基于CFD 技术对板式高层建筑风环境数值模拟

张仕奇，闫 铂，蔡亚东

（吉林建筑大学土木工程学院，吉林 长春 130118）

0 引言

随着我国城市化发展进程不断加快，随之而来的是城市人口数量的不断增加，高层建筑的发展成为了解决未来城市人口爆发的重要条件，目前我国对高层建筑的设计依然停留在以日照，绿化，防火等影响因素来决定建筑的布局[1]，对建筑群风环境的影响考虑不周，而恶劣的风环境不仅会造成污染气体难以排放，还会威胁行人的生命安全。例如1965 年英国渡桥冷却塔倒塌事故的原因就是因为忽略了群塔风环境的效应[2]，导致了场间风速瞬间增大，加之设计冷却塔时未考虑风环境的影响，设计的钢筋数量无法承受瞬时的风压，导致冷却塔坍塌。然而在高层建筑密集的城市中心，风环境的情况会更加的复杂，很容易形成不利风环境，因此对建筑周围风环境的研究具有实际意义。

近年来，国内外的学者对风环境的研究大致分为两个方向，一是对既有的建筑群进行风环境的分析，提出改善风环境的可行方案；二是对各种建筑布局进行风环境的分析，为建筑规划设计提供可视化的数据，对建筑群的风环境进行优化[3]。目前对风环境的研究手段有风洞试验、现场实测和数值模拟3 种方法，随着计算机性能的不断提高，数值模拟的优势越发明显。

目前国内外应用CFD（计算流体力学）技术对风环境进行了诸多研究，Allgrini Jonas 等人通过改变建筑高度的方式，运用CFD 模拟探讨了建筑形态对其周围风环境的影响，结果表明高度变化对周边气候有明显的影响[4]。孟晗等[5]研究了不同建筑群开口角度对周围风环境的影响，宋文鹃等[6]研究了对于不同高差的2 栋并列高层建筑风环境的影响，马剑等[7]采用RNG 模型对由6 个矩形截面高层建筑组成的8 种不同布局形式的建筑群在人行高度处对风速比做了模拟分析。王辉等人基于Reynolds 时均方程，采用SST 湍流模型，以点式高层建筑群风环境为研究对象，分析了6 种平面布局下人行高度处的风场分布，结果表明前排布置单栋建筑时可减小行人高度处风速[8]。岳梦迪在其硕士论文中对板式建筑的不同形态和布局进行了风环境模拟，以北京市气候为基准，探讨了板式高层住宅人行区域风环境的优化方法，得出各类要素对风环境的影响规律[9]。上述的研究大多是从建筑的形态和布局两方面来探讨行人高度处风环境的优劣，而对于建筑之间间距的变化，以及风向对建筑周围风环境影响的研究却很少。

1 研究内容

本文采用ANSYS FLUENT 软件分别对单、双栋板式建筑物进行了数值模拟，在对双栋建筑模拟中改变了并排2 栋建筑的间距，通过间距的变化探讨双栋建筑风环境，随后改变来流处的风向角，通过风向角的改变探讨风环境的优劣。建筑模型使用ICEM CFD 软件建立，其尺寸为长度L=50 m，宽度W=20 m，高度H=60 m。计算域尺寸为来流方向距离建筑5 L，出流方向距离建筑10 L，计算域两侧距离建筑5 L，高度为5 H。具体模型见图1～图2。

2 模拟可行性验证

2.1 网格划分

为了证明本文模拟所得数据的可行性，通过与CAARC 标准高层建筑模型的风洞试验数据作对比验证模拟的精确[10]，该风洞试验是在湖南大学教育部建筑安全与节能重点实验室的HD-3 大气边界层风洞所做，试验模型选用有机玻璃板制作，缩尺比为1：300，通过本文模拟的足尺模型所得测点的平均风压系数对比试验所得的相同测点的平均风压系数来验证模拟的可行性。风洞试验数据来源于文献[10]。CAARC 模型是几何尺寸为30.48 m×45.72 m×183.88 m 的矩形截面建筑，其表面光滑平整。计算域尺寸为503 m×776 m×919 m，为了减少计算时间，在进行网格划分时只对建筑表面进行加密处理，整体网格采用非结构化四面体网格，网格单元数量为1 666 099，最小网格质量0.35，符合流体计算要求，网格的具体划分见图3。

2.2 边界条件设定

入口边界条件：入口处采用速度入口边界（Velocity-inlet）， 入口处风速采用指数律分布其速度表达式为其中地面粗糙度α 为0.3，参考高度zref取8 m，参考高度处风速vref取12 m/s。

