建筑风环境空间特征研究_杨丽

2012 总第 07 期

建筑风环境空间特征研究

A RESEARCH ON SPATIAL CHARACTERISTICS OF BUILDING WIND ENVIRONMENT

杨丽

Yang Li

摘要/以同济联合广场建筑群为研究对象，参考上海市的典型气候环境，以Fluent计算流体力学软件为研究工具，对风环境数值模拟建模过程中的几何建模、计算流域的确定、网格划分、边界条件的选取、湍流模型的选择进行详细地阐述，并对同济联合广场建筑群不同季节、不同高度横截面、不同位置纵切面的温度、风压、风速进行模拟研究，揭示了建筑微气候环境与建筑空间结构的一般规律，为数值模拟方法在以后实际工程中的应用提供有益参考。关键词/风环境 CFD技术 环境模拟

ABSTRACT/ Taking Tongji union square buildings as the research subject and according to Shanghai’s typical climate environment, this paper elaborates the geometric modeling, the definition of calculation catchment area, the grid division, the selection of boundary conditions and turbulence models in the modeling process of numerical simulation of wind environment by using the Fluent software as the research tool. And it carries out a simulating research on the different temperature, wind pressure, and wind velocity of different cross sections and longitudinal sections of Tongji union square buildings in different seasons, which reveals the general laws of building micro-climate environment and building spatial structure and which provides a useful reference for the application of numerical simulation method in real projects afterwards.KEY WORDS/ wind environment, CFD technology, environment simulation

随着我国城市化进程的快速推进以及建筑技术的不断提高，各种结构复杂、形态多样的高层、超高层建筑拔地而起，但同时也带来了一些问题，诸如：高能耗、高污染等问题。当前，在国外低碳经济已经兴起，在国内，随着“两型社会”的建设，人们对“绿色”“生态节能”、的意识也越来越强烈。所以营造一个“健康、舒适、生态、节能”的宜居环境是建筑从业者的当务之急，如何才营造出这样的宜居环境呢？与之有着最直接关系的便是建筑风环境。建筑风环境是空气气流在建筑内外空间的流动状况及其对建筑物的影响。然而风环境只能感知到，看不见、摸不着，只能通过一些特殊的实验手段才能对其进行研究。随着计算机技术的

发展，CFD(计算流体力学)模拟技术在小区域的风环境分析与研究也日臻完善，与传统的实测法和风洞实验法相比，CFD模拟法克服了传统方法的周期长、精度差、投资成本高等缺点，直接在计算机上离散求解空气流动遵循的流体动力学方程组，并将结果用计算机图形学技术形象直观地表示出来，因此有着非常广阔的应用前景[1]，目前国内外都在此方面进行着大量的研究与实践。

本文以上海市杨浦区同济联合广场为例，通过CFD模拟，选用标准k-ε湍流模型对整个建筑群的室外风环境进行模型研究，借以分析建筑群风环境的一般规律。1 项目概况

同济联合广场位于上海市杨浦区，建成于同济大学百年校庆之时，由A、B、C、D、E 5座相对独立但又有机结合的组合而成，其中A座与B座是5A高档商务办公楼，C座属于公寓式办公楼，D座是四星级酒店，E座是商业广场。其中，同济联合广场——南区占地面积16736㎡，总建筑面积约8万㎡，是融办公、商业、酒店于一体的中、高档标志性综合建筑群(图1～3)。整个联合广场依托同济科技实力，秉承学府经济、高知产业的特有文化精髓，以前瞻性的规划设计，充分体现高科技感、高智能化、高功能性的“三高”原则。A座、B座商务办公楼还引及了国际办公楼前沿设计理念，按照美国绿色建筑LEED认证标准设计、施工，建筑立面上采用了LOW-E双层中空玻璃幕墙及通过对空调、通风及其他主要设备用电控制、自动调节、降低能耗，使大楼能耗

1 同济联合广场航拍达到了国际ASHRAE节能标准；通过使用节水器具、选择节水植

上海市科学技术委员会资助项目(11230705500)

