理想山地城市街区内的风环境数值模拟

赵福云 黄志荣 刘宝成 瑾徐颖

湖南工业大学土木工程学院

0 前言

近年来，随着城市化进程的不断推进，城市中的人口和建筑物数量急剧增加。城市中密集的人口聚集和工业生产产生了大量的废热，导致了城市地区的温度要远高于其它地方，从而在城市上空区域形成“热岛效应”[1] 。热岛效应会使大量的废热笼罩在城市上空，从而导致极端天气的出现，最终影响城市居民的生命健康[2]。

我国是一个国土资源十分辽阔的国家，但山地，丘陵等复杂地形居多，国内有许多城市都属于山地城市，如重庆、贵阳和香港等。复杂的山地地形尽管对城市建设带来的诸多困难，但其所形成的山坡风对改善城市的风环境却带来了很多的好处。由山坡处吹来的冷空气不仅可以给城市进行降温来缓解热岛效应，同时还可以带走城市中污染物，改善城市中的空气质量[3]。

本研究拟在大量科研工作者的基础上，利用计算流体力学 (CFD) 的方法对理想山地城市街区内的流场、温度场和空气龄分布进行了模拟，通过改变山坡角度和建筑高度来探究山坡风对城市街区内通风状况的影响。

1 数值模拟

1.1 物理模型

本文为探究山坡风对城市街区内通风状况的影响，主要参考了 Zhiwen Luo 等[4]的模型来进行数值模拟计算，并结合具体情况，将所研究的参考模型简化为了理想状态下的物理模型。图1 所示为二维理想山地城市模型，城市街区由10 个相同的建筑阵列模型组成，其中建筑高为H，建筑宽度B=30 m，建筑之间的距离W=20 m。城市街区左侧与山坡的距离为30 m，山坡长度为L，高度为S，山坡角度为θ。

图1 山地城市模型

根据山地城市模型的尺寸构建计算域模型，以山坡坡顶以上为来流风入流边界，以距离山地城市右端150 m 处为出流边界，整个计算域模型的尺寸为(S+100)m×(L+660)m，其中L为定值，S为可变值。环境中的山坡风以不同的山坡角度从左至右依次流经城市街区，以模拟真实的大气环境[5]。采用 ICEM 软件对计算域模型进行网格划分，为提高数值模拟试验结果的准确性，本研究采用疏密网格，在建筑物壁面和地面附近采用精细网格，远离建筑物和地面的区域采用稀疏网格。最小网格尺寸为 0.003 m，最大网格尺寸为0.012 m，网格增长率为1.2。

1.2 数学模型

本次的数值模拟实验假定空气为不可压缩的稳态等温流体，采用雷诺时均 N-S 方程和 RNG 模型方程求解二维稳态下的温度场[6]。所有的控制方程采用有限体积法进行离散化，为了降低数值解的震荡获得较精确的解，对流项和扩散项均采用采用二阶迎风格式[7-8]，利用 SIMPLE 算法来迭代求解压力 -速度耦合方程，各项收敛残差均设置为10 -6 。

1.3 边界条件

采用 FLUENT 软件对计算域模型进行边界条件设定，本次数值模拟是基于无背景风状态下的研究，故计算 域左侧采用速度为零的入流边界（velocity-inlet），计算域上侧和右侧采用压力为零的出流边界（pressure-outlet），计算域下侧，建筑表面和山坡表面均采用无滑移边界（wall）。在地面，建筑表面和山坡表面分别设置热流密度为0、3 0 kW/m2、3 00 kW/m2。

1.4 工况设定

本次数值模拟针对不同山坡角度和不同建筑高度的变化，共设定了6 组实验工况，工况参数设置如表1 所示。工况1～3 为保持建筑物高度不变，通过改变山坡角度来考察山坡风对山地城市内通风状况的影响。工况 4～6 为保持山坡角度不变，通过改变建筑高度来考察山坡风对山地城市内通风状况的影响。

表1 不同工况的山坡角度与建筑高度

1.5 模型验证

独立的数值模拟实验不能证明其结果的准确性和可靠性，需要通过与风洞试验结果的拟合对比来进行辅助验证[9]。图 2 所示为山地城市街区中央峡谷的中心处沿y方向的无量纲速度U/Uref和无量纲温度θ与Uehara 等[10]的风洞试验结果的拟合对比。可以看出在y/H＜1 的范围内，数值模拟的无量纲速度U/Uref与风洞试验结果吻合较好，但在y/H＞1 的范围内，两者存在一定程度的偏差，数值模拟的无量纲速度U/Uref要大于风洞试验结果，其原因是数值模型高估了U/Uref的最高点，在建筑物上空气流动不可测所造成的偏差。无量纲温度θ的数值模拟结果与风洞试验结果相当吻合，本次数值模拟程序完全满足了准确性和可靠性的要求。

