基于CFD 技术对长春某高校风环境数值模拟

2020-12-21蔡亚东张仕奇

北方建筑 2020年6期

蔡亚东，闫铂，张仕奇

（吉林建筑大学土木工程学院，吉林长春 130118）

0 引言

随着社会的发展和对技术人才的需要，高校在不断扩招，使得学校不断扩建，许多高校都选择向郊区发展。国外对室外风环境的研究较早，我国相对较晚，但发展极为迅速。我国对风环境的研究可以简单分为两类：一是对社会建筑的风环境进行数值模拟。二是对校园建筑进行风环境数值模拟。石银超对西安市某住宅小区从不同布局，不同建筑朝向进行数值模拟[1]；马剑等基于模型对由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[2]；侯璐对大连海洋大学校园进行模拟分析，从校园整体布局，绿化及单体建筑设计来考虑并提出优化方案[3]。孙睿珩针对长春市高校的宿舍进行模拟分析，并提出优化策略，为以后高校宿舍建设提供参考[4]；张豪等以天津大学局部环境为例，运用CFD 技术对其进行室外风环境数值模拟与研究，并提出改正措施[5]。

1 长春市风环境及学校概况

1.1 长春市气候与风环境简介

长春市位于中国东北平原腹地松辽平原。它属于建筑热工中的一个严寒地区[6]，长春市的风环境具有显著特点。风向全年都有，夏季和冬季是同一个方向。根据“中国建筑热环境分析专用气象数据集”数据[7]，冬季最大风向为西南风，最大风速为3.9 m/s，平均风速为3.1 m/s，夏季最大风向为西南风，平均风速为3.5 m/s，风向为西南风，如图1 所示。本文将用这些信息作为参数来模拟吉林建筑科技学院的风环境，主要模拟冬季的风环境，选择SW 风向作为冬季模拟风向，冬季外部的平均风速为3.9 m/s。

1.2 高校基本情

本文研究对象是吉林建筑科技学院，地处长春市西北角，位于长春市宽城区学建大路1111 号。

从校园所有建筑来看，建筑分布比较规整，建筑均坐北朝南，建筑功能划分区域比较明显，将学校内建筑分为4 个区域，如图2 所示：A 区包括土木工程馆，土木实验楼，建筑艺术馆，电气信息实验楼，电气信息馆，文管楼，实验中心，礼堂；B 区包括学生公寓；C 区包括学校图书馆和公共教学楼；D 区包括学生食堂，体育馆，体育场，医务室，商业街。

2 风环境研究的方法和软件选取

2.1 CFD 技术简介

CFD 是英文Computational Fluid Dynamics（计算流体动力学）的简称。它是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而发展的。CFD 诞生于20 世纪初，但它的突破性发展在20 世纪70 年代后期，它现在广泛应用于许多领域，比如建筑，航天，船舶，海洋等。

2.2 风环境研究方法

当下，研究风环境的方法主要有3 种，即现场测量法、风洞模型试验法和计算机数值模拟法。其中现场测量法与风洞模型试验法局限性较大，耗费极大的财力和物力，其结果受外界环境等因素影响。随着CFD 技术的进步，通过计算机对风环境的数值模拟，变成当今研究风环境的最主要的手段。计算机数值模拟的方法能够在较短的时间内依据实际尺寸的模型准确模拟建筑物的风环境[8]。

2.3 数值模拟软件的选取

当下数值模拟软件有很多，主要是Fluent，ANSYS CFX，PHOENICS，Star-CD 等。这些软件都具有完整的CFD 处理过程。本文选用ANSYS CFX 软件，因为它是目前市场上最常用的CFD 软件解决方案，软件的仿真已经验证了很多次，许多文档杂志和论文使用该软件进行数值研究模拟。

3 风环境数值模拟

3.1 建立模型

如图3 所示，鉴于目前吉林建筑科技学院设计图纸的现状，ICEM 用于构建模型，在进行数值模拟时，需要对实际建筑群做必要的简化处理，忽略建筑物表面凸凹，以减少计算量，加快计算速度，从而使模型适当的简化。

