严寒地区住宅小区室外风场的数值模拟分析

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摘要： 室外气流运动与建筑群规划的“和谐”设计，成为建筑系统节能和可持续的生态建筑的重要 方法 之一。利用数值模拟的方法，可以得出住宅小区的室外的速度场、温度场及污染物分布的详细情况，对改善人居内外环境意义深远。本文针对严寒地区住宅小区，综合 分析 室外风环境的 影响 因素，建立了室外风环境的物理和数学模型， 应用 专业CFD软件FLUENT对此特定的流动物理 问题 ，采用适合于它的数值解法，得到三维速度场和压力场，在 计算 速度，稳定性和精度等各方面达到最佳。 研究 表明，使用数值模拟方法对住宅小区的风环境进行评价和探讨，不仅对利用建筑布局改善室外环境有显著的作用，而且在组织良好的室内通风方面也具有一定意义。 关键词： 住宅小区 风场 数值模拟 FLUENT1 引言 随着我国严寒地区低能耗住宅建筑的 发展 ，住宅室内通风换气问题已不容忽视。一般情况下，室内 自然 通风的形成，既有热压通风的因素，也有风压通风的原因，从自然通风改善室内空气品质角度来看，风压通风对室内气候条件的效果比较显著，故应首先考虑如何组织建筑物室外的风压通风来改善室内热环境。2 室外风场的物理模型和CFD数值模拟 2.1 物理模型 哈尔滨市位于严寒地区，冬季持续时间长，且室内空气质量与室外环境相差较大，故节能住宅建筑的通风关键在冬季，本文以哈尔滨地区气象参数中冬季的主导风向和风速为依据，以哈尔滨市泰海小区44号楼及其周围4栋建筑物作为室外风场模拟对象，分析住宅小区室外风场的气流流动情况。模拟建筑物及其周围四栋楼均为高度为22 m 的建筑物，如图1，图中相应地给出各建筑物在泰海小区中的位置及其建筑物布局。为建立数学模型，对物理模型作以下假设和简化：（1）建筑物外气流分布取决于来风风速以及风向，建筑尺寸及形状，以及建筑物开口大小和位置。若开口尺寸小于建筑物立面面积的1/6，三栋建筑可简化为混凝土块。（2）室外气流为风速梯度分布的低速流范围，据Boussinesq假设，空气一般为粘性不可压缩流体。一次简化为稳态的紊流气流流动，考虑到计算机的硬件设备(RAM256M，CPUPⅣ2.4GHz)有限，仅分析最大风速的稳态紊流情况。2.2 CFD数值模拟 FLUENT软件设计基于“CFD计算机软件群的概念”，针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法，从而高效率的解决各个领域的复杂流动的计算问题。FLUENT中提供了下列可供选取的湍流模型：Spalart-Allmaras模型、标准 k-ε 模型、RNG（重组化群） k-  ε 模型、可实现 k-  ε 模型、雷诺应力模型（RSM）和大涡模拟模型（LES）。湍流模型选取取决于诸多因素，如流动物理机理、特定类型问题以往的经验、精度级别的要求、现有的计算机资源和模拟所用时间等。对于住宅小区这样具有较大的建筑物尺寸和较高的风速的特定条件，室外流动的Re从50.000到100.000变化，为完全发展流动，因此，采用标准 k-  ε 湍流模型。参见前人对计算模拟区域的经验设定，室外流动模型模拟区域如下：当所着重模拟的建筑物外表尺寸为1时，模拟区域为上风侧为建筑物长度的3倍，下风侧为建筑物长度的12倍，两侧宽度为建筑物的3倍，高度为建筑物高度的4倍。几何建模和网格划分采用FLUENT的前置处理器－GAMBIT。建筑物室外风场的来流为哈尔滨地区冬季主导风：风向西南，平均风速为按10米高处风速3.8   计算的沿高度递增的梯度风速。上空面、地面及建筑物表面按光滑壁面设定。方程求解中压力与速度的耦合采用压力耦合的半隐方法（SIMPLE），除压力采用二阶迎风格式进行离散外，其他如动量、紊流脉动动能和紊流脉动动能耗散率均采用一阶迎风格式进行离散。

  图1 哈尔滨泰海小区44号楼及其周围4栋建筑物平面图3 结果分析与讨论 3.1 室外风速矢量场分析 为了研究建筑物周围不同朝向不同高度处的室外气流流动情况，分别计算了位于44号楼中的两个算例：（1）平面高度5.94m（以地面为基准的送风高度）；（2）平面高度19.94m。由图2中的速度矢量分布来看，在西南风向的影响下，建筑物群的西南向建筑物处于迎风侧，而东北向建筑处于背风侧。在建筑物群外侧的西北角和东南角以及建筑物群的入口处，速度梯度达到最大值；并在建筑物群背风侧的西北角和东南角产生背风涡流区。建筑物群外侧，速度沿南向建筑物的变化 规律 为：由西向东逐渐增大，在建筑物的拐角处达到最大值；速度沿西向建筑变化规律为：由南向北逐渐增大，在建筑物的拐角处达到最大值。沿西南向建筑物的速度绝对值较大，速度方向变化不大。在建筑物群外侧，速度沿北向建筑物的变化规律为：40号楼侧，速度由西向东速度先变小后变大，在建筑物拐角处均达到最大值，速度方向发生180°变化；42号楼侧，速度大小始终由西向东增大，且速度大小和方向变化较平缓。速度沿东向建筑物的变化为：由北向南速度大小稍有增加，速度方向基本不变。   算例1：平面高度5.94m　 算例2：平面高度19.94m   图2 44号楼及其周围4栋建筑物室外风场速度矢量图及等动压线图   注：图中网格为■的位置分别是44号楼3单元202、702户南、北向房间位置。在建筑群内，速度大小变化较小，但方向沿围护结构变化很大。因此，在左右两个马蹄形建筑群内形成了两个强度相似，但旋转方向相反的旋涡。由此可见，在建筑物群外侧拐角等锐缘处，来流的速度大小和方向都发生剧烈变化，且在建筑物群背风侧形成的涡流区内，速度梯度大，风向不稳定。在建筑物群内，易形成强度较小的旋涡区。