基于CFD的寒地乡村防风林布局优化模拟研究

荣婧宏， 吴松涛

（哈尔滨工业大学建筑学院，寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室，哈尔滨 150001）

0 引言

随着国家推动乡村振兴进程的加快，探索乡村规划方法成为学科研究新的热点，在生态宜居理念的主导下，适宜乡村的生态规划建设成为必经之路。营造宜居的乡村环境不仅需要舒适的室内环境和生活、生产基础设施，更需要构建舒适宜人的室外环境。徐乃雄于2002 年出版的《城市绿地与环境》一书中针对城市绿地对于室外物理环境包括风环境的影响，进行了研究论述。邵传平、王薇等学者针对防风林的空气动力学遮蔽机制进行了数值分析和系统研究，推导多孔隙防风林带的数值模型和模拟过程［1］。林波荣等学者将ENVI-met 引入国内，开展了一系列关于绿化对室外热环境影响的模拟研究，并通过实测和模拟等手段，针对居住小区冬季植被优化进行设计研究［2］。程向明通过CFD 模拟研究绿化植物对于单体建筑周围和小区的风环境影响，验证了数值模拟植物绿化（乔木、灌木）的准确性［3］。洪波、林波荣通过对北京某小区的冬季室外风环境实测模拟，结合热环境变化，研究为了阻挡冬季风的住区室外风环境植被优化设计方法［4］。对于乡村来说，由于建筑密度相对较低，且组团相对散乱，多处于平坦开阔区域，建筑群缺少围护结构暴露于自然风场中，受风环境的影响较大。且寒地环境不仅会影响居住安全问题，造成的环境气温低及冷风渗透等会严重影响到居住环境的舒适度，极大提高室内取暖的能耗，提高寒地乡村社区居住成本，从而减少寒地乡村的居住吸引力，难以形成宜居宜业的乡村环境。

植物对于改善气候、美化环境一直以来扮演着不可或缺的作用。在冬季，植物可以通过不同的种植组合形成风屏障，对于不同来向的冷风进行阻隔、引导，为住区提供良好的风环境。

1 基础研究

寒地城市多处于冬季寒冷漫长，夏季炎热干燥，且过渡季节较为短暂的地区。在寒地大风天气会极大影响居民的出行及室外活动舒适度，尤其在气温较低的季节，寒风凛冽极为不利于人们的生产生活［5］。

不同气象条件下的植物防风效果是一个动态发展变化的过程，植物的特性随季节发展变化。诸如不同区域尺度之类的因素的多样性使得难以量化植物与风环境之间的关系，因此需要进行详细分析。针对植物防风作用的研究多是针对温带亚热带气候，缺乏对于寒地的研究，尤其是针对乡村地区防风林防风作用的研究十分匮乏。总体而言，当前有关改善寒冷地区乡村社区风环境的研究远远落后于国家乡村振兴和规划的步伐。然而防风林对于寒地乡村风环境具有重要意义，因此文中以此作为切入点进行研究。

2 研究对象及研究方法

2.1 研究对象选取和数据来源

根据东北三省近2000 多个村镇卫星图进行观测筛选和实地调研，根据形态学比例将东北寒地住区空间形态分为了团型、带型和放射型［6］。其中最为典型的为团型社区。

表1 东北寒地村镇空间布局形式

研究表明寒地典型乡村社区总体布局以团型及带型居多，社区长宽比多介于1.5∶1～4∶1，多沿道路附近分布，主干道交叉路口区域及丁字路口区常形成大型社区，乡村社区内部存在网格型路网。

从建筑布局来看，寒地住宅建筑多呈行列式布局，院落结构简单，少部分社区会存在围合式建筑和行列式复合存在。

为方便实测研究及数据获取，通过系统抽样结合文献综述的方法，通过对哈尔滨市周边近500 个村庄的卫星图识别，综合考量乡村的空间形态及建筑布局筛选，筛选出典型团型社区即长宽比约为1.5∶1 的哈尔滨市道里区小杨家屯社区见图1，进行数值模拟研究。

图1 典型团型社区小杨家屯总平面

由于研究针对风环境优化研究，选取哈尔滨4 月份时进行风环境测试，具体测试时间为早9：00～11：30，当日天气最高气温20℃，最低气温1℃，持续风向为西北风，风速等级为5～6级。共设置11个测点进行风速实测，样本点包括社区主要出入口和行人活动区域，测点布置及数据统计结果如图2、表2所示。

