建築小區內氣數值分析

文摘：本文采用計算流體動力學CFD（computationalfluiddynamics）的方法，對北京地區冬季北風情況下某建築小區內的氣流流動進行了數值模擬仿真。藉助數值模擬能模擬真實情況、資料詳細的優點，對該小區兩個主要區域在冬季北風向這一不利工況下的氣流流動情況進行了分析，由此可見，通過CFD方法對小區氣流流動進行模擬仿真，並且以直觀形象的可視化結果展現於設計者和客户，可方便地對小區佈局設計進行指導以及對小區內微氣候進行評價。

　　1.前言

建築師們在設計建築小區時，注意力多集中在建築平面的功能佈置，美觀設計及空間利用上，而很少考慮到小區內高層、高密度建築羣中氣流流動情況對人的影響：局部地方（尤其是高層）風速太大可能對人們的生活、行動造成不便，也有可能在某些地方形成旋渦和死角，不利於室內的自然通風，從而形成不好的小區微氣候。因此，為了營造綠色舒適的建築小區微環境，需要在規劃設計階段對小區內氣流流動情況作出預測評價，以指導設計。通常可用模型實驗或者數值模擬的方法對小區內的空氣流動進行預測。模型實驗方法週期太長，價格昂貴，不利於用於設計階段的方案預測和分析；而數值計算相當於在計算機上做實驗，相比模型實驗方法週期較短，價格低廉，可以以較為形象和直觀的方式將結果展示出來，利於非專業人士通過形象的流場圖和動畫了解小區內氣流流動情況。因此這裏將介紹利用數值模擬技術模擬仿真小區內氣流流動的詳細情況，藉此對小區微氣候作出評價分析以及對小區的設計作出改進優化。國外早在1980年代就利用數值模擬手段對室外氣流流動進行研究，但主要針對單體建築[1]。近年來，我國也開始對高密度的建築小區這一具有中國特色的建築形式內的氣流流場進行數值模擬研究[2]。隨着計算機技術、數值計算技術以及湍流模擬技術的發展，如今我們可以對非常複雜的實際建築小區內氣流流動進行模擬仿真，方便、直觀地對小區微氣候作出評價。下面將以一個實際的'建築小區為例進行分析。

　　2.計算流體動力學技術簡介

簡而言之，流體流動的數值模擬即在計算機上做實驗。它在計算域內離散空氣流動遵循的流體動力學方程組，將強烈非線性的偏微分方程組轉變為代數方程組，再採用一定的數值計算技術求解之，從而獲得整個計算區域內流場分佈的詳細信息，最後可將結果用計算機圖形學技術形象直觀地表示出來。這就是所謂的計算流體動力學CFD（ComputationalFluidDynamics）。由於實際空氣是粘性流體，流動基本為湍流流動，故這其中涉及湍流模擬技術。自1974年以來，人們開始進行大量的CFD技術應用於建築環境的模擬研究工作[3]。如今，CFD技術已經在建築環境和設備模擬中取得了很大的成就。這裏我們採用國際公認的權威CFD技術研究機構：英國帝國理工學院CHAM研究所開發的PHOENICS軟件對下面的小區內空氣流動情況進行模擬仿真分析。該軟件具有眾多的湍流模型和數值差分格式，並經過了上千個算例的實驗驗證，能保證計算結果的準確性。有關CFD技術的內容可參考有關文獻和專著。

　　3.計算工況説明

這裏將要分析的小區是北京東潤楓景小區，它是北京朝陽區東風農場改建住宅區，總建築面積約49萬平方米，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説明：

3.1梯度風的採用

由於楓景小區並不是一個孤立的小區，其周圍勢必存在較低的建築或其它物體，因此小區外來流風並不是均勻的，根據有關文獻和資料的研究成果，並結合楓景小區所處的地理位置，小區前來流風因為地面和低矮建築的影響，應是按邊界層規律分佈的，即所謂的梯度風，如下圖2所示：

