某建筑群室外风环境的CFD模拟与评价

刘少锋 任 杰

(1.中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃兰州 730000; 2.北京中外建建筑设计有限公司西北分公司，陕西西安 710055)

0 引言

建筑风环境与建筑物的外形、尺寸、建筑物之间的相对位置以及周围的地形地貌有着很复杂的关系。如果在城市规划和建筑设计中忽略了风环境问题，就有可能给城市环境带来不利影响［1］。在有较强来流时，建筑物周围某些地区会出现强风，如果这些强风区出现在建筑物入口、通道、露台等行人频繁活动的区域，则可能使行人感到不舒适，甚至带来伤害，形成恶劣的风环境问题。同时，室外风环境深刻影响建筑室内风环境，特别对建筑防风与自然通风有着决定性影响。因此在设计阶段，应对建筑物的室外风环境做出评价，分析建筑之间位置关系对室外风环境的影响。

由于“数值风洞”的计算结果比风洞模型实验更直观、更详细，数值分析方法在国际上已广泛采用［2］。本文采用数值模拟的方法对室外风环境进行评价。

1 数值计算

根据对建筑室外风环境流场湍流特性的初步分析，建立描述其气流运动特性的方程为基于 Boussinesq假设［3，4］基础上的Reynolds时均的包括连续性方程、动量方程、能量方程、状态方程的控制方程组。为使方程的封闭，湍流模型采用标准的κ—ε双方程模型。其控制方程组如下:

其中，ρ为密度;Γ为广义扩散系数;Sφ为广义源项;U为速度矢量;φ为通用因变量，代表速度u，运动粘性系数v，湍流粘度w，温度t，湍流动能k，湍流动能耗散率ε，特征尺寸l。

采用四面体结构化网格对计算区域进行网格划分，对建筑物周围的区域进行局部细化，网格的质量(长宽比、斜度等)满足计算要求，总网格数为180万个，见图1。

根据当地的气象数据，本数值报告模拟夏季、冬季及全年最大风速的风向下的3个典型工况下室外不同来流风速与风向下的流场分布特性，计算工况见表1。

图1 网格划分示意图

表1 数值模拟工况

2 结果与讨论

1)夏季2.4 m/s(S)。

图2a)给出地面处的速度分布。当夏季吹南风时，本项目的地面风速基本在2m/s以下，这样不容易吹起地面上的尘土，有利于提升建筑群周围的空气质量。与此同时，在换乘大楼东侧的公路上具有较大风速，其风速值达到2.4 m/s，有利于公路上行驶汽车尾气的排放。换乘大楼西侧及东侧空间上具有2.5 m左右的风速，有利于换乘车辆的废气排放。建筑物周围没有明显不利于污染物扩散的涡旋。

图2b)给出距地面7.2 m处的速度分布。当夏季吹南风时，购物中心，酒店写字楼的西面具有较大风速，其值达到2.5 m/s。在此风速下，如果能够结合合理的建筑开窗，将有效的起到建筑节能的作用。备班楼及换乘大楼可在南向和北向同时开窗，从而形成穿堂风，提到夏季自然通风的通风效率。与此同时，换乘大楼及备班楼内的尾气会被南风带向东北方向，不会流向购物中心，酒店写字楼所处区域。这对购物中心，酒店写字楼的空气质量有利。

2)冬季 2.4 m/s(NNW)。

图2 夏季工况下地面处和距地面7.2 m处的速度场

图3 a)给出地面处的速度分布。当冬季风向为NNW时，本项目建筑周围的地面风速基本在2 m/s以下，这样不容易吹起地面上的尘土，有利于提升建筑群周围的空气质量。与此同时，在换乘大楼东侧的西二环线及西侧的玉兰路上都具有较大风速，其风速值达到2.3 m/s，有利于公路上行驶汽车尾气的排放。换乘大楼西侧及东侧空间上具有1.5 m左右的风速，有利于换乘车辆的废气排放。建筑物周围没有明显不利于污染物扩散的涡旋。

