基于Airpak软件的回字形建筑风环境模拟研究

李姗姗，王 钊，龚伶俐，钟紫薇，臧思情，王 悦

(大连民族大学 土木工程学院，辽宁 大连 116605)

基于Airpak软件的回字形建筑风环境模拟研究

李姗姗，王 钊，龚伶俐，钟紫薇，臧思情，王 悦

(大连民族大学 土木工程学院，辽宁 大连 116605)

对Airpak软件的计算准确性进行了评估，证明其在风场模拟上具有较高的准确性。然后基于Airpak软件对回字形建筑的室外风环境进行了模拟，结果表明回字形建筑设计能营造较好的风环境，但其建筑布局中的狭长通道会出现较高的风速，应尽量避免。模拟结果对回字形建筑的合理布局起到一定的指导作用。

建筑风环境；Airpak软件；回字形建筑

人们以往关注的建筑环境，主要以建筑室内热湿环境、空气品质、光环境、声环境为主，很少关注建筑室外风环境。随着社会的发展，人们对建筑室外风环境的要求也越来越高。室外风速和风向影响着建筑室外风环境，建筑的布局形式也显著影响室外风环境。不合理的建筑布局易产生“峡谷效应”，出现局部强风，让人感到非常不舒适；建筑布局不合理还易导致局部涡流，使得垃圾不断在涡流处旋转、堆积，破坏小区卫生环境，对居民健康造成危害。而合理的建筑布局使得小区内部风速均匀，居民舒适感高，能减轻小区内污染，在很多时候也可以间接提高室内环境的水平[1]。

本文基于此对应用较多的回字形建筑布局室外风环境展开了研究。风环境的研究方法主要有现场实测、风洞模型试验和计算机数值模拟[2]。现场实测法是针对已建成的建筑进行测试，而在项目初级阶段对风环境的研究只能采用风洞模型或计算机模拟。风洞实验室成本高，由于条件的限制，很难大规模推广使用。随着计算机技术的发展，CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学)技术越来越多的应用在工程之中，利用CFD模拟能节省大量实验成本，是应用较为广泛的一种方式。

目前应用较多的CFD商用软件有FLUENT，STAR-CD，PHOENICS等，它们的功能比较全面，适用性强，可以求解工程界中的各种复杂问题[3]。本文采用FLUENT下的Airpak软件对风环境进行模拟。在进行模拟之前，首先实验验证了Airpak软件模拟的准确性，然后基于Airpak软件对回字形建筑的室外风环境进行了数值仿真。

1 Airpak软件准确性评估

为验证Airpak软件在风场模拟上的计算准确性，开展了实验研究与理论模拟相比较的工作。如果直接测量建筑室外风场，由于室外风速、风向变化迅速，不易测量出稳定的实验结果，因此本文采用在室内搭建小型实验测试系统，利用大功率电风扇提供测试房间可控的较为稳定的风环境，然后利用微风测试仪对室内不同位置的风速、温度、相对湿度等进行测试，最后将测试结果与Airpak软件的模拟结果进行比较。

1.1 实验测试系统

室内实验是利用可调速的大功率电风扇产生相对稳定的风场，然后通过测试房间窗洞吹入房间内部，并通过房间敞开的门流出，测量该情形下房间的气流组织。测试房间的长、宽和高分别为480，420，250 cm，窗洞的高和宽分别为100，90 cm，门的高和宽分别为190，80 cm，测试房间布置如图1。测试仪器采用微风测试仪，有三个探头，距地面分别为55，105，163 cm，可以同时测量测点垂直方向上三个位置的风速、温度和相对湿度等信息。房间布置了0～9共10个测点，如图2，其中0点是为了后续输入到Airpak软件中作为边界条件而布置的。

实验过程中，保证只有风扇提供风，避免其他干扰。实验先开启一台电风扇，记录室内10个点的风速等信息；然后开启两台电风扇，记录室内10个点的风速等变化情况，为后续模拟对比提供依据。

图1 实验房间示意图 图2 房间实验测点分布

1.2 模拟结果与实验结果比较

1.2.1 实验结果分析

选取距地面105 cm处探头的实验结果进行分析。测点0的风速最高，一台风扇时风速为0.91 m·s-1，两台风扇时，风速为1.10 m·s-1，一台风扇运转和两台风扇运转时风速变化趋势基本一致，两台风扇开启时比一台风扇开启时风速略高，如图3。在7、9、3测点连成的直线上(离窗洞由近到远)，风速呈下降趋势，如图4。

图3 室内各测点风速变化

图4 离窗洞由近到远实验风速变化情况

1.2.2 软件模型设置

室内模型按实际房间尺寸建立，如图5。网格为六面体网格，并对通风口处网格进行加密处理，网格数量为50 400个。在边界条件中，入口边界分别设置为开启一台风扇和两台风扇时的实验测量风速0.91 m·s-1和1.10 m·s-1，六个面都设置为wall类型，门设置为一个vent类型，初始速度设置为0 m·s-1。本例采用RNG k-ε湍流模型进行求解，计算至收敛。

图5 房间模型

1.2.3 模拟结果与实验结果比较

入口风速1.10 m·s-1和0.91 m·s-1时距地面105 cm高度上的风速云图如图6-7，入口风速1.10 m·s-1时房间风速矢量图及中心轴线上的速度分布云图如图8-9。可见风速越大风流经墙壁产生的回流越明显，离窗洞越远风速越低，纵向上风速由窗中心高度向两侧依次减弱。当入口风速分别为1.10 m·s-1和0.91 m·s-1时，房间进深方向风速模拟值变化趋势与实验结果一致，如图10和12，图11为入口风速为1.10 m·s-1时测点7处不同高度下风速的比较，模拟值和实验值变化趋势也一致。由图可见，模拟值与理论值的差异在可接受范围内，可用Airpak软件的模拟结果评估建筑风环境。

