基于CFD模拟技术的城市绿化对风环境影响研究

刘瑞杰， 闫星宇， 王 鑫

(1.石家庄铁道大学 建筑与艺术学院，河北 石家庄 050043；2.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

2021年，根据国家统计局报道，我国人口普查城镇常住人口达到9.14亿人，城镇化率达到64.7 %。随着城市不断发展，人口不断扩增，城市建成区高密度布局态势的出现，导致市区内风环境逐渐复杂化[1]。风环境是影响城市室外环境舒适度的重要因素，对室外环境热舒适、颗粒污染物扩散、局部热岛效应消散等方面起着重要的作用[2]。良好的城市通风条件能快速、有效地移除集聚在市中心的建筑排热及污染物，以及改善室外行人区的风环境与热舒适[3]。在三大人居环境学科中，风环境研究集中建筑领域，规划领域适中，风景园林领域较少。目前公园景观设计多着眼于强调视觉美化，而对风环境考虑不足，导致公园风环境舒适度不高，且可能引发局部恶劣风况影响游客身体健康。植物景观是公园内主要的组成部分，通过调整植被类型及类型搭配的手段改善风环境，具有绿色生态、适应性佳、可操作性强等诸多优势。

一、风环境研究基础

在植被优化风环境方面，Abhijith等[4]、钟佳定等[5]、林定等[6]证明了绿化植被能优化局部风环境及舒适感。刘滨谊等对同济大学宿舍区极端天气下的人行层风环境进行了研究，通过优化植物布局的策略，改善了场地内强风区、涡旋区、角隅区等恶劣风况现象[7]。王泽发、刘庭风对泉州8处海丝文化史迹点展开了风环境评估，并通过植物优化的方法改善了场地内风环境品质[8]。王路佳通过研究呼和浩特中心商业区风环境，发现路旁植被能减弱行人高度的强风速率，合理增加绿化景观可以提升风环境舒适度[9]。洪波、林波荣研究发现有绿化的场地风环境优于无绿化场地风环境[10]。

在植被风环境数值模拟方面，Ohashi利用CFD模拟技术进行三维计算分析孤植树木周围和穿过树木的气流影响情况[11]。Zhou等运用数值模拟计算树木防护林结构相关的风流模式，提出有关树木防护林设计和管理的建议[12]。Endalew等通过模拟与风洞实验结合的方式，对多孔介质树木模型和高仿树木模型冠层的气流进行了验证，证明了数值模拟的可靠性[13]。杨易等证明了树木模型模拟风环境的有效性[14]。程向明对树木不同间隔距离、空隙率工况下进行了风环境模拟研究，结果显示植物交错排列时背风区风环境优于平行排列[15]。

二、研究方法

(一)研究方法选取

目前对于公园风环境的研究主要有3种手段：风速仪场地实测、风洞测试和CFD数值模拟。场地实测是通过气象站、风速仪等设备，在实验场地布点测量得出风速数据，出现最早且数据最为真实可靠，但由于测量周期长、人力需求多、外界限制因素多等原因，相继出现了风洞测试和计算机数值模拟方式。风洞测试可控性高、准确度优，是建立缩小尺度仿真模型，利用大型风机还原现状探头采集数据，但设备费用高，维护管理难度大。CFD数值模拟测验是通过计算机建设实际模型，根据气象数据设定，参数选定，再进行风环境图像导出的直观表达方式，凭借灵活性强、模拟效率高、实验成本低、可观性高的特点逐渐成为风环境研究主流方法。所以本文选用数值模拟的方式，探索不同植被类型和不同植被类型搭配下对人行高度处(1.5 m)风速的影响。

(二)模拟软件选取

段艳文证明了PHOENICS、FLUENT、ENVI-MET三款CFD模拟软件在景观植被风环境研究中，都具备风环境指数模拟的可靠性[16]。但在模型建设、软件接连、模拟尺度、网格绘制等方面，FLUENT平台实用性相对较低；ENVI-MET平台支持的网格数量需在250×250×30以内，更适合中小型尺度空间风场模拟研究；PHOENICS平台可以兼容多种模拟格式，对模拟空间尺度没有限制，内置网格编辑快速便捷，软件间接连性优，实用性高。所以选定PHOENICS为模拟研究平台。

(三)模型构建

在城市公园中不同类型植物单体会使周围风场产生差异，已有实验表明，树木与大灌木两种植被类型对1.5 m高度人行空间风环境影响显著[17]。李亮等对不同形状树冠进行模拟对比，结果显示长方体树冠各项指标最佳[18]，所以本文选用长方体模型模拟。根据对石家庄世纪公园、长安公园、水上公园内植物尺寸调研，将植物模型划分为大乔木、中乔木、小乔木和大灌木4类，参数如表1。

表1 植物模型参数表

(四)模拟参数设定

为了保证实验准确性，模拟参数根据《民用建筑绿色性能计算标准》[19]和日本AIJ标准[20]设定。计算域边界统一设定为x=155 m，y=105 m，z=100 m，计算域最小网格选用0.1 m×0.1 m×0.1 m正方形网格，模型附近网格加密，边界外随之扩大，网格线过渡比值为1.2，地面到1.5 m高度处设6根线。地面粗糙度选用C类地面粗糙度α=0.22，PHOENICS运算迭代次数设定为1 000。在4种植物模型运算中湍流模型选用Standard k-ε model，压力与速度耦合求解方程使用SIMPLEC算法。

