C字型建筑对于区域风环境的影响

2022-04-24王培栋牟晓蕾

烟台大学学报（自然科学与工程版） 2022年2期

王培栋,牟晓蕾,许娜

(1.烟台大学土木工程学院,山东烟台 264005;2.烟台大学机电汽车工程学院,山东烟台 264005)

随着人们生活水平的提高,建筑风环境得到了学者们的重视。HUTCHINSON 等[1]在1973年首次对英国南部银行大厦周围的风环境进行了风洞试验模拟,之后人们开始将建筑区域风环境作为设计建筑的重要部分。随着计算机软硬件水平的飞速发展和计算流体力学技术的不断完善,人们越来越多地采用数值模拟手段来确定建筑周围的气压、风速等因素[2]。BLOCKEN 等[3]研究了埃因霍温科技大学校园环境对人体舒适度的影响,并得到了湍流风的流动规律;张兆昌等[4]根据对村镇房屋室外风环境的模拟结果,提出了改善空气环境质量的措施;胡春等[5]针对高层住宅区的两种不同布局格式进行模拟,指出构建开敞的通风廊道可以改善区域通风效果;魏小翔等[6]模拟在夏、冬两季主导风条件下的室外风环境,分析了底层商业建筑对小区风环境的影响,为未来高层底商住区提供了设计参考;李井海等[7]针对成都宏观、中观、微观3个层面的城市结构进行了数值模拟,总结出在不同尺度下城市气候的分布规律;李顺[8]研究了济南某大学建筑群在夏季和冬季工况下有无树木的室外风环境,结果表明树木对风速有明显削减作用,可通过合理种植树木来改变区域风环境;周春艳等[9]分析了沈阳市万达新天地综合体建筑不同空间位置风环境的特点,研究植物、建筑外立面和城市下垫面以及大气之间的交互关系并将研究结果应用于多个领域。

应用计算流体力学方法对CAARC标准模型进行模拟,确定了合适的湍流模型,在此基础上对华东沿海地区含有C字型结构的某建筑群进行数值模拟,对比研究在夏季和冬季情况下有无连廊对区域风环境的影响。

1 CAARC标准模型验证

为验证计算模型的可靠性,选取了国际上通用的CAARC标准建筑模型[10](建筑尺寸=30.48 m×45.72 m×182.88 m)进行数值模拟,将结果与同济大学TJ-2风洞试验结果[11](B类场、缩尺比1∶300)、NPL风洞试验结果[11](B类场、缩尺比1∶240)和聂少锋等[12]的数值模拟结果进行对比。风洞试验模型尺寸见表1,表中Dx为模型横截面宽度,Dy为模型横截面长度,H为模型高度,在模型2/3H高度水平面上设置20个压力测点(图1)。

表1 模型尺寸

图1 CAARC标准模型及2/3H高度处测点[12]

为保证湍流的充分发展,选取入口边界、顶部边界和侧面边界距建筑物迎风面5H(H是指建筑物的高度),出口边界距建筑物背风面15H(图2)。用原尺寸进行模拟,经计算,该计算域阻塞比为0.4%,满足要求。网格划分形式选用非结构网格(图3),最后共生成网格量约为170万。

图2 CAARC标准模型计算域

选用标准k-ε模型、Realizablek-ε模型和SSTk-ω模型这3种常用的湍流模型对同济大学TJ-2风洞试验[11]中的B类风场进行计算,用平均风压系数来分析结果,计算式定义为

式中,Pi为测点处的绝对静压,Pref为参考点静压(一个标准大气压强),ρ为空气密度,取1.225 kg/m3,Ub为建筑物顶部的风速,11.7 m/s。模拟结果如图4。

图3 CAARC标准模型网格

图4 模拟结果与风洞试验对比

由对比结果可知(图4),数值模拟结果与风洞试验结果总体变化趋势保持一致的规律,3种湍流模型计算结果数值接近,模拟数据与NPL试验数据[11]相比误差都在10%以内,均能满足工程应用精度。但SSTk-ω模型收敛较完全,模拟趋势更接近真实试验结果,并与聂少锋等[12]的模拟数据相吻合,进一步验证了计算方法的准确性,故采用此湍流模型。