3.2 划分网格

网格是CFD 模型几何表达形式。网格质量对仿真结果有重要影响。网格分成结构网格和非结构网格。本文选择非结构性网格，与结构网格不同，非结构网格的网格单元和节点是任意分布的，其位置没有遵循固定的矩阵规律进行有序排列，不受模型的拓扑结构影响，能够对复杂的几何形态进行精确的描述[9]。

3.3 边界条件设定

入口边界采用速度进口边界条件，V=3.9 m/s。出口边界采用完全发展的出流边界条件。本文研究的是近地建筑周边行人区的风环境，选取行人1.5 m 高度处的风环境模拟结果，并进行分析。建筑物表面和地面选用无滑移的壁面条件。

3.4 计算区域划定

室外风环境的模拟不仅要建立物理模型，还要建立模型的计算区域。计算区域过大过小都会影响模拟的结果。计算区域一般为长方形，根据以往的研究来看，将计算区域的高度取物理模型最高点的3 倍，来流方向与出流方向宽度为物理模型宽度的3 倍，物理模型两侧区域为物理模型的3 倍。

4 风环境模拟结果与分析

本文选取行人高度1.5 m 处风环境模拟结果分析。根据风环境评价标准将5.0 m/s 定为人体舒适度风速值，此外，研究表明，在环境卫生方面，当风速低于0.4 m/s 时，不利于空气中的污染物排出[10]。

长春风向是西南风，见图4~图5，校区内整体风速都＜6.3 m/s，大部分风速在5.0 m/s 范围内，高风速区域出现于建筑的角落，在建筑物的密集区域风速约5.2 m/s，并且对建筑物的大体量阻挡风的影响较大，建筑物的后部形成较小的风区，建筑物朝向与主导风向夹角越大，建筑物迎风面越大，形成风影的可能性也越大。

图2 中A 区包括土木工程馆，土木实验楼，建筑艺术馆，电气信息实验楼，礼堂，电气信息馆，文管楼，实验中心。绝大部分区域风速在5.2 m/s 以内，在礼堂拐角处产生高风速，风影区域集中在建筑的东南方，以及靠近建筑的区域。在建筑艺术馆南面和礼堂南面没有建筑物遮挡，风速在5 m/s~6 m/s 之间，造成环境恶劣，影响人们的户外活动（见图6~图7）。对于其他建筑而言，风影区是在2 个建筑之间的区域产生，风速为0.64 m/s~1.2 m/s，自然通风超过0.4 m/s，有助于污染物排放。

图2 中B 区包括13 栋学生公寓，该区建筑布局良好，70%的风速＜4 m/s，高速风区位于建筑西侧的开放空间内，楼角最高风速达到5.9 m/s，建筑物运动面和建筑物内风速小。其中几栋建筑是L 型，其背风面产生风影区。公寓西侧和拐角处风速突变，人们行走可能会有不适感。其他区域风环境较好，有利于通风（见图8～图9）。

图2 中C 区包括学校图书馆和公共教学楼。如图10～图11 所示，由1.5 m 处的风速云图和风速矢量图可知，大部分区域的风速＜2 m/s，图书馆的建筑形状为U 形，在背风面会产生风影区且风速＜0.4 m/s，影响空气流通。在2 栋建筑之间距离较近，产生“峡谷效应”。在电气管和公馆管西侧拐角风速突变，人行走经过时会有不适感。其余区域环境较好，适合师生室外活动。

图2 中D 区包括学生食堂，体育馆，体育场，医务室，商业街。，体育场东南角和西北角的风速＞5 m/s，而人们步行到此处的风速会引起不适，体育场西侧的风速在2.5 m/s～3.7 m/s 之间，良好的通风非常适合户外运动。食堂和医务室形成很大风阴影，风速＜0.4 m/s，那里的人流应采取措施增加通风（见图12~图13）。