作者单位：上海理工大学环境与建筑学院(上海，200093)收稿日期：2011-10-24

202 同济联合广场实景

3 同济联合广场——南区底层平面4 简化后的CFD模型

物等措施，达到了节水30%的目标；还通过水土流失控制，暴雨水管理、热岛效应控制，环保冷媒的使用等，使大楼成为了科技、环保、舒适、节能的绿色典范。

在本文中我们将采用CFD模拟的方法，对整个建筑群的室外风环境进行模型分析，在模拟工具上我们选用Fluent软件，Fluent软件为美国Fluent公司所开发的商业CFD软件，在全世界范围内有着广泛的用户群，采用多种求解方法和多重网格收敛技术，能够达到很好的收敛速度和求解精度，并且可以模拟从不可压缩流体到高度压缩流体的复杂流动问题。目前Fluent被广泛应用于与流体力学相关的航天、水运、汽车制造、工程设计等各个行业[2]。本研究应用计算流体力学(CFD)软件Fluent，结合上海市地理信息资料，以上海市多年平均气象要素作为初始条件，进行多尺度大气环境数据模拟，利用可视化分析工具，实现对数值模拟结果的分析、评估，直观显示建筑群对大气流场的影响，并对可能造成的灾害域进行分析[3]。2 模拟分析2.1 外部环境

上海地理位置为：东经121.4°，北纬31.2°，平均海拔高度7m，东8时区，同济联合广场位于上海市杨浦区，通过气象数据查询，我们可以得到上海市的相关气象数据。上海位于北亚热带东亚季风盛行的地区，气候温和、湿润，全年平均气

温15.8℃，全年平均日照时数2104h，年平均相对湿度77%～83%，全年最大风速约为55km/h，即为15.2m/s左右，年平均风速约3.0m/s，每年11月至次年2月多北风和西北风，3～8月盛行东南风，9～10月多为北风和东北风，本次实验通过Fluent对夏季东南风和冬季西北风两种典型工况进行模拟。对同济联合广场建筑群的室外风环境进行技术层面的分析(表1)。2.2 模型简化

利用Gambit建模工具．建立同济联合广场模型同时选择距离地不同高度的横切面和不同位置的纵切面模拟结果进行分析，主要分析人员在小区休息时主要活动平面的风环境。图4为同济联合广场建筑群CFD模拟简化模型，建模过程中考虑到分析的主要对象为同济联合广场建筑群周边风环境，因而将周边环境假定为空旷场地，忽略其对研究对象的影响。图4所示：模型边界大小：650m×450m×200m；模型比为1:1，模型最高点为88m(A座、B座楼顶)，地基位于0m处。

表1 模拟选用的典型气候条件

气象要素温度(K)相对湿度(%)大气压强(hPa)平均风速(m/s)

风向

6月300751005.33.2东南风

12月275581025.13.1西北风

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2.3 数学模型的选取

湍流模型是CFD软件的主要组成部分之一，通用CFD软件都配有各种层次的湍流模型，通常包括代数模型、一方程模型、二方程模型、湍应力模型、大涡模拟等。建筑群周边风的流动一般属于较大雷诺数、低旋、弱浮力流动，常用的数学模型有二方程模型和大涡模拟模型(LES)等，相较而言，二方程模型K-ε模型计算成本低，在数值计算中波动小、精度高，在低速湍流数中应用较为广泛，易于进行网络自适应。因此本文采用标准K-ε模型。其所有的控制微分方程包括连续方程、动量方程和K方程和ε方程，公式如下所示(考虑流体不可压缩，稳态后的简化)：

方程(4)与(5)各项含义：从左到右依次为对流项、扩散项、产生项、耗散项。式中，μ为流体动力黏度(下标t表示湍动流动)；cμ为经验常数；k为湍流脉动动ρ为流体密度，单位为m3/s；

能；ε为耗散率；ui为时均速度；σk和σε分别是与湍流动能k和耗散率ε对应的Prandtl数；i和j为张量指标，取值范围(1, 2, 3)。根据张量的有关规定，当表达式中的一个指标重复出现两次，则表示要把该项在指标的取值范围内遍历加和。根据Launder等的推荐值及后来的实验验证，模型常数C1ε、C2ε、cμ、σk、σε的取值分别为：C1ε＝1.44、C2ε＝1.92、cμ＝0.09、σk＝1.0、cμ＝1.3。