图2 模拟实验与风洞试验结果的对比

2 结果与讨论

2.1 峡谷内的气流形态和温度分布

图3 所示为全部工况的流线图和温度云图。在工况1，2 和3 中的街谷内均为多涡流动，在街区前端上方则出现较大的涡流流动，这是由于建筑街区与山坡之间存在较大的热量差别，导致山坡处的冷空气在流经建筑街区时与街区上方的热空气混合从而形成大尺度的涡流流动。当山坡角度较低时，街谷内的涡流流动较弱，随着山坡角度的增加，街区前端上方的涡流向竖直方向上增大，街区峡谷内的涡流流动明显增强。从温度云图中可以看出，由于建筑的阻挡和重力作用，在第一个建筑迎风面形成了温度较低的冷空气堆积区，而绕过迎风建筑的冷空气在建筑街区上空形成了一个低温覆盖区域。当山坡角度较低时，街区峡谷第一个建筑迎风面处的冷空气堆积区较弱，街谷内部有较多热量堆积。随着山坡角度的增加，冷空气堆积区形成的低温覆盖层有明显的增多，对街谷起到了很好的降温效果，同时山坡风在重力作用下大大增强了对街谷的冲刷作用，也带走了街谷内大量的热量。在工况4、5 和6 中，当建筑物高度较低时，街区峡谷内主要以顺时针方向的单涡流动为主，街区前端上方同样存在较大的涡流流动，随着建筑物高度的增加，街区前端上空的涡流呈现逐渐减弱趋势，而街区峡谷内则形成上大下小的多涡流结构，在街谷上侧为顺时针的涡流，街谷下侧为逆时针的涡流。这是因为峡谷内的涡流流速较小，随着建筑物高度的增加，气流所受的风阻作用增大，单涡流动减弱，逐渐分化成多个涡流。当建筑高度H=50 m 时，在街谷下方的反向涡流逐渐减弱，在街谷背风侧底部拐角处形成了较小的涡流。从云图中可以看出当建筑物高度较低时，街谷内部的单涡流动很好地带走了街谷内的热量，街谷内部无多余热量的堆积。但随着建筑物高度的增加，在街谷内却出现了大量的热量堆积，这是由于建筑高度的增加导致了峡谷内出现了多涡流动，峡谷下方的反向涡流阻碍了街谷底部的热量被正向涡流带出街谷，所以街谷内存在热量堆积。街区末端峡谷的热量堆积明显比街区前端严重同样是由于街区上方的低温覆盖层减弱所造成的。

图3 流线图和温度云图

2.2 空气龄的分析

空气龄是表示空气质点从进入某流场到抵达流场中某点所用的时间，也可以表示为外界清洁空气到达指定位置所用的时间[11]，是衡量流场内换气效果的重要指标。图 4 所示为全部工况的空气龄分布云图，可以看出最大空气龄分布大部分都出现在街区末端峡谷内，这是一方面由于山坡风到达街区末端峡谷的距离较远，另一方面是由于街区末端上方的低温覆盖层要小于街区前端的，其垂直方向上的冷空气进入街谷内要更慢。

图4 空气龄分布

在工况 1，2 和 3 中，当山坡角度较小时，街谷内的空气龄相对较大。随着山坡角度的增大，街谷内的空气龄有明显的减小，说明增大山坡角度，山坡风在重力的作用下更利于进入到街谷内。

在工况4、5 和6 中，当建筑高度较小时，街谷内的空气龄都相对较小，且每个街谷内的空气龄分布基本相同。随建筑高度的增加，街谷内的空气龄有不同程度的增大，同时空气龄有明显的区域分布，在街谷上侧的空气龄要远小于街谷下侧，这是由于高建筑街谷内的多涡流流动阻碍了外界气流进入街谷内部。

2.3 换气速率分析

当整个城市冠层内的气流换热达到平衡状态后，城市冠层内的通风换气主要通过顶部的开口来实现[12]，此时可通过城市冠层的换气速率来衡量街区峡谷内的通风状况。换气速率是指清洁空气替代指定空气的频率，总换气速率 ACH 由时均流动引起的换气率和湍流脉动引起的换气率ACH'两部分组成。

图5 换气速率

3 结论

本文对不同山坡角度或不同建筑物高度下的山地城市街区内的通风状况进行了全面的模拟与分析，主要得到了以下结论：

1）山坡角度越大，山坡风在重力作用下可以更好的进入到城市街区峡谷内，能够有效缓解街谷内的热量堆积和改善城市街区的通风状况。例如重庆、贵阳等山地城市的街区应规划在一些坡度较大的山坡下游，更好的利用山坡风将更多的冷空气引入到建筑街区来改善热岛效应，提高城市空气质量。

2）建筑高度越高，建筑对山坡风的阻挡作用增强，同时多涡流流动减缓了街谷内的空气交换，导致街谷内的温度呈现上升趋势，通风换气速率逐渐减小。当建筑高度达到50 m 后，街谷内出现大量的热量堆积，通风状况较差。

3）街区迎风面处的冷空气堆积区有助于改善局部范围内的通风状况，加速了街区前端峡谷内的通风换气速率，使得街区前端峡谷内的通风状况始终要优于街区末端峡谷。