2 研究对象及计算模型

2.1 研究对象

以华东沿海地区含有C字型结构的某建筑群(图5)为研究对象,根据国家气象科学数据中心资料[13],该区域夏季盛行东南风,平均风速为2.8 m/s,冬季盛行西北风,平均风速为3.9 m/s,极大风速为12 m/s。在区域风环境设计中,夏季要求考虑露天公共场所借助风力降低气温,提高舒适度,平均风速在该区域出现的次数较多,因此选择平均风速来模拟夏季工况;冬季要求避免某些局部区域风压过大致使冷风渗透到住宅楼内,而高风速易导致此类状况的发生,因此选择极大风速12 m/s来模拟冬季工况。

图5 模拟区域平面

2.2 计算模型的建立

对模拟区域的8座建筑建立计算模型(图6),1号楼、2号楼和3号楼为C字型结构,建筑高度为20 m,连廊高度为10 m,在不影响计算结果的基础上对地面和建筑物的凹凸处进行平整化处理。为方便数据对比,在人行高度1.5 m处[14]选取区域气压最大、最小及变化较为频繁的14个点进行监测(图7),用以设置合适的计算域。

图6 计算模型

计算域为长方体状,分别对计算域的宽度和高度进行试验。首先对计算域宽度进行试验,即在高度固定的条件下,以建筑模型宽度(l=313 m)为基准,取边界离建筑群1l、2l、3l、4l宽度分别进行数值模拟,结果如图8;然后对计算域高度进行试验,即在宽度固定的条件下,以建筑模型高度(h=20 m)为基准,取计算域顶部离地面3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h、10h分别进行数值模拟,结果如图9。

图7 测点平面分布

图8 计算域宽度模拟结果

图9 计算域高度模拟结果

通过模拟结果可知,在计算域高度一定的条件下,当计算域宽度达到3l后,测点相对压强不再发生改变;在计算域宽度一定的条件下,当计算域高度达到7h后,测点的相对压强不再变化,故本文计算域宽度取边界距离建筑群3l,高度取顶部边界距离地面7h。

2.3 网格无关性验证

网格的类型和数量会影响模拟结果的准确性,选取混合网格的划分形式(图10),即建筑群周边区域采用分布较为密集的四面体网格,远离建筑群的区域采用分布较为稀疏的六面体网格,网格连接处通过软件自动处理成连续的流域。合理设置网格数量可提高计算的精度和效率,故对于此模型进行网格无关性验证,选取单元数量为50万、100万和150万的3组网格进行模拟计算,结果如图11。网格第一次加密时(由50万加密至100万),部分测点的相对气压数值变化较大,而再次加密网格时(由100万加密至150万),各测点的相对气压数值误差均低于1%,因此,单元数量为150万的网格能够保证计算精度,故选用网格数为150万的网格进行数值模拟。

图10 模拟区域网格

图11 网格独立性验证

2.4 边界条件设定

来流边界应用幂指函数风速模型,其形式为

式中:u0为标准参考高度处的平均风速,夏季取2.8 m/s,冬季取为12 m/s;z0标准参考高度,取为10 m;α为地面粗糙度指数,模拟区域属于B类地区,数值取为0.16,通过编写UDF接入Fluent实现。出流边界设置为自由出流,压力速度充分自由发展不做限制。对于大气边界条件的设定,通常在计算域顶部边界指定入流速度和湍流参数。对于侧边界,当流动方向平行于侧边界时,通常设置为对称边界条件。建筑物表面和地面采用无滑移的壁面条件。

计算采用3D单精度、分离式求解器,空气模型选用不可压缩的常密度空气模型,采用SIMPLEC算法,即求解压力耦合方程组的半隐式方法处理压力-速度耦合关系。控制方程的扩散项采用中心差分的离散格式,对流项采用二阶迎风离散格式。由于室外风环境的研究区域范围大,节点数量多,同时考虑计算机的运算能力、计算时间等因素,收敛标准确定为:连续性方程、各速度分量、k和ω的收敛残差均为10-4,且同时监测到各建筑表面压力系数基本不发生变化时,认为流动达到了稳态。

