多因素作用下小区风环境风洞试验研究

沈 炼，韩 艳，唐春朝，袁 涛，杨 瑛，匡希龙

(1. 长沙学院土木工程学院，长沙 410022；2. 长沙理工大学土木工程学院，长沙 410076；3. 湖南大学土木工程学院，长沙 410082；4. 湖南省建筑设计院有限公司，长沙 410012)

现代城市小区随着建筑高度与密度的不断增加，其风环境愈加复杂，由高耸建筑物排列不当引发的人行高度风环境危害屡见不鲜[1]。目前国内外学者对其展开了大量研究[2-4]，主要研究手段有风洞试验和数值模拟[5-6]，数值模拟由于可反映风场的分布机理近年来得到了广泛应用[7-9]，但不足的是模拟过程对计算参数依赖性强，往往需要用风洞试验进行验证[10]。近年来风洞试验研究随着试验设备与试验条件的快速发展，其试验规模也实现了由单体建筑模型[11]到小区模型的过渡[12]。如关吉平等[3]利用风洞试验对缩尺比为1∶300 的群体建筑风环境干扰效应进行了研究。金海等[13]对北京某商业中心风环境进行了风洞试验并对其风环境不舒适区域提出了改善建议；刘立创[14]也采用1∶300 的缩尺比对高层建筑行人高度风环境进行了风洞试验并定量评估了环境舒适度。Ricci等[15]则对缩尺比为1∶300 意大利老街道城市边界层进行了试验分析，获得了城区风剖面演变规律。这些风洞试验为日后数值模拟提供了宝贵借鉴，但不足的是，这些研究采用的风洞尺寸一般相对较小，风洞壁与建筑模型距离过小会挤压风场引起流场的加速，从而影响试验结果。同时，这些试验模型只模拟了小区核心位置，并没考虑小区外围建筑的边界效应，加之试验过程中人行高度风速监测探头布点较少，很难精确、全面地捕捉小区流场信息。为消除周围建筑对小区流场的边界效应，Weerasuriya 等[16]考虑周边建筑影响后利用扭曲来流对香港典型城区进行了1∶400 的缩尺试验研究，发现扭曲来流剖面作用下的人行高度平均风速相比常规风剖面来流更大；Zhang等[17]利用1∶200 的缩尺试验对抬高建筑行人高度风场进行了评估分析；Du 等[18]对香港理工大学校园建筑进行了1∶200 的缩尺风洞试验，验证了数值模拟的正确性；Antoniou 等[19]则对紧凑密集城区进行了的风洞试验分析，讨论了不同数值方法与试验结果的偏差。这些风洞试验相比无周边建筑情况其试验精度有了明显提升，但由于受到风洞尺寸的限制，风洞壁对风场的边界效应仍未消除[20]。同时这些研究关注点主要集中在小区水平、竖向风速分布以及风环境评估等方面，对不同因素影响下人行高度风场分布规律及影响机理的针对性分析仍未涉及。

因此，基于上述研究的不足，本文以长沙通用时代国际社区为研究背景，利用大尺寸边界层风洞对其风环境进行了全方位，多工况试验研究，在考虑不同入口来流、风速、风向角、高耸建筑与植被等因素后获取了小区内部风场的详细分布，揭示了人行高度风环境在不同因素影响下的分布规律，弥补了当前试验研究的不足，相关结论可供类似风洞试验研究与实际小区规划借鉴。

1 风洞试验简介

1.1 研究对象

以长沙市天心区通用时代小区为研究对象，该小区占地200 亩，总规模近50 万平方米，位于长沙市中心城区，小区北侧为长沙理工大学，四周为6 层～15 层的居民楼，属典型居民小区，对该小区进行研究具有普遍意义。研究过程中，以小区中心为坐标原点，取直径1200 m 所围成区域为试验对象，试验对象如图1 所示。

图 1 试验区域Fig. 1 Domain of the test model

1.2 风洞介绍

本试验在长沙理工大学风工程与风环境研究中心进行，风洞试验段尺寸为10.0 m(宽)×3.0 m(高)×21.0 m(长)，转盘直径为5.0 m，风速在1.0 m/s～18.0 m/s 可调，采用变焦距风扇系统，确保低风速流场品质，建筑模型放置于风洞转盘上，模型直径为4.8 m，缩尺比为1∶250。其中模型核心区域采用施工图建立，外围建筑模型采用ArcMap 数据建立，建成的试验模型如图2(b)所示，模型阻塞比约为4%，雷诺数为4.0×105，左、右两侧均留有2.5 m 空间，较好地避免了试验过程中风洞壁对模型风场的挤压。

