域在冬季北風(fēng)向這一不利工況下的氣流流動(dòng)情況進(jìn)行了分析，由此可見(jiàn)，通過(guò)CFD方法對小區氣流流動(dòng)進(jìn)行模擬仿真，并且以直觀(guān)形象的可視化結果展現于設計者和客戶(hù)，可方便地對小區布局設計進(jìn)行指導以及對小區內微氣候進(jìn)行評價(jià)。
1.前言
建筑師們在設計建筑小區時(shí)，注意力多集中在建筑平面的功能布置，美觀(guān)設計及空間利用上，而很少考慮到小區內高層、高密度建筑群中氣流流動(dòng)情況對人的影響：局部地方（尤其是高層）風(fēng)速太大可能對人們的生活、行動(dòng)造成不便，也有可能在某些地方形成旋渦和死角，不利于室內的自然通風(fēng)，從而形成不好的小區微氣候。因此，為了營(yíng)造綠色舒適的建筑小區微環(huán)境，需要在規劃設計階段對小區內氣流流動(dòng)情況作出預測評價(jià)，以指導設計。通�？捎媚Ｐ蛯�(shí)驗或者數值模擬的方法對小區內的空氣流動(dòng)進(jìn)行預測。模型實(shí)驗方法周期太長(cháng)，價(jià)格昂貴，不利于用于設計階段的方案預測和分析；而數值計算相當于在計算機上做實(shí)驗，相比模型實(shí)驗方法周期較短，價(jià)格低廉，可以以較為形象和直觀(guān)的方式將結果展示出來(lái)，利于非專(zhuān)業(yè)人士通過(guò)形象的流場(chǎng)圖和動(dòng)畫(huà)了解小區內氣流流動(dòng)情況。因此這里將介紹利用數值模擬技術(shù)模擬仿真小區內氣流流動(dòng)的詳細情況，藉此對小區微氣候作出評價(jià)分析以及對小區的設計作出改進(jìn)優(yōu)化。國外早在1980年代就利用數值模擬手段對室外氣流流動(dòng)進(jìn)行研究，但主要針對單體建筑[1]。近年來(lái)，我國也開(kāi)始對高密度的建筑小區這一具有中國特色的建筑形式內的氣流流場(chǎng)進(jìn)行數值模擬研究[2]。隨著(zhù)計算機技術(shù)、數值計算技術(shù)以及湍流模擬技術(shù)的發(fā)展，如今我們可以對非常復雜的實(shí)際建筑小區內氣流流動(dòng)進(jìn)行模擬仿真，方便、直觀(guān)地對小區微氣候作出評價(jià)。下面將以一個(gè)實(shí)際的建筑小區為例進(jìn)行分析。
2.計算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)簡(jiǎn)介
簡(jiǎn)而言之，流體流動(dòng)的數值模擬即在計算機上做實(shí)驗。它在計算域內離散空氣流動(dòng)遵循的流體動(dòng)力學(xué)方程組，將強烈非線(xiàn)性的偏微分方程組轉變?yōu)榇鷶捣匠探M，再采用一定的數值計算技術(shù)求解之，從而獲得整個(gè)計算區域內流場(chǎng)分布的詳細信息，最后可將結果用計算機圖形學(xué)技術(shù)形象直觀(guān)地表示出來(lái)。這就是所謂的計算流體動(dòng)力學(xué)CFD（ComputationalFluidDynamics）。由于實(shí)際空氣是粘性流體，流動(dòng)基本為湍流流動(dòng)，故這其中涉及湍流模擬技術(shù)。自1974年以來(lái)，人們開(kāi)始進(jìn)行大量的CFD技術(shù)應用于建筑環(huán)境的模擬研究工作[3]。如今，CFD技術(shù)已經(jīng)在建筑環(huán)境和設備模擬中取得了很大的成就。這里我們采用國際公認的權威CFD技術(shù)研究機構：英國帝國理工學(xué)院CHAM研究所開(kāi)發(fā)的PHOENICS軟件對下面的小區內空氣流動(dòng)情況進(jìn)行模擬仿真分析。該軟件具有眾多的湍流模型和數值差分格式，并經(jīng)過(guò)了上千個(gè)算例的實(shí)驗驗證，能保證計算結果的準確性。有關(guān)CFD技術(shù)的內容可參考有關(guān)文獻和專(zhuān)著(zhù)。
3.計算工況說(shuō)明
這里將要分析的小區是北京東潤楓景小區，它是北京朝陽(yáng)區東風(fēng)農場(chǎng)改建住宅區，總建筑面積約49萬(wàn)平方米，總居住人口約15000人。圖1所示為該小區示意圖。
根據需要，目前最需模擬分析的是楓景小區的W區和S區，其中有下列情況需要說(shuō)明：
3.1梯度風(fēng)的采用
由于楓景小區并不是一個(gè)孤立的小區，其周?chē)鷦荼卮嬖谳^低的建筑或其它物體，因此小區外來(lái)流風(fēng)并不是均勻的，根據有關(guān)文獻和資料的研究成果，并結合楓景小區所處的地理位置，小區前來(lái)流風(fēng)因為地面和低矮建筑的影響，應是按邊界層規律分布的，即所謂的梯度風(fēng)，如下圖2所示：
影響，應是按邊界層規律分布的，即所謂的梯度風(fēng)，如下圖2所示：
圖2城市梯度風(fēng)
上述梯度風(fēng)滿(mǎn)足下式：