3 计算结果分析与讨论

风环境质量的优劣一般由风速和气压决定,合理的建筑形态可以提高区域风环境的质量。文献[8]指出:随着建筑高度的增加,建筑前后的气压差值略有增大,但变化趋势保持一致,通常取1.5 m人行高度处的气压云图和风速云图来研究区域风环境的规律,因此本文取1.5 m人行高度来分析模拟结果。

3.1 夏季模拟结果

图12(a)是在夏季有连廊情况下的相对气压云,由图可得:此高度处最大相对气压分布在2号楼、4号楼和8号楼拐角处,数值为3.12 Pa,最小相对气压分布在2号楼连廊区域,数值为-4.52 Pa,最大压差为7.64 Pa。除了1号楼和3号楼外,其他建筑都存在一定的压差,合理利用有利于室内自然通风。图12(b)为去掉连廊后的相对气压云,与图12(a)对比发现,去掉连廊对区域相对气压影响不大。

虽然从相对气压云图看连廊对区域影响不大,但是从风速云图上可以看出明显的差异。由风速云图13(a)可得:该区域平均风速为1.87 m/s,最大风速出现在2号楼迎风面拐角处,数值为2.5 m/s,最小风速出现在多个气流流通不畅的背风面区域,数值为0.24 m/s,热量和灰尘会在该区域聚集。图13(b)为去掉连廊后的风速云,对比图13(a)发现,1号楼和2号楼连廊处风速提高,热量和灰尘可以有效及时地扩散,4号楼北面道路受回流风影响,风环境质量得到改善。综上分析,在夏季工况下C字型建筑去掉连廊可以改善区域风环境质量。

图12 夏季工况相对气压云

3.2 冬季模拟结果

图14(a)是在冬季有连廊情况下的相对气压云,由图可得:该区域相对气压范围为-52～86 Pa,除1号楼、3号楼和5号楼外,大部分建筑迎风侧和背风侧压差在10 ～20 Pa,1号楼和2号楼连廊部分相对压差达到了60 Pa,局部区域需要提高围护结构气密性,防止冷风渗透进入室内。图14(b)为去掉连廊后的相对气压云,对比发现:原连廊位置处的相对压差大幅度减少,气流流动顺畅;受1号楼气流影响,3号楼迎风面的正压减小,中间过道气压分布均匀。

图13 夏季工况风速云

图15(a)是在冬季有连廊情况下的风速云,由图可得:区域平均风速为7 m/s,最大风速在1号楼迎风面拐角处,数值为13.2 m/s,最小风速出现在多个建筑物背风面,数值为0.5 m/s;图16(a)为冬季有连廊情况下的流线,结合图15(a)可以看到1号楼、2号楼中间会产生漩涡,故此处风速较低,周围的污染物和灰尘会在此处聚集。图15(b)和图16(b)分别为去掉连廊后的风速云与流线,与图15(a)和图16(a)对比发现,1号楼、2号楼、3号楼原连廊处的风速提高了6 ～7 m/s,气流滞留区消失,区域气流分布均匀;4号楼北面风速平稳,南面低风速区域范围减小。

图17为气流经过1号楼的三维流线。从图17(a)和图17(c)可以看出,气流经过C字型建筑时会分成两部分:一部分气流受墙壁的阻挡,形成地面漩涡,另一部分气流受漩涡气流的影响,在建筑上方形成螺旋上升的气流。当风速较大时,地面上的灰尘、落叶等被漩涡聚集,而后体积小的灰尘颗粒会随螺旋风上升,易产生扬尘;1号楼后方的区域由于连廊的阻挡流线较为紊乱,降低了区域风环境质量;图17(b)和图17(d)为去掉连廊后不同视角下的流线图,与图17(a)和图17(b)对比发现:去掉连廊后,上升气流量减少,不易产生扬尘;后方区域气流分布均匀,改善了该区域风环境的质量。