图 3 欧文探针与监测点分布Fig. 3 Irwin sensor and monitoring points distribution

图 2 风洞试验Fig. 2 Wind tunnel test

1.3 风速测量装置

试验过程中，水平方向(人行高度)风速采用欧文(Irwin)探针测量，如图3(a)所示，对探针顶部和中间凹槽部位测压，其压力值分别为P1和P2，根据欧文探针理论[21]，压力与风速存在如下对应关系：

式中：v为测量风速； α 、 β为标定系数。试验前，以Croba 风速仪为参照，对170 组欧文探针进行标定，标定系数均大于0.99，将标定后的欧文探针安装于小区内部。其中，小区核心区域探针布置相对较密，外围区域探针布置相对较稀，安装位置如图3(b)中圆点所示。其中，风压测量采用美国PSI DTC Initium 型的电子压力扫描阀，采样频率350 Hz。

竖直方向风速测量采用澳大利亚TFI 公司的Cobra 风速探头，Cobra 能够同时捕捉x、y、z三向压力和风速时程，采样频率为500 Hz。试验过程中，Cobra 风速仪配合二维移测架使用，可方便捕捉所需测点风剖面，试验测量装置如图2(b)所示。

1.4 设计工况

为探究不同因素下小区风环境的分布规律，对小区模型进行了多工况试验研究，模拟了4 m/s、5 m/s、6 m/s、7 m/s、8 m/s、9 m/s 这6 种 不同C 类地貌来流。同时在8 m/s 风速下分别对有无高耸建筑(以星宇V 立方为例，该建筑高150 m，占地面积8456 m2)、有无植被等情况进行了多工况试验。试验过程中，利用欧文探针捕捉人行高度2 m处的风速信息，并利用Croba 风速仪对典型工况下核心位置风剖面进行详细监测，各工况汇总如表1 所示。

表 1 模拟工况汇总Table 1 Test cases

2 风环境试验结果分析

试验过程中，对照表1 所述工况，分别对不同来流，不同风速，邻近高耸建筑与植被4 种因素作用下的小区平均风场进行了深入分析。

试验过程中的风向角定义如图4 所示，同时，在0°风向角作用下，监测了1 号、2 号、3 号点的风剖面分布，在90°风向角作用下监测了4 号、5 号、6 号点的风剖面分布，在180°风向角作用下监测了7 号、8 号、9 号点的风剖面分布，在270°风向角作用下，监测了10 号、11 号、12号点的风剖面分布，监测点位置如图4 所示。

图 4 风向角示意图Fig. 4 Wind directions

2.1 不同来流下的小区风场分布

采用均匀流和C 类地貌来流两种工况分别对小区风环境进行分析。工况CA1 为均匀流，模拟风速为8 m/s，工况CA2 为大气边界层来流，利用尖劈、粗糙元、横杆模拟出C 类地貌，试验缩尺后的梯度风参考高度为1.6 m，风速为8 m/s，模拟的风速剖面和湍流度剖面如图5 所示。

图 5 入口边界条件Fig. 5 Inlet flow boundary

在0°风向角作用下，通过对人行高度风速进行监测，获取了不同入口来流下各点的实时风速，风速采集时间为1 min，其无量纲风速分布如图6 所示。从图中可以发现，不同来流作用下的无量纲平均风速整体上趋势一致，如CA1、CA2两种工况在东南角平均风速相对较大，而在东北角相对较小。对局部进行分析发现平均风速仍存在一定偏差。将两种来流下的无量纲风速进行对比，如图7 所示。为定量获取两种来流下小区风剖面与湍流度剖面的分布差异，对180°风向角工况进行分析，(180°风向角流场跨过建筑物距离最长，流场发展相对更为充分)，通过监测离模型边缘800 m 位置的7 号、8 号点(见图4)，得到的风剖面与湍流度剖面分布如图8 和图9 所示。