三、植物类型及配置方式对风环境的影响

(一)测点设置

模拟测点设置在来流风方向的植物下风向远2 m距离处，高度选定1.5 m人行层高度，通过PHOENICS软件的探针功能对测点进行风速提取，风速云图(见图1)中白色倒三角头处为测点。

图1 不同植物类型单体风速图(大乔木)

(二)不同植物类型对风环境影响

来流风从左方向流入，虽然植物属于透风体，但从图1中可以明确看出植物对周围风场有着较大影响效果。根据表2可知，高1.5 m处风速衰减效率排序为：小乔>大灌>中乔>大乔。

表2 不同植物类型单体风速数据表

不同植物类型对周围风场的影响面积也存在明显差异，对周围风场影响面积排序为：大乔>中乔>小乔>大灌。树木后面的背风区为主要减速区，受影响的风场面积最大，形成一个椭圆形，影响长度约为5个植物高度的距离。树木不仅背风区风场受到影响，植物前端迎风区和植物顶部林缘层风场气流也发生波动。植物单体前端的来流风方向迎风区风场也产生小面积波动影响，但流速变动较小；植物顶部林缘层气流，受到顶部枝叶阻碍，部分气流绕过冠顶产生偏流，对气流的影响面积较小，但激流风速增强。

(三)两种植物类型搭配对风环境影响

来流风从左方向流入，从图2中可明显看出，两种不同类型植物搭配时对周围风场影响面积明显大于孤植。对周围风场影响面积排序为：大乔+中乔>大乔+小乔>大乔+大灌>中乔+小乔>中乔+大灌>小乔+大灌。

由表3可知,两种植物类型搭配模拟测点风速值，1.5 m高度处风速衰减效率排序为：小乔+大灌>中乔+小乔>大乔+小乔>中乔+大灌>大乔+大灌>大乔+中乔。当两种类型植物搭配时有枝下层空间的风速普遍要大于没有枝下层空间的风速。

图2 两种植物类型搭配风速图(大乔木+中乔木)

表3 两种植物类型搭配风速数据表

(四)多种植物类型搭配对风环境影响

来流风从左方向流入，3种及以上植物类型搭配不仅景观层次较为丰富，而且阻风效果相对较好(如图3)，对周围风场影响面积从大到小排序为：大乔+中乔+小乔+大灌>大乔+中乔+小乔>大乔+中乔+大灌>大乔+小乔+大灌>中乔+小乔+大灌。

图3 多种植物类型搭配风速图(大乔+中乔+小乔)

根据表4可知,多种植物类型搭配测点风速值，1.5 m高度处风速衰减效率排序为：大乔+中乔+小乔+大灌>中乔+小乔+大灌>大乔+中乔+小乔>大乔+小乔+大灌>大乔+中乔+大灌。

表4 多种植物类型搭配风速数据表

(五)模拟结果分析

树冠层是树木主体部分枝叶茂密，也是风场变化最为显著的区域，通过枝叶结构阻碍部分气流穿过，从而减缓风速，树木的枝叶面积大小与疏密度高低直接影响阻风效果。枝下层只有树干没有枝叶的阻挡相对通透，与冠层底部为界限形成树下风廊，部分来流风绕过冠层底部从枝下层穿过，气压发生变化，风速随之增快，枝下层风速受枝下层的高度影响，行人会在高大树木的枝下层内活动，所以高大树木枝下层风环境与人体舒适度密切相关。

植物对周围风场的影响面积与冠层大小呈正相关关系。植物对周围风场影响面积大小，由枝叶层面积和枝下层高度所决定，树木冠层面积越大，导致周围风场产生影响的面积也就越大，枝下层越低，相反影响面积也会变多。植物背风面会形成低速流动区，产生风涡旋现象，多种植物枝叶层重叠部分和较大类型植物组合的气流回旋效果更加明显，当枝叶层较大，且疏透度较密时涡旋现象更明显。

植物冠层是减缓风速的主要区域，当枝下层低于人行高度时，人行层高度风速减缓明显，当枝下层高于人行高度时，人行层风速减缓作用较弱，风速较大。大乔木、中乔木枝下层高度为3 m和2 m均高于人行层，人行层无枝叶影响，气流流动通畅，测试点风速较高；而小乔木枝下层高度1 m，受枝叶的阻碍作用强，气流流动减缓，风速最低；大灌木高1.5 m，无枝下层，人行层气流减缓效果较明显，风速较低。

四、结论

在规划或优化设计阶段，对城市公园内进行风环境模拟与数值评估至关重要，可提前发现空间内恶劣风环境问题，通过制定相应优化策略，能够提高风环境舒适度，且有效避免恶劣风况。

在公园景观廊道空间设计时，应根据当地常年风环境特点和具体风况进行植物类型及搭配的选择。在风速、风频相对较低的区域，植物单体应多选用大乔木，植物组合应多选用大乔木+中乔木或大乔木+中乔木+大灌木的组合方式提高人行层平均风速；在强风地区应多选小乔木单体，植物组合应选小乔木+大灌木或中乔木+小乔木+大灌木的组合方式降低人行层平均风速。