3.2 室外风场沿建筑物表面风压 分析  建筑物处于大气流场中，由于建筑物形状和空气粘性等因素的 影响 ，使气流速度在建筑物的前后发生变化而引起压强的变化。当风吹响建筑物正面时，因受到建筑物表面的阻挡而在迎风面上产生正压区，气流再向上偏转同时绕过建筑物各侧面及背面，在这些面上产生负压区。因此，当建筑物围护结构存在开口时，由于压差作用，室内就会形成 自然 通风。建筑物周围的压力分布通常由无因次风压系数描述，及建筑物外表面某点的风压与建筑物同高度出来流风压之比。在对44号楼三单元不同平面高度的风压系数及风压值的 计算 结果中，如表1所示。建筑物迎风面的风压系数及风压均随着建筑物高度的增加而增加，且风压从1.6   变化到17.77   增幅较大；而建筑物背风面则处于很弱的负压作用下，风压系数及风压均相对较小，风压作用很弱。对于西向建筑物，由于其同样具有迎风面与背风面风压差大，风压系数变化明显的特征，因此，风压系数及风压变化 规律 同上。由此，对于处于建筑物群迎风侧的建筑物，沿建筑物垂直方向上的风压系数和风压值具有风压差大，风压系数变化明显的特点，因而建筑物高处的通风效果较好。而沿建筑物水平方向上，尽管存在相对不同的风压系数和风压值，但变化规律由对速度场的分析可知，亦存在一定变化规律，即：通风方向均为由建筑物群外侧到建筑物群内侧，且通风效果强。对于建筑物群背风侧的东向和北向建筑物，结合速度矢量分布和风压分布，采取对个别点的采样分析计算可知：由于建筑物两侧速度绝对值小，方向变化复杂，风压系数和风压沿水平和垂直方向变化均不大，因此，背风面的东北向建筑物具有通风强度较弱，通风方向复杂，规律性不明显等特点。表1 44号楼不同平面高度的风压系数及风压值 44号楼 房间朝向 通风器高度Z(m) 高度Z处梯度风风速V(Z)(m/s) 模拟风速(m/s) 动压P(X,Y,Z))(pa) 静压P   (Z)(pa) 风压系数Cp(X,Y,Z)  3单元102 南向 2.84 2.3 1.65 1.83 0.23 0.45  北向 2.84 2.3 -0.35 0.08 0.23 -0.05  3单元202 南向 5.94 3.09 2.44 3.99 0.4 0.55  北向 5.94 3.09 -0.47 0.15 0.4 -0.05  3单元302 南向 8.74 3.6 2.84 5.41 0.61 0.55  北向 8.74 3.6 -0.55 0.2 0.61 -0.05  3单元402 南向 11.54 4.02 3.18 6.79 0.79 0.55  北向 11.54 4.02 -0.91 0.56 0.79 -0.02  3单元502 南向 14.34 4.39 3.78 9.59 0.95 0.79  北向 14.34 4.39 -1 0.67 0.95 -0.02  3单元602 南向 17.14 4.71 5.06 17.18 1.1 1.08  北向 17.14 4.71 -1.07 0.71 1.1 -0.02  3单元702 南向 19.94 4.95 5.32 18.99 1.22 1.08  北向 19.94 4.95 -1.13 0.86 1.22 -0.02     综上所述，哈尔滨泰海小区44号楼及其周围4栋建筑物，在冬季为西南向主导风的作用下，即：风向投射线与建筑围护结构法线的交角－风向投射角为45°，综合考虑风场和涡流区的关系，认为投射角较恰当，建筑物间距（33.66 m ≈1.5H）适宜。建筑物群迎风侧的建筑物通风作用明显，通风方向稳定，且应根据以上分析合理地布置建筑物周围环境，改变建筑物周围的气流流场，创造良好的建筑物室内外通风环境。对于建筑物群背风侧的建筑物，也应通过数值模拟计算分析， 研究 前栋建筑物的阻挡状况以及周围建筑物，寻找特定环境下的通风特点，采取不同的 方法 和措施，使建筑物室内外获得良好的自然通风环境。4  总结  对于受多种因素和条件影响的住宅小区室外环境，以及 应用 广泛、功能强大的FLUENT软件，本文仅分析和应用了一小部分 内容 ，随着计算机技术的 发展 ，综合考虑室外太阳辐射、建筑周围绿化等因素将成为生态建筑环境数值研究的一个新方向，而大涡模拟、直接模拟也将会应用的越来越多，使数值模拟技术在实际工程应用中发挥重要作用。5  参考  文献  1． Yi Jiang, Qingyan Chen. Effect of fluctuating wind direction on cross natural ventilation in buildings from large eddy simulation. Building and Environment 37(2002)379-386.2. James W.Axley, Steven J Emmerich, George N.Walton. Modeling the Performance of a Naturally Ventilated Commercial Building with a Multizone Coupled  The rmal/Airflow Simulation Tool. ASHRAE 2002 HI-02-21-43. Samir S.Ayad. Computational study of nature ventilation. Journal of engineering industrial aerodynamics 82(1999)49-684. 孙一坚主编. 简明通风设计手册.  中国 建筑 工业 出版社 2000.25. 赵福云,汤广发,周安伟.住宅小区热环境数值分析－风环境的数值模拟.全国暖通空调制冷2002年学术年会论文集（下册）2002.