图2 风速实测点示意图

表2 社区内各测点风速值统计 m/s

通过实地调研和现场实测数据分析得出该社区风环境特点如下：①测点分布越广、间距越远，各点之间风速的相关联性越小；②村内进风口附近的风速最大，村镇内部建筑物布局最密集处风速最小。出风口风速并非最低，处于中间值；③两栋建筑物之间的街谷和拐角处，由于狭管效应和角隅风的影响，容易出现较高风速区；④道路交叉口的风速变化较大，且风速偏高；⑤院落式建筑内部及建筑围合的广场内，风速相对较小，而且变化幅度相对较小，环境较为适宜；⑥植物对风环境的影响显著。测量时，村内高大乔木尚未完全出叶，而且植被保存状态不佳，未形成片植或丛植，因此对风环境的影响相对较小，但仍可看出处于植物背风向的测点风速较低；⑦寒地平原区内的乡村社区，在周围无高大遮挡物情况下，建筑物和植物对风环境影响最为显著。

2.2 研究方法

文中采用CFD数值模拟软件进行风环境模拟，具体流程如图3所示。

图3 风环境数值模拟计算基本技术路线

通过控制计算域、网格生成、边界条件、求解器设置和收敛残差等，建立适当的数值模型并获得准确的计算结果［7，8］。

2.3 对照模型建立

2.3.1 植物模型

由于寒地的气候特异性，乡村地区防风林中较少存在灌木及草本植物，多由落叶乔木组成，因此研究主要针对高大落叶乔木进行模拟仿真。针对植物模型的建立方法，李亮等［9］以K-X 两方程湍流模型为基础，通过计算模拟了风对小规模树林的穿越，建立不同的三维树冠和树干模型，研究了四棱锥、四棱台、长方体3 种形状见图4 与风洞实验中的圆锥模型树分别对流场的影响。通过对不同形状模型计算过程，计算结果的比较，李亮提出长方体模型虽然对树冠做了完全简化，但其在绝大多数指标中仍然与实测值能较好吻合，且具有建模简单、计算快捷、收敛性好等优点。

图4 风洞实验中树冠模拟形状

由于大量研究及实际数据表明，寒地所种植落叶乔木高度多为10～15m 之间，研究表明［10］高度H=10m的防风林防风效果优于15、20m 高林带，风影区平均风速比可达50.12%。由此，文中选用10m 高防风林带作为模拟对象。

2.3.2 对照模型

结合场地内部原有植被特征及乔木种植点，如图5 所示，优化植被，假定全部增设落叶乔木防风林，设定为场地初始模型，作为对照组，为布局内部型及外部型防风林带提供参照。

图5 内部场地型防风林布局

为突出风环境变化幅度，结合室外风环境评估标准及哈尔滨气象条件，选取哈尔滨冬春季常见较大风速12m/s 作为入流风速，风向角为哈尔滨冬春季主导风向西北风。对参照组模型进行数值模拟计算，所得风速及风压模拟结果如图6所示。

图6 室外1.5m人行高度风速模拟云及风压模拟云

社区初始状态在较高风速天气内，风环境舒适性较差。风速低于5m/s 风影区面积约占社区整体室外空间35%，几处主要室外活动空间皆处于高速风廊道内，在主要道路交叉口及广场，由于建筑布局相对稀疏，未能有效形成低风速区，若在冬季，极易发生道路结冰等情况，阻碍行人室外活动，降低社区宜居性。在实验组模型中，应针对中部高速风廊道及高风速区域进行观察。

利用数据后处理软件在1.5m 高平面内随机均匀选取98处测点，进行风速统计如图7所示。

图7 1.5m平面取样点风速统计

风场内最高风速可达8.39m/s，平均风速4.26m/s，风速值高于5m/s 的测点达32 个，风速低于5m/s 的风影区面积仅占32%。根据风速比公式计算，场地内平均风速比达0.71。从风压云图中可以看出迎风区首排建筑物受风压影响较大，场地内植物迎风面会形成较大风压区，整体风场内风压分布较均匀。场地内首排迎风建筑受压最大，且迎风面与背风面风压差远超过绿建评价标准要求。社区外围建筑物的整体迎风面背风面风压差要高于社区中心建筑群，表明外围建筑物受风压影响更大，与建筑排布疏密关系相对较小。在社区的南部最末排建筑，出现了负风压现象，迎风面与背风面也产生了较大风压差，也远高于绿建评价标准要求值。