出口边界条件：采用自由出口（Outflow）。

建筑物表面及计算域的两侧和顶部：采用无滑移壁面。

计算域底面：采用对称边界（Symmetry）。

2.3 模拟结果

在进行数值模拟的过程中，分别采用了标准kε 湍流模型和SSTk-ω 模型进行数值模拟，建立了9个测点与风洞试验数据进行对比，测点的坐标分别为 p1（0，22.68，122.59），p2（0，13.176，122.59），p3（0，4.572，122.59），p4（3.048，0，122.59），p5（15.24，0，122.59），p6（27.432，0，122.59），p7（30.48，4.572，122.59），p8（30.48，13.716，122.59），p9（30.48，22.86，122.59）。测点的详细布置见图 4，最终所得各测点的平均风压系数如图5 所示。从所得数据来看，迎风面的3 个测点对比试验数据吻合度较差，2 种模型的平均风压系数均低于试验所得的数据，而侧面和背风面测点较试验数据相比较为吻合，其中标准k-ε 模型与风洞试验数据的最大误差在p1 测点，最大误差为30%，而SSTk-ω 模型的最大误差为20%，所以选择SSTk-ω 模型作为后续模拟的湍流模型更为合适。

3 模拟流程

计算模拟可分为3 个过程，分别是前处理、求解过程和后处理。前处理过程包括几何建模、网格划分、设定边界条件、选用湍流模型4 个步骤。其中几何建模部分不再赘述，详见本文第一小节。网格采用非结构四面体网格对模型进行划分。边界条件设定如下，入口处边界采用速度入口（Velocity-inlet），风速分布采用指数律分布，其中风速表达式为取 0.3，参考高度 zref取 5 m，参考高度处风速vref采用长春市年平均风速3.9 m/s，湍动能表达式为 k=1.5（v·I）2，湍流耗散律表达式为 ε=C其中 Cμ=0.09，湍流积分尺度 l=100（z/30）0.5，湍流频率出口条件选用自由出口（Outflow），建筑表面和计算域两侧采用无滑移壁面条件，其他边界采用对称边界（Symmetry）。湍流模型采用SSTk-ω 模型；入口处边界条件采用UDF 编译[11]。

求解过程包括对求解器的设置，算法的选择，离散格式的选取[12]，在本文模拟中选用SEMPLEC算法求解，离散格式均用二阶迎风格式，残差曲线降至1·e-4后视为计算收敛。后处理过程较为简单，不做过多赘述。

4 计算结果及分析

4.1 对单、双栋建筑风环境比较分析

在进行风环境的分析时我们需要考虑2 个影响因素，既行人高度处的人体舒适度和污染物的排放2 个角度，行人高度通常指的是1.5 m 高度处，运用风速比的概念对风环境进行评估和分析，风速比表示为该区域处的平均风速与入口处吹来的风速的比值，通常当风速比＞2 时我们认为该区域的风速过大，从行人舒适度角度来说该区域风环境不够理想，而当风速比＜0.5 时，我们认定该区域为静风区，由于风速过小导致污染气体无法排放。首先对单栋建筑 1.5 m 高度处进行分析，见图 6（a）及图 6（c），从图6（a）中我们可以看到在建筑迎风面的两侧形成了大面积的风速突变区域，最大风速比达到了2.5，从人体舒适度角度来说十分不利。在建筑物的背风面形成了大面积的风速比为1.0 的风影区，背风面的两侧形成了风速比＜0.5 的静风区，不利于污染气体的排放。在建筑的四周形成了小面积的静风区。从图6（c）中可以看出背风面的风影区以旋涡的形式存在，两侧的风速突变区域是因为当风从正面吹向建筑时，由于高层建筑的阻挡，产生了逆风，而逆风是向四周吹回，在建筑的两角处，由于来流的风不断吹来，与建筑阻挡形成的逆风叠加形成了风速突变的情形，这也是为什么在建筑正面的前方约30 m 的位置会形成风速较小的风影区的原因，同样是因为叠加原理，只不过风是矢量分布，从正面吹回的逆风与来流处的风相互抵消，形成了小风速的区域。

对比并排双栋建筑来看，双栋建筑的场间最大风速与单栋建筑相比没有明显的变化，说明风速的大小与建筑遮挡面积的大小无关。如图6（b）所示，双栋建筑在迎风面的两侧和两栋建筑的廊道之间为最大风速所在区域，而2 栋建筑的背风面均形成了大面积的静风区，分析图6（d）来看，由于建筑之间形成的狭管效应，狭管效应是指由于2 栋建筑相邻布置，当风通过廊道时，由于间距较近，导致边墙处的风汇到一起形成的高风速现象，因为这种现象，通过廊道的风无法改变方向，也就无法与背风侧的风产生回流，所以从图6（d）中看，双栋建筑的背风侧没有形成漩涡，导致背风侧的通风效果极差，十分不利于污染物的排放。这种狭管效应与建筑的间距、风向息息相关。