影響，應是按邊界層規律分佈的，即所謂的梯度風，如下圖2所示：

圖2城市梯度風

上述梯度風滿足下式：

圖中的h>380m後，風速可認為趨於均勻，大小等於h=380m處的風速。

3.2北京地區主導風速和風向的選擇

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向和風速。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、冬季主導風向為北風，平均風速3m/s，典型風速約5m/s（指出現頻率較高的風速），春、夏季主導風向為南風，平均風速3.4m/s，典型風速約5.5m/s。而由於冬季主要為北風，應為最不利情形，加之這種複雜小區的模擬計算耗時極多，因此這裏我們擬先對冬季情形作出模擬，即按照風向北、風速5m/s（10m高處的氣象數據）進行計算。

　　4.計算結果和分析

圖3～4各圖為楓景小區W區和S區兩個區域的模擬仿真結果流場圖。

對於W區：圖3a為高度1米的水平面上的流場分佈，這個高度是人們經常活動和最能感知到的範圍，即所謂的“人區”，這也是小區微氣候最重要的關鍵區域。由圖可見，在W區中部局部地方有旋渦出現，但是風速很小，約1～5m/s，同時，該區域內大部分地方的風速均在5m/s以下，因此對人員行動不會造成不便，也不會對人體熱舒適感覺形成不良的影響，圖中還顯示出在該區東、西兩側建築物周圍的局部地方有較大的風速，可達15m/s，這是由於來流北風繞建築物流動的結果，但是這塊區域不是人們經常活動的地方，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速流場分佈，由圖可見，來流風的繞流作用對建築高層有一定的影響，流速從底層到高層逐漸增大，頂層附近風速比底層為高，但是最高值僅為9m/s，並無太大的影響。總而言之，W區在冬季北風的氣候條件下的微氣候令人滿意，不會造成人體不適和行動不便；

對於S區，仍然先從圖4a顯示的高度1米的“人區”的流場分佈結果開始分析，由圖中可以看出，S區內的風速較小，均小於5.5m/s，這是其前面板樓的阻擋作用之結果。另外，由於前面建築的繞流作用，在該區最後一排高層建築之前形成渦流，但是速度很小，僅達3.3m/s左右，故對居者的行動和舒適不會造成不良的影響。從圖中還可以看出，在S區前面的板樓之間，由於其流通斷面突然減小，此處風速很大，最高可達13m/s左右，但是這已經離S區較遠，對S區的居住者不會由太多的影響。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分佈，由圖可以看出，來流風的繞流作用使得S區高層建築的風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，對高層住户影響不大，不會造成不適感覺。

關於W區和S區的室外空氣流動的更詳細的資料，可以通過CFD軟件得到三個方向任意位置的流場分佈，並且，我們還可以藉助別的計算機手段得出更為形象直觀的動畫，這非常適合非建築環境專業人士快速、方便地把握小區內的流場流動情況。

　　將以上分析結果總結歸納可得如下結論：

(1).W區和S區的人區內基本沒有速度過大的區域，大部分地方的風速均在5m/s以下，不會對居者行動和舒適感覺帶來不便；

(2).W區和S區的高層建築風速由低至高逐漸增加，但是最高值基本低於10m/s，不會對該層住户造成不適感覺；

(3).W區和S區內某些局部區域均存在一定的渦旋流動，但是其流速很小，均在3m/s以下，不會形成不好的微氣候；

(4).W區建築邊緣局部地方和S區前部板樓（最高6層）局部會有速度過大的區域，但是這已經遠離我們考慮的W區和S區，不是人們經常活動的範圍，影響不大；

(5).總體而言，W區和S區的室外空氣流動不會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。

而進一步需要開展的工作是對其它出現頻率也較高的風向下的小區內氣流流場進行模擬預測，如秋、冬季的西北風向，春、夏季的南風向等。