3 防风林模拟研究

3.1 社区内部型防风林布局模拟分析

综合文中研究，在社区内沿道路及场地周边建设防护林带，进行数值模拟分析，如图8所示。

图8 室外1.5m人行高度风速模拟云及风压模拟云图

从模拟结果风速及风压云图中发现，场地内建筑物后低速风影区面积显著减少，静风区域显著增加，风速变化减少，尤其有效改善社区南半部区域的风环境，降低南半区的风速及风压，形成均匀风场，风速在3.8～5.0m/s 阈值范围内的场地较多，可认为场地内较多区域能满足人们进行各种生产、生活活动的需求。

3.2 社区外部型防风林布局模拟分析

3.2.1 外部型防风林布局要素

（1） 林带的长宽高。通过在社区外分段建设防风林带，探究在寒地乡村社区外围增设的防风林对社区风环境的影响。

（2） 林带距社区距离。考虑到寒地防风林风影区分布规律，为达到最优防风效果，社区外围布局防风林带时，距首排建筑物距离不宜超过10h，将建筑物排布于林带背风向2.5～20h范围内较为合理。

（3） 林带布局角度。防风林的布局与风向夹角也是影响防风效果的关键要素所在。研究表明，哈尔滨城市建设形态特殊，整体与南北呈45°夹角。而多数寒地城市中的乡村社区也并非正南正北布局，研究对象筛选时，有70%的社区呈西南-东北向偏布，方位偏移角约15°～25°之间，如图9 所示。根据《建筑工程风洞试验方法标准》中规定，模拟试验中，应根据建筑物外形、布局、及周围干扰情况等因素，选择多个风向角进行试验，且风向角间隔不宜大于22.5°。

图9 社区布局角度示意图

3.2.2 不同布局角度数值模拟

结合寒地乡村社区建筑及防风林分布规律，选取与风向夹角呈90°，105°，120°的防风林带与社区结合，进行风环境模拟评估，研究其风场变化规律。具体构建方法如下：

（1） 与风向夹角呈90°，垂直于风向建设三组长150m，宽12m，树冠疏透度0.7 的乔木林带，模拟结果如图10所示

图10 室外1.5m人行高度风速模拟云及风压模拟云图

（2） 与风向夹角呈105 度°，与垂直风向角度偏15°建设三组长150m，宽12m，树冠疏透度0.7 的乔木林带，模拟结果如图11所示。

图11 室外1.5m人行高度风速模拟云及风压模拟云图

（3）与风向夹角呈120度°，与垂直风向角度偏30°建设三组长150m，宽12m，树冠疏透度0.7 的乔木林带，模拟结果如图12所示。

图12 室外1.5m人行高度风速模拟云及风压模拟云图

从图10中可以看出，建筑物背风面风影区风速呈均匀分布，无明显高速风廊，且多数风影区相互连接，形成成片的稳定风场。南部建筑物由于距离风带较远，单体建筑背风面所形成的风影区相对狭长，在行人活动时，会受到贯穿气流的作用，感受到一定的风力作用。

建筑物背风面风影区风速稍有变化，出现较长较明显风影区及风廊，稳定风场区域减少。防风林带为西北侧的首排迎风建筑阻挡了部分风压，缓解了场地内建筑物迎风面的受压情况，社区内部，各组团内的风压分布较为均匀，植被迎风面高压有所减弱，风力仍会对建筑物及植物产生不利影响。

从两组实验数据图中可以看出，在增设105°及120°风向夹角防护林带后，场地内部高速风廊有所减少，形成多片风速4.7m/s 以下的风场，核心区域内风速形成局部减弱趋势，但较（1）工况来说，总体建筑背面风影区面积减少。对比3 组工况条件下的风压云图，可以看出垂直于风向布置的防风林带对于风环境的调节作用最佳。

增设社区外部防风林使得整个乡村社区的风环境改善效果显著，在外围增设不同的空间布局的防护林均能产生防风的功能，调节社区内部风环境。但从效果上来看，社区北侧的建筑组团内风环境改良效果优于南侧建筑组团，气流在经过整个团型社区时，会出现二次风速激增的现象。针对两种不同布局的防风林带模拟结果，利用后处理软件对1.5m人行高度平面进行均匀随机取样，获取场地内部四条来流方向直线内各100 个测点的模拟数值进行比对分析如图13所示。

图13 四条取样直线位置示意图

通过将90°、105°、120°风向夹角防风林模拟数据与对照组数据对比得出：

（1） 90°夹角防风林带较对照模型平均风速比降低25.3%，105°和120°风向夹角工况下防风林较对照模型平均风速比降低19.7%～20%。

（2） 林带布局与风向角90°～105°之间变化，防风效果变化较大，风影区衰减较多，场地风速比变化较大，当林带与风向角大于105°角建设时，对风环境影响变化微弱。