8 夏季、冬季2m高度的风速矢量7 夏季、冬季2m高度的温度云图6 夏季、冬季2m高度的风压云图

2.4 边界条件及网格划分

湍流黏性系数

(1)

数学模型和控制方程确定之后，紧接着就必须确定合理的边界条件，让模拟实验接近真实情况。在本次模型中定义计算流域入流处为Fluent中的速度进口边界条件(velocity-inlet)，并依据上文列出的典型气候条件对velocity-inlet边界的流动速度v，k和ε定义。定义出口(包括分析区域的出风口和天空)为Outflow

连续性方程(2)

动量方程

(3)

自由出流边界条件。地面和建筑物表面是固定不动，不发生移动的，因此采用无滑移的壁面条件(wall)，wall是用于限定fluid和solid区域的一种边界条件。对于粘性流体，采用粘附条件，即认为壁面处流体速度与壁面该处的速度相同，无滑移壁面的速度为零，壁面处流体速度为零[4]。

K方程(4)

ε方程(5)

CFD软件都配有网格生成(前处理)与流动显示(后处理)模块，网格分为结构型和非结构型两大类。网格生成质量对计算精度与稳定性至关重要，网格生成能力的强弱也是衡量CFD通用软件性能的一个重要因素[5]。本研究在利用Fluent进行模拟时，采用非结构化网格(Tgird)技术进行网格划分，其划分的网格包括多

5 非结构化网格

229 夏季、冬季20m高度的风压云图12 夏季、冬季20m高度的温度云图

10 夏季、冬季80m高度的风压云图13 夏季、冬季80m高度的温度云图

11 夏季、冬季100m高度的风压云图14 夏季、冬季100m高度的温度云图

种形状，尽可能最大限度地把复杂的下垫面形状表现出来，提高模拟的效果。非结构网格(Tgird)不受求解域的拓扑结构与边界形状限制，具有很好的灵活性和适应性，利于进行网格自适应，能根据流场特征自动调整网格密度，对提高计算速度和计算精度十分有利，图5即为本次研究模型划分的非结构化网络。2.5 模拟结果及分析

图6～8分别是模拟的同济联合联合广场夏季、冬季2m高度(行人活动区域)的风压云图、温度云图、风速矢量图。从图8中可以看到，在通风的状态下，建筑物的迎风面和背风面产生了明显的风压，建筑的迎风面形成了位移区，背风面形成了空腔区，高压区主要集中在建筑群与风向垂直的两端，这一点与图10风速矢量图是吻合的，入射风在遇到建筑群的遮挡后被迫从建筑的两侧绕行，导致两侧风速加快进而导致风压变大，在建筑背风面的低压区中风速明显下降，夏、冬两季背风区风速主要集中在0.2～0.6m/s之间，未形成“狭管风”，总的来说这种速度不会对行人造成干扰，同时对于污染物的扩散也是比较有利的，但建筑群的某些局部地段因为建筑的围合导致通风不畅，如图9温度云图所示，夏季C、D、E座围合的半封闭内院中温度明显高于其它地区，这将导致该区域的热舒适性降低，同时增加夏季降温的空调能耗。

图9～17分别对20m、80m、100m高度层面的夏、冬两季风压云图、温度云图、风速云图进行了对比。从图9～11中不同高度的风压图对比可以看到，随着高度的上升，建筑裙房对风压的影响越来越小，负压区(空腔区)越来越小，正压区的范围越来越大，到80m高度时正压区相连成了环状，100m高度时形成了一片，此时已经高于建筑物最高点，已不存在负压区。图12～14是不同高度的温度云图，从图中的对比可以看出，建筑群对温度的影响随着高度的上升越来越小，夏季20m高度层面，在半围合内院局部出现了高温区，到80m高度时影响已经相当微

