串列建筑物周边风场的数值模拟

杨明++陈善群++廖斌

摘 要：建立了6组不同的串列建筑群排列形式，研究了串列建筑物间距、高差等因素对串列建筑物周边风场的影响。计算采用标准湍流模型。数值计算得到各种布局下建筑群周边风场，并对它们进行了对比分析。结果表明，串列建筑物间距、串列建筑物高差均会对串列建筑物周边风场产生较大影响。

关键词：串列建筑物 标准模型 绕流风场 数值模拟

中图分类号：TU13 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（c）-0033-02

近年来高层建筑物得到了快速发展，由于高层建筑物的主要控制荷载是风荷载，风力对高层建筑物及建筑物周边环境的影响巨大。在人们日益关心人居环境的今天，对高层建筑物周边风场和风压进行系统研究是非常有必要的，可以为评估城市规划，及建筑物设计的合理性提供有价值的参考依据。

国内外学者对建筑周边绕流风场进行了数值模拟。吕文瑚等[1]对一栋10 m×10 m×10 m的建筑物模型运用用模型进行绕流计算，得到了建筑物表面压力分布及周边风速矢量分布。R.Yoshie等人[2]使用DSM、RANS以及LES等湍流数值模型对东京（新泻、新宿）现实街区建筑群风场模型进行了数值模拟。B. Blocken和J.Carmeliet[3]使用CFD方法在不同风向，不同风速条件下对不同类型的高层住宅建筑绕流风场进行了数值模拟，找到了在高层住宅建筑户外使人感觉到舒服的风场条件。马剑等[4]采用基于雷诺时均N-S方程和RNG湍流模型的数值研究方法，分别对具有风洞试验结果的单幢方形截面建筑和多幢矩形截面建筑组成的建筑群周边的风环境进行了数值模拟。目前对建筑风环境的研究较多，但大多集中在对单个建筑物的研究，对多个建筑物建筑物绕流及其相互干扰问题的研究相对较少。由此可见，建筑物群周边风场绕流特性更加复杂。该文拟采用标准湍流模型对串列建筑群风场进行三维数值模拟，研究串列建筑物间距、高差等因素对串列建筑周边风场变化的影响。

1 数值模拟理论

1.1 控制方程

建筑物风场绕流流动的基本控制方程为N-S方程组[5]，包括连续性方程和动量方程：

（1）

（2）

对连续性方程和动量方程分别进行时均化处理，得到基于雷诺平均的连续性方程和动量方程：

（3）

（4）

式中，为空间位置坐标；为方向的时均速度；为时均压力；为空气密度；为空气动力粘性系数，-为雷诺应力。

1.2 标准模型

标准模型[6]是为半经验公式，源于湍流动能和湍流耗散率，表达式分别如下：

湍流动能方程：

（5）

湍流耗散率方程：

（6）

由于该文所模拟的计算模型为定常工况，可将动量方程（4）、湍流动能方程（5）和湍流耗散率方程（6）简化为如下形式：

（7）

（8）

（9）

式中：为湍流动力粘度，表达式为；、、、、为模型常数，取值为，，，，。

2 串列建筑物周边风场数值模拟与分析

2.1 串列建筑物计算模型的建立

对于串列建筑物，共设置两单体建筑模型，如图1所示，两建筑底部边长为25 m×25 m，高度分别为H1、H2，建筑物之间间距为D。

为研究串列建筑间距、串列建筑高差等因素对串列建筑周边风场变化的影响。本文建立了3种不同参数的串列建筑物风场模型，各种模型参数如表1所示。

如图2所示，计算域网格在三维模型壁面处附近采用非结构性网格进行了加密处理，远场采用均匀网格，其网格间距最小尺寸取值在1～4 m之间。

2.2 边界条件的设定

速度入口条件：设定风速恒为1.6 m/s，其他方向的速度梯度为零。

压力出口条件：沿出口方向压力梯度为0。

壁面边界条件：采用固壁无滑移边界条件，即速度在各个方向梯度为0，压力法向梯度为0。

2.3 计算结果与分析

（1）串列建筑物高度H1=H2。

由速度矢量分布可知，它们速度分布图大体一致，都是上游建筑物顶部速度最大，而在两建筑物之间和下游建筑物背风面，速度方向发生改变出现了负值。随着两建筑物之间的间距增大，上游建筑物顶部风速增加，而两建筑物建筑之间风速和下游建筑物背风面回流速度绝对值同样增加。

速度流线显示在两建筑物之间和下游建筑的背风面产生大的旋涡区；在上游建筑物的顶部分离区和上游建筑物迎风面近地面处，产生小的旋涡区。

（2）串列建筑物高度H1>H2。

速度矢量分布与上一种情况类似，但有所不同是，随着两建筑物之间的间距增大，两建筑物建筑之间和下游建筑物背风面发生回流的速度的绝对值变小。

速度流线两等高建筑物的速度流线图相似，都在上游建筑物的顶部产生小涡区，以及下游建筑背风面和在两建筑物之间产生大的涡区。

（3）串列建筑物高度H1

由速度矢量分布可知，它们速度分布图都是在下游建筑物的顶部的速度最大，而在两建筑物之间和下游建筑物后面，速度出现了负值。随着两建筑物之间的间距增大，上游建筑物迎风面以及下游建筑物正方向的速度变大，而两建筑物建筑之间和下游建筑物背风面的发生回流的速度的绝对值变小。

在间距在临界间距且相等的情况下，建筑物的高度不等且分布不一样时，速度流场明显有很大的区别，但在上游建筑迎风面处速度流场大体一致。而在两建筑物之间由于建筑高度的影响，速度流场发生明显的变化，在等高时，两建筑物之间形成规则的反向漩涡；在前高后低时，回旋漩涡从上游建筑物背风面顶端一直延伸到下游建筑物迎风面的底端，整个涡流非常明显，作用在整个下游建筑物；而在前低后高时，建筑物之间的涡流对下游建筑物的影响较小。但在下游建筑物背风面三种布局形式均会出现明显的回流，以及在两建筑物顶部都会看到有较小的回流漩涡。从而进一步证实建筑物的布局前低后高是较为符合空气环境以及人性化的布局方式。在三种布局形式下，上游建筑迎风面的风速流场大体一致，在上游建筑迎风面均会出现明显的漩涡回流，在两建筑物之间由于风速流场在建筑物的影响作用下反向速度值均明显小于进口风速，这种低速回流在下游建筑物背风面亦会出现，并且明显可以看出此风速一直延伸很远的距离，甚于到达压力壁面出风口处。但在两建筑物的左右两侧也会出现明显的漩涡回流。