图6 105 cm水平高度上的风速 图7 105 cm水平高度上的风速 云图(入口风速1.10 m·s-1) 云图(入口风速0.91 m·s-1)

图8 105 cm水平高度上的风速 图9 房间中心轴线上的速度分布 矢量(入口风速1.10 m·s-1) 云图(入口风速1.10 m·s-1)

图10 高度105 cm处测点实验值与模拟值风速对比 (入口风速1.10 m·s-1)

图11 测点7不同高度下风速比较 (入口风速1.10 m·s-1)

图12 高度105 cm处测点实验值与模拟值风速对比 (入口风速0.91 m·s-1)

2 回字形建筑室外风环境模拟

2.1 软件模型设置

本文以大连民族大学土木楼布局为例探讨回字形建筑室外风环境情况，根据建筑图纸建立几何模型，如图13。模拟计算区域的大小以不影响气流流动为准。根据相关资料合理分配计算资源，确定室外计算区域为350×75×180 m3。网格划分为六面体型，对重点研究区域网格进行了加密处理，网格数量为68万，网格划分如图14。

图13 几何模型

图14 网格划分情况

大气边界层采用幂函数风剖面公式：

(1)

一个入口采用大气边界条件(图15-18右侧边界)，风速设置为5.50m·s-1，5.50m·s-1为根据气象数据查得的大连地区月平均最大风速，根据式(1)计算可得距地面高度1m处风速为3.81m·s-1，距地面1.6m处风速为4.10m·s-1。出口边界条件全部设置为压力出口，环境相对压力设置为0Pa。

2.2 模拟结果分析

室外风环境模拟结果如图15-18。其中，图15-16是距地面1.0m处的回字形建筑风速分布云图和风速分布矢量图，图17-18是距地面1.6m高处的回字形建筑风速分布云图和风速分布矢量图。从图15-16可以看出，在距地面1.0m高度处，回字形建筑闭合区域内风场较为均匀，回流不明显，风速基本在0.5～1.0m·s-1，但是建筑上部的狭长区域的风速提高到了1.5m·s-1，远高于其他位置的风速。从图17-18可见，在1.6m处比在1.0m处风速有了提高，1.6m高度处回字形建筑闭合区域内风速在0.8～1.6m·s-1，狭长区域内的风速提高到了2.5m·s-1，随着距离地面高度的增加，狭长区域的风速增加明显。大连地区5级以上的风速较为常见，风速可达到8m·s-1以上，此时回字形区域的风速可能达到5m·s-1以上，人体吹风感将非常强烈，位于狭长区域高层的位置风速将更大，十分不利于冬季的保温。

图15 1.0 m高处风速分布云图 图16 1.0 m高处风速分布矢量图

图17 1.6 m高处风速分布云图 图18 1.6 m高处风速分布矢量图

由上述模拟结果可知，如果回字形建筑是闭合的布局，在室外高风速的情况下，也可形成均匀的低风速风场，住户在小区内部活动舒适性好，在寒冷、高风速、高热或风沙的天气下也可获得较好的室内热环境，适合于冬季温度低、风速较大的区域或干热、易受风沙袭击的区域采用。如果回字形建筑不是闭合的，存在狭长通道的时候，在狭长通道区域会形成高风速，尤其在大风天气，将使得从其区域通过的人们产生强烈的不适感，而且位于其附近的住户在大风天气下室内风速可能也会偏大，不利于冬季保温。

3 结 语

本文将Airpak软件的模拟结果与实验结果进行了对比，结果表明Airpak软件在不同测试位置及高度上风场模拟结果与实验结果变化趋势一致，模拟值与理论值差异在可接受范围内，可用Airpak软件的模拟结果评估建筑风环境。最后基于Airpak软件对于回字形建筑的室外风场进行了模拟，结果表明回字形建筑内部风速小于迎风面风速，回字形的建筑能营造良好的风环境，但在回字形区域内部的狭长通道风速显著提高，在以后的建筑布局中，应尽可能避免回字形建筑内部的狭长通道。

[1] 袁巍巍.住宅小区风环境数值模拟研究[D].天津：河北工业大学,2014.

[2] 王青, 詹庆明. 武汉地区住宅小区风环境的数值模拟分析[J]. 中外建筑,2010(12):95-97.

[3] 刘彩霞, 邹声华, 杨如辉. 基于Airpak的室内空气品质分析[J]. 制冷与空调,2012(4):381-384.

(责任编辑 邹永红)

Study on the Wind Environment Simulation of Back-Shaped Building Based on Airpak Software

LI Shan-shan, WANG Zhao, GONG Ling-li, ZHONG Zi - wei,ZANG Si-qing, WANG Yue

(School of Civil Engineering, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China)

The calculation accuracy of Airpak software was evaluated, and it is verified that the Airpak software has a higher accuracy of calculation in the wind field simulation. The outdoor wind environment of the back-shaped building is simulated by Airpak software. The results show that the back-shaped building can create a good wind environment, but the long and narrow channel in the back-shaped building will produce a high wind speed, which should be avoided. The simulation results will provide guidance in the rational design of the back-shaped building.

wind environment; Airpak software; back-shaped building

2016-11-14；最后

2016-12-05

大连民族大学人才引进科研项目。

李姗姗(1984-)，女，黑龙江呼玛人，副教授，博士，主要从事建筑技术和小型低温制冷机的研究。

2096-1383(2017)01-0063-04

TU

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