（3） 单条防风林带的背风向风廓线长度有限，能影响的社区范围不足以满足整个团型社区的防风需要，针对带型社区来说，外围布置单条防风林的效果会相对较好，团型社区在社区内部进行进一步优化处理，例如布局绿化、挡风设施等，来减少建筑物之间的贯穿气流、涡旋气流、角隅风等，来满足防风需求。

（4） 外部型防风林林带分段布局，效果较好。但林带布局时应注意减少明显风洞效应的产生，若两段林带中间形成明显狭管效应，则会出现风速激增、大风涡流区域，对风环境调节产生负面效应。

3.3 组合防风林防风效果模拟分析

针对研究对象，仅建设社区外围防风林或社区内部防风林带是不能达到完全优化风环境效果的，对社区内外防风林进行组合模拟，探索组合布局下的防风林防风效果优化方案。

3.3.1 组合防风林数值模拟

结合内部型防风林带及外部型防风林带防风特性，优化组合后风环境模拟风速结果如图14所示。

图14 室外1.5m人行高度风速模拟云及风压模拟云图

从风速结果来看，社区外围设置了多层次的防风林后，整体风环境改善显著。外部防风林间隙仍存在小型高速风道，但对于社区的影响已经明显降低，未对社区内部风场产生影响。迎风建筑周围涡旋气流和角隅风显著减少，整体社区内建筑组团间风环境相对均衡，存在大面积的静风区，风速区间为3～4.8m/s的区域占总社区面积的70%，南侧后排建筑物的背风面风影区也显著缩短，未存在较多的小型风道，有助于居民的室外生产生活等。

场地内无明显高风速区及涡流区，也无明显风廊的产生，整体风场风速处于5m/s范围内的区域占60%以上。对比单独设置内部或外部防风林见图15来看，低于3.3m/s 风速的风场区域面积增加约30%～50%，对于风速的减弱效果呈显著叠加态势。个别高大单体建筑后仍有明显风影区的存在，但风速过渡区域较大，且并无多个风影区狭长并列的情况出现，代表社区内人行走在建筑物之间不会感到明显的风力变化，寒风吹拂感较低，整体社区环境较为适宜。

图15 不同类型防风林布局防风面积对比

社区内风压分布云图显示场地内整体建筑物无明显高受压情况，气流被外部三条防护林带阻挡效果显著，社区内建筑物风荷载较低，对于建筑结构和建筑节能方面的优化效果较大。林带迎风面受风高压影响也相对均衡，由于数值模拟效仿风洞试验存在一定的局限性，风场存在未完全延展的情况，使得结果靠近风向入口的林带受压相对较高，实际情况中处于自然风场中，此类风压差会相对较为均衡。实验误差为5%以内，可视为有效结果。

4 结语

文中针对同一寒地乡村社区不同布局条件下的林带防风效应进行了模拟研究，通过整合社区内外防风林的风场情况对比来看，可得到以下几点结论：

（1） 社区外防风林带与来流风向间夹角越接近垂直，受风压影响越大，对气流的阻挡作用越显著。林带布局与风向角为90°～105°之间变化时，防风效果逐渐减弱，减弱效果约5%。当林带与风向角大于105°角趋与风向平行建设时，防风效应减弱变化减缓，防风效果差异较小。

（2） 由于防护林林带背风面风速降低区有限，背风面2.5～20H 范围内会形成一个主要风速降低区，因此防风林的布局距离社区首排迎风建筑物距离不宜过远，尽量布置在防风林带树高H 的4～13H 范围内。针对宽度较大的社区而言，单条林带无法满足防风需求时，应考虑加设林带。

（3） 分段建设防风林带并合理控制排布间距，或增大防风林带与来流风向的夹角，能有效减弱狭管效应所产生的高速气流。在其他条件基本相近的情况下，长度较短的林带相比长林带具有更好的防护效应，但若防风林带交错不当，会产生狭管效应，在风影区形成高速风廊。

（4） 在社区外围布局防护林时整体社区内风速水平高于在社区内部布局防护林。在乡村社区内部有针对性的进行绿化布置及防风林种植，能更为有效的调节建筑组团之间及组团内部、建筑单体周围及院落内的风环境。

文中为寒地乡村社区建设提供了风环境模拟思路，可通过布局防风林模拟情况，做出相应的风环境优化策略。文中仅对寒地冬春季节不同防风林空间布局组合防风效果进行了模拟总结，未能针对防风林带内部结构的变化，例如不同高度、种类的植物搭配等要素下的防风林防风效果进行完整分析比对，仍需进一步探索，将在今后的课题中能够展开更加深入的研究。