18 夏季建筑物及地面承受的风压17 夏季、冬季100m高度的风速云图16 夏季、冬季80m高度的风速云图15 夏季、冬季20m高度的风速云图

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弱，100m高度时已经完全没有影响。图15～17分别是不同高度的风速云图，风速与压力基本是一致的，随着高度的上升，低速风区越来越小，高速风区越来越大，当高于建筑最高点时，低速区已经消失了。从100m高层的风压云图和风速云图，我们可以看出建筑的高度对流场的影响远远大于建筑本身所在的区域。

图18是模拟的夏季建筑表面和地面的风压模拟图，图中我们可以明显的看到建筑的群的迎风面主要以正压为主，以迎风面的底部会出现局部的负压区，随着高度的上升压力呈上升趋势,在建筑的顶面压力达到最大值，建筑的两侧的地面也现出了大面积的正压区。建筑群的背风面以及背风面的地面基本上都是负压区，模拟结果也前面高度层面的模拟结果是相吻合的。

图19～21是联合广场沿四平路纵切面夏季、冬季的风压、温度、风速模拟图，图22～24是联合广场沿彰武路纵切面夏季、冬季的风压、温度、风速模拟图，从图19、22可以看到，风压区主要集中在建筑的背风面，迎风面的底部也会局部出现负压区，而正压区主要集中在建筑的顶部，并且从顶部开始沿风向的方向向地面扩散，从两图中还可以看到正压区的范围要远远大于负压区的范围。图20、23为温度云图，与风压云图相比，建筑群对风压的扰动范围比建筑群对温度的扰动范围大很多，并且温度变化区主要是集中在负压区范围内，这也是因为负压区空气流通不畅而导致不能将建筑产生的热量排出，图23中的夏季温度云图中，位于半封闭的内院里的温度要明显地高于周边区域，就是由于上述原因产生的，模拟结果也与前面各高度层的模拟结果是一致的。图21、24是风速云图，通过与压力云图的对比，可以发现风速云图与压力云图基本一致，没有产生“狭管风”，模拟的夏季、冬季的最高风速分别为4.2m/s和4.4m/s，并且都是集中在建筑的上部，对人员活动区域不会造成影响，而在半围合的内院中风速过低，空气流通不畅，导致夏季该区域温度偏高，由于不能利用

自然通风降温，也导致该区域空调能耗的增加。3 结语

通过上述对同济联合广场建筑群的风环境模拟，我们发现建筑群局部位置通风不畅，这将导致局部位置空气质量下降、热舒适度不佳等不良后果。在绿色以及低碳观念越来越备受重视的今天，未来的建筑设计，不仅要考虑到建筑的实用美观，还要考虑到建筑的能耗，可持续性，这就需要结合CFD软件对建筑群的风环境进行模拟，将模拟引入到规划设计中，避免了采用真实数据的不易操作性和不确定性，使得规划方案更趋合理。在国际上，一些发达国家已经在方案设计中正式采用CFD的计算结果，并且CFD的研究正向着计算异常风场、污染物扩散、灾害防治等各个研究领域展开。因此，我国要尽早展开这方面的研究，将CFD融入到建筑规划领域，这对政府及城市规划、建设部门进行科学决策，提高建筑规划设计的合理性以及对我国绿色、生态建筑的发展，亦具有重要的现实意义。■

参考文献

[1] Yangli. The application of CFD technology in analysis of residential wind environment[J]. journal of urban tochnology，2010，12(17)：67-81.[2] 赵秉文，姜坪，陈晓春. CFD技术及其在水处理研究中的应用[J]. 环境科学与技术，2006，29(6)：77-78.

[3] 杨德江，荆平. 小区规划方案的大气流场模拟及环境影响分析[J]. 环境科学与技术，2008，31(9)：147-150.

[4] 雷娅蓉，黄佳，李楠，等. 基于软件模拟室外环境规划设计实例分析[J]. 重庆建筑，2008(9)：44-46.

[5] 李磊，胡非，程雪玲. Fluent在城市街区大气环境中的一个应用[J]. 中国科学院研究生院学报，2004(4).图片来源

本文图片均由作者绘制和拍摄.

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