图 6 不同入口来流作用下小区风场云图Fig. 6 Velocity contour under different inflow

图 7 不同入口来流下的平均风速对比Fig. 7 Comparison of velocity under different inflow

图 8 7 号、8 号点风剖面 (180°)Fig. 8 Wind profile of points 7 and 8 (180°)

图 9 7 号、8 号点湍流度剖面Fig. 9 Turbulence intensity profile of points 7 and 8 (180°)

从图8 中可以发现两种工况作用下 7 号、8 号点的风剖面吻合较好，说明周边建筑模型增大了地表粗糙度，通过800 m 的粗糙距离，产生了与C 类风场较为一致的平均风场。但从图9 中发现，两种工况的湍流度剖面还相差较大，特别是在1 m 高度以下，C 类地貌来流作用下的小区内部湍流度要明显大于平均来流，说明800 m 的地表建筑距离还不能产生与C 类地表较为一致的湍流效应。

2.2 不同风速下的小区风场分布

为获取不同风速下小区内部流场分布机理，对6 种(4 m/s、5 m/s、6 m/s、7 m/s、8 m/s、9 m/s)C 类地貌来流作用下的小区风环境进行了详细分析。引入风速偏差均方根系数后对相邻风速作用下的无量纲风速进行两两对比，如图10 所示。其中，偏差均方根系数可表示为：

从图10 可以发现，随着风速的增加风场均方根系数逐渐较小，如4 m/s 与5 m/s 来流作用下的风速偏差均方根系数为0.185，7 m/s、8 m/s 风速，8 m/s、9 m/s 来流风速作用下的RMSE分别为0.075和0.074，说明了流场在低风速作用下波动较大，而在高风速作用下趋于稳定。其主要原因是低风速时测压管测到的压力本身很小，测量数据离散程度高，而高风速测量数据离散程度低，同时高风速具有相对更高的雷诺数，因此建议采用相对较高的风速(7 m/s)进行风洞试验。

图 10 不同风速作用下风速对比图Fig. 10 Comparison of mean velocity under different inlet velocity

图 11 不同风速作用下人行高度速度云图Fig. 11 Velocity contour under different inlet velocity

进一步，对4 m/s、7 m/s、9 m/s 三种风速作用下的人行高度风速进行批量分析，得到的小区速度云图如图11 所示。从图中可以发现，4 m/s与7 m/s 来流作用下的风速云图存在一些差异，但7 m/s 与9 m/s 来流作用下的风速云图吻合较好。因此再次验证了高风速下小区内部流场分布受入口来流风速影响较小，对小区风环境评估可采取较高风速作用下的无量纲风速分布。

2.3 邻近高耸建筑对小区风环境影响

为分析邻近高耸建筑对小区风环境的影响，以通用时代小区北侧20 m 的“星宇V 立方”为研究对象，该建筑属典型高耸建筑。试验过程中，对4 组风向角作用下(0°、90°、180°、270°)有无高耸建筑时小区内部风场进行了详细分析，获取的人行高度风场分布如图12 所示。从图中可以发现，在V 立方附近，CD1(无V 立方)与CD2(有V 立方)两种工况作用下小区内部风场出现了较大波动，而在远离V 立方区域，风场变化很小。整体而言，在有V 立方时，其附近产生了明显的加速作用。

图 12 不同风向作用下小区人行高度风场分布云图Fig. 12 Velocity contour under different wind directions

图 13 高耸建筑影响下的风剖面分布 /mFig. 13 Wind profile distribution under the influence of high-rise buildings

不同工况下监测点风剖面分布如图13 所示，从图中可以发现，当来流风向角为0°时，由于小区建筑物的阻挡作用，1 号、2 号点在低于0.5 m高度处风速较小，1 号测点位于V 立方的正后侧，相比无V 立方情况，风速偏小，说明建筑物对风场产生了较大拖曳作用。2 号点在0.7 倍高度处风速有细微波动，3 号点风速则无明显变化，说明在0°风向角下，V 立方对正后方风场的影响较大，且影响程度随着距离的增加而减小。当来流风向角为90°时，4 号点位于V 立方后侧，风速出现了明显的减速作用，5 号点风速出现了细微波动，6 号点风速则无明显变化。当来流为180°时，V 立方在小区后侧，风速相比无V 立方情况无明显变化。当来流为270°时，12 号点位于高耸建筑与小区楼栋的廊道中，风速具有明显的加速效应，距12 号点120 m 位置的10 号点风速则无明显变化。通过对风剖面影响距离进行分析发现邻近建筑对小区风场的影响范围与来流风向密切相关。当高耸建筑物在小区前方，建筑物会对风场产生明显拖曳作用，如果该建筑与附近高楼形成了廊道，会产生较大的廊道效应。因此，高耸建筑设计时需考虑风向与建筑形态耦合作用给风环境带来的不良影响。