圖中的h>380m后，風(fēng)速可認為趨于均勻，大小等于h=380m處的風(fēng)速。
3.2北京地區主導風(fēng)速和風(fēng)向的選擇
為使計算結果具有一定的代表性，需要選擇北京地區的主導風(fēng)向和風(fēng)速。根據我們對1960～1990年這30年間北京地區氣象數據的分析知，北京地區秋、冬季主導風(fēng)向為北風(fēng)，平均風(fēng)速3m/s，典型風(fēng)速約5m/s（指出現頻率較高的風(fēng)速），春、夏季主導風(fēng)向為南風(fēng)，平均風(fēng)速3.4m/s，典型風(fēng)速約5.5m/s。而由于冬季主要為北風(fēng)，應為最不利情形，加之這種復雜小區的模擬計算耗時(shí)極多，因此這里我們擬先對冬季情形作出模擬，即按照風(fēng)向北、風(fēng)速5m/s（10m高處的氣象數據）進(jìn)行計算。
4.計算結果和分析
圖3～4各圖為楓景小區W區和S區兩個(gè)區域的模擬仿真結果流場(chǎng)圖。
對于W區：圖3a為高度1米的水平面上的流場(chǎng)分布，這個(gè)高度是人們經(jīng)�；顒�(dòng)和最能感知到的范圍，即所謂的“人區”，這也是小區微氣候最重要的關(guān)鍵區域。由圖可見(jiàn)，在W區中部局部地方有旋渦出現，但是風(fēng)速很小，約1～5m/s，同時(shí)，該區域內大部分地方的風(fēng)速均在5m/s以下，因此對人員行動(dòng)不會(huì )造成不便，也不會(huì )對人體熱舒適感覺(jué)形成不良的影響，圖中還顯示出在該區東、西兩側建筑物周?chē)木植康胤接休^大的風(fēng)速，可達15m/s，這是由于來(lái)流北風(fēng)繞建筑物流動(dòng)的結果，但是這塊區域不是人們經(jīng)�；顒�(dòng)的地方，故影響不大。圖3b~c顯示了W區橫截面和縱剖面上不同位置的風(fēng)速流場(chǎng)分布，由圖可見(jiàn)，來(lái)流風(fēng)的繞流作用對建筑高層有一定的影響，流速從底層到高層逐漸增大，頂層附近風(fēng)速比底層為高，但是最高值僅為9m/s，并無(wú)太大的影響�？偠灾�，W區在冬季北風(fēng)的氣候條件下的微氣候令人滿(mǎn)意，不會(huì )造成人體不適和行動(dòng)不便；
對于S區，仍然先從圖4a顯示的高度1米的“人區”的流場(chǎng)分布結果開(kāi)始分析，由圖中可以看出，S區內的風(fēng)速較小，均小于5.5m/s，這是其前面板樓的阻擋作用之結果。另外，由于前面建筑的繞流作用，在該區最后一排高層建筑之前形成渦流，但是速度很小，僅達3.3m/s左右，故對居者的行動(dòng)和舒適不會(huì )造成不良的影響。從圖中還可以看出，在S區前面的板樓之間，由于其流通斷面突然減小，此處風(fēng)速很大，最高可達13m/s左右，但是這已經(jīng)離S區較遠，對S區的居住者不會(huì )由太多的影響。圖4b~c表示的是S區橫剖面和S區以及其前面板樓組成的區域內的縱剖面上的流場(chǎng)分布，由圖可以看出，來(lái)流風(fēng)的繞流作用使得S區高層建筑的風(fēng)速由底層向上逐漸升高，但是其流速最大也只達到7m/s左右，對高層住戶(hù)影響不大，不會(huì )造成不適感覺(jué)。
關(guān)于W區和S區的室外空氣流動(dòng)的更詳細的資料，可以通過(guò)CFD軟件得到三個(gè)方向任意位置的流場(chǎng)分布，并且，我們還可以借助別的計算機手段得出更為形象直觀(guān)的動(dòng)畫(huà)，這非常適合非建筑環(huán)境專(zhuān)業(yè)人士快速、方便地把握小區內的流場(chǎng)流動(dòng)情況。
將以上分析結果總結歸納可得如下結論：
(1).W區和S區的人區內基本沒(méi)有速度過(guò)大的區域，大部分地方的風(fēng)速均在5m/s以下，不會(huì )對居者行動(dòng)和舒適感覺(jué)帶來(lái)不便；
(2).W區和S區的高層建筑風(fēng)速由低至高逐漸增加，但是最高值基本低于10m/s，不會(huì )對該層住戶(hù)造成不適感覺(jué)；
(3).W區和S區內某些局部區域均存在一定的渦旋流動(dòng)，但是其流速很小，均在3m/s以下，不會(huì )形成不好的微氣候；
(4).W區建筑邊緣局部地方和S區前部板樓（最高6層）局部會(huì )有速度過(guò)大的區域，但是這已經(jīng)遠離我們考慮的W區和S區，不是人們經(jīng)�；顒�(dòng)的范圍，影響不大；
(5).總體而言，W區和S區的室外空氣流動(dòng)不會(huì )對居住者造成不良影響，其小區微氣候令人舒適，能保證合理的小區內空氣流動(dòng)。
而進(jìn)一步需要開(kāi)展的工作是對其它出現頻率也較高的風(fēng)向下的小區內氣流流場(chǎng)進(jìn)行模擬預測，如秋、冬季的西北風(fēng)向，春、夏季的南風(fēng)向等。
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