图3b)给出距地面7.2 m处的速度分布。可以看出，酒店写字楼及购物中心对西北吹来的冷风起到了良好的隔绝作用，形成了典型的“庭院式”设计，有利于整体建筑的冬季节能，减少整体建筑的供暖能耗损失。建议在酒店写字楼西北角及换乘大楼的东北角适当绿化或兴建装饰性构筑物，能够有效的阻挡被封寒流，更好的起到为建筑物保暖的作用。与此同时，鉴于酒店写字楼、购物中心及换乘大楼北向及南向的风速差别较大，容易引起空气压差变化。建议加强酒店写字楼、购物中心及换乘大楼北墙的围护建筑气密性能，减少冷风渗透所引起的供暖能耗损失。

图3 冬季工况下地面处和距地面7.2 m处的速度场

3)全年2.8 m/s(NW)。

图4a)给出地面处的速度分布。当全年工况下吹西北风时，本项目的地面风速基本在2 m/s以下，这样不容易吹起地面上的尘土，有利于提升建筑群周围的空气质量。与此同时，在建筑群周围具有较大风速，其风速值达到2.3 m/s，有利于建筑群废气的排除。换乘大楼西侧及东侧空间上形成了“峡谷风”，具有2 m左右的风速，有利于换乘车辆的废气排放。建筑物周围没有明显不利于污染物扩散的涡旋。

图4b)给出距地面7.2 m处的速度分布。可以看出，酒店写字楼及购物中心对西北吹来的冷风起到了良好的隔绝作用，形成了典型的“庭院式”设计，有利于整体建筑的冬季节能，减少整体建筑的供暖能耗损失。与此同时，在购物中心西南角、SOHO公寓入口处具有较大风速，容易引起室外活动的舒适性和建筑通风。建议在此处添加装饰性构筑物或进行绿化。同时在换乘大楼东北方，风速同样偏大，建议对此处进行绿化，并加强换乘大楼北外墙和东外墙的建筑气密性，从而减少供暖损失。

图4 全年工况下地面处和距地面7.2m处的速度场

3 结论与建议

根据对夏季、冬季及全年最大风荷载下3个典型工况的模拟分析，根据模拟分析结果，本项目建筑群的室外气流组织，能够达到如下效果:1)模拟表明本项目场区内主要通道内的风速均小于5 m/s，满足行人室外活动的舒适性要求。2)在备班大楼及换乘大楼周围均有2 m/s以上风速，有利于周围汽车尾气的排除。3)本项目的地面风速基本在2 m/s以下，这样不容易吹起地面上的尘土，有利于提升建筑群周围的空气质量。4)建筑物周围没有明显不利于污染物扩散的涡旋。5)夏季通风时，建筑群周围风速不低于2 m/s，有利于自然通风及减少空调冷负荷。6)酒店写字楼及购物中心对西北吹来的冷风起到了良好的隔绝作用，形成了典型的“庭院式”设计，有利于整体建筑的冬季节能，减少整体建筑的供暖能耗损失。7)换乘大楼及备班楼内的尾气会被室外风带离建筑群，不会影响购物中心，酒店写字楼，SOHO公寓等建筑周围的空气品质。同时，根据对夏季、冬季及全年最大风荷载下3个典型工况的模拟分析，根据模拟分析结果，提出如下优化建议:1)建议在酒店写字楼西北角及换乘大楼的东北角适当绿化或修建装饰性构筑物，能够有效的阻挡被封寒流，更好的起到为建筑物保暖的作用。2)当夏季吹南风时，购物中心，酒店写字楼的西面具有较大风速，其值达到2.5 m/s。在此风速下，如果能够结合合理的建筑开窗，将有效的起到建筑节能的作用。3)备班楼及换乘大楼可在南向和北向同时开窗，从而形成穿堂门，提高夏季自然通风的通风效率。4)建议在酒店写字楼西北角、换乘大楼的东北角、SOHO公寓入口处适当绿化或兴建装饰性构筑物，能够有效的阻挡被封寒流，更好的起到为建筑物保暖的作用。5)建议加强酒店写字楼、购物中心及换乘大楼北墙的围护建筑气密性能，减少冷风渗透所引起的供暖能耗损失。

［1］一 丁，雨 露，洪 涌.中国古代风水与建筑选址［M］.石家庄:河北科学技术出版社，1996.

［2］David Hutchinson，Wind-aplanner’sview，Joumal of mdustrial aerodynamics［J］.1978(3):117-127.

［3］王启杰.对流传热传质分析［M］.西安:西安交通大学出版社，1991.

［4］陶文铨.数值传热学［M］.西安:西安交通大学出版社，1988.