同时，对大厦周围300 m 区域范围内有无V 立方的小区风环境进行了详细对比分析，如图14所示。图中不同颜色表示不同区域范围的测点，其中，方点儿、圆点儿、三角点儿分别代表0 m～100 m、100 m～200 m、200 m～300 m 区域范围。从图中可以发现，在V 立方附近100 m 内区域多处出现了加速效应。对图中三种不同距离散点图进行线性拟合，发现100 m、200 m 和300 m 范围内的拟合值分别为0.75、0.94 和0.98，说明高耸建筑对小区100 m、200 m 和300 m 范围内平均风速造成了25%、6%和2%的加速作用，其加速效应随着距离的增大而减小。

图 14 有无高耸建筑作用下风速对比图Fig. 14 Comparison of the wind velocity under the influence of high-rise buildings

2.4 植被对小区风环境影响

为分析地表植被对小区风环境的影响，对小区核心位置进行了3 种不同尺寸植被试验，植被尺寸分别为4 cm×3 cm、3 cm×2 cm、2 cm×1 cm，对应的实际高度分别为10 m、7.5 m 和5 m，植被模型如图15 所示。

图 15 不同尺寸植被作用下风洞试验 /cmFig. 15 Wind tunnel test with different vegetations

同样，在C 类地貌参考高度为8 m/s 风速条件下获取了CE1(大树)、CE2(中树)和CE3(小树)三种工况作用下的小区详细风场分布，对监测点风速取平均发现无植被工况平均风速为1.96 m/s，小树作用下风速平均值为1.80 m/s，中树作用下为1.73 m/s，而大树作用下为1.67 m/s。说明了植被对小区平均风速起到了拖曳作用，且拖曳作用随着植被的体形增大而增大，将三种工况测点无量纲风速与无植被工况进行对比，如图16 所示。从图中可以发现，当添加植被后大部分监测点风速要小于无植被情况，与无植被工况相比，大、中、小三种植被下的风速拟合系数分别为0.872、0.894、0.928，说明三种植被作用下人行高度平均风速分别减小了12.8%、10.6%和7.2%。

图 16 不同尺寸植被作用下平均风速对比Fig. 16 Comparison of mean wind speed with different vegetations

3 结论

基于大尺寸风洞对通用时代小区风环境进行了全方位、多工况试验研究，在考虑不同来流、不同风速，有无高耸建筑与植被后获取了小区内部流场的详细分布，总结了各因素对小区流场的影响，得到了以下研究结论：

(1)凭借大尺寸风洞与大比例模型试验，较好的消除了风洞壁与外围建筑的边界效应，并利用大量布设测点的方法获取了小区内部流场的详尽分布。

(2)揭示了均匀来流与C 类地貌来流作用下小区平均风速的分布规律析，发现了两种工况下小区平均风场整体分布一致，但局部位置仍存在一定差异。通过800 m 的地表建筑距离可产生与C 类地表较为一致的平均风剖面，但湍流度剖面与C 类地表还存在较大差异。

(3)定量获取了风速与流场的分布关系，研究显示，低风速来流下小区无量纲风速具有较大波动，但来流风速大于7 m/s 时，流场的无量纲风速分布不随风速大小的变化而变化。

(4)阐明了邻近高耸建筑对小区内部风环境的影响规律，邻近建筑对小区风场的影响距离与建筑形态密切相关，需尽量避免盛行风速与建筑形态耦合作用下引起的风环境不舒适，高耸建筑会给其周围风场造成加速效应，且加速效应随着距离的增加而减小。

(5)展示了植被对小区风场的拖曳作用，其拖曳作用与植被大小成正比关系，对通用时代小区而言，大、中、小3 种植被作用下人行高度平均风速分别减小了12.8%、10.6%和7.2%。