4.2 对并排建筑间距变化的分析

从图7 中分析来看，两建筑间距的改变对背风面静风区面积影响很大，当建筑间距为10 m 时背风面静风区面积最大，随着建筑间距的增加，静风区的面积减小，当建筑间距增加到一定程度时，背风面静风区区域面积会增大，从图7（c）可以看出两楼间距为18 m 的工况背风面静风区面积最小。

此外，建筑物周围最大风速比随着建筑间距的改变没有变化，均为2.5，且最大风速突变区没有明显变化。但是建筑间的狭管效应与建筑的间距变化有关，从图7 所有的云图中对比分析我们可以很明显的看到随着建筑的间距增大，建筑廊道之间最大风速风影区面积减小，当建筑间距达到18 m 时最小。而当建筑间距超过18 m 后，双栋建筑的双体遮挡效应明显变弱，2 栋建筑的风速分布与单体建筑的风速分布相似，所以从图7（d）和图7（e）中我们可以看到建筑间距为22 m 和26 m 的建筑之间的最大风速区域变大，因此，从人体舒适度的角度来考虑建筑间距的布置在14 m 和18 m 之间风环境最为理想。

4.3 对双栋建筑不同风向角风环境分析

根据上一小节的结果我们可以知道，建筑间距在14 m～18 m 之间最为理想，因此在做风向角模拟时我们将建筑间距选为18 m。如图8 所示，当风向角为15 °和30 °时，建筑周围的最大风速达到了7.99 m/s，最大风速比达到了3.0，最大风速区域均出现在两建筑的廊道之间，这种风的分布对行人的安全造成了极其不利的影响，风向角超过30 °后，随着风向角度的增加，场间最大风速比减小，当风向角达到75 °时，最大风速比为2.0。从背风面风影区角度来看，风向角越大，背风面的静风区面积越小，但是当风向角达到了90 °后，建筑的两侧及廊道中间形成了大面积的静风区。从行人安全的角度来考虑，风向角在 15 °～45 °之间十分不利，在 60 °～90 °之间对行人来说是相对舒适安全的。从污染物排放角度来看，风向角在0 °～45 °之间背风面一侧的静风区面积较大，不利于空气流通，在75 °～90 °之间对建筑的两侧以及通道处污染气体的排放十分不利，所以，当风向角在60 °～75 °之间时，对建筑周围污染气体的排放最为合适。综合来看，在布置并排建筑时应当根据当地平均风的流动情况尽量将建筑布置在风向角为60 °～75 °之间的位置。

5 结论

根据本文模拟所得结果及分析，我们可以得出如下4 个结论。

1）通过对比CAARC 高层标准建筑风洞试验数据，我们可以得出在进行建筑风场模拟湍流模型的选择时，SST 模型要比标准模型的误差小。

2）单栋建筑与并排双栋建筑的风环境在迎风面一侧相类似，均在建筑的两侧形成了风速突变区域，且在迎风面前约30 m 处形成了小面积的静风区，在背风面一侧双栋建筑形成了大面积的静风区，而单栋建筑形成了大面积的风速比＞1 的风旋涡，可以得出结论双栋建筑背风侧的通风效果较差。在双栋建筑的两建筑中间形成了狭管效应，风速过大，对行人安全不利。

3）通过改变两建筑的间距，我们可以得出建筑间距的变化对两建筑间廊道及背风侧的风环境有一定影响，对于两建筑间的狭管效应，间距过小和过大都会产生较差的影响，对于背风侧静风区面积，随着间距的增加，静风区面积减小，但增大到一定程度时双体遮挡效果不再明显，最终得出建筑的间距在14 m～18 m 范围内风环境最为理想，设计师在设计时可以考虑按此间距布置。

4）风向角的改变对建筑风环境的影响较大，风向角在15 °～30 °之间时两建筑中间的廊道风速最大，风速比达到了3.0，对于行人安全极其不利。风向角在75 °～90 °之间时建筑两侧的静风区面积较大，不利于污染物的排放，综合结果来看，当风向角处于60 °左右时风环境最优，因此在规划并排建筑布局时，根据当地情况尽量将建筑布置在处于风向角60 °左右的位置，这样既能符合行人舒适度指标又能满足污染物排放要求。