王汉青 肖凌云 王沨枫 夏雄博 黎敏 张璨

湖南工业大学土木工程学院

大型复杂山地住宅小区风环境数值模拟

王汉青 肖凌云 王沨枫 夏雄博 黎敏 张璨

湖南工业大学土木工程学院

本文针对某大型复杂山地小区的风环境进行了数值仿真，并用计算流体力学的方法求解了夏季和冬季的稳态三维流场。分析了各建筑间的巷道风、污染物浓度、行人高度处的来流风速，以及在风压作用下建筑的迎风面和背风面的压力差等，得出了对以后山地小区风环境的模拟及合理的规划具有参考价值的结果。

大型住宅小区 风环境 数值模拟

随着人们对居住环境质量要求的提高，住宅小区风环境逐渐受到大家的重视，并且已经纳入到绿色建筑的评估范围，不容忽视。目前对小区风环境的研究已有不少，例如关吉平[1]等人在同济大学国家重点实验室TJ-3边界层风洞中进行试验，对建筑行人高度风环境舒适性和危险性水平做了分析和评估，对于不符合要求的区域给出了适当的建议；刘春艳[2]等人就厦门市某小区规划阶段的方案，对其进行了CFD数值模拟，并利用仿真结果对该设计方案做出相应调整。相比之下，数值模拟的方法具有成本低、周期短等优势，但是在这些研究中并没有对地形复杂的山地小区进行详细的研究[3]。复杂的山地建模与建筑本身的耦合和网格划分难度较大，对模拟研究带来一定挑战。本文针对南方某大型复杂山地住宅小区进行数值模拟分析，根据仿真结果对建筑布局进行优化，有效地消除不利风环境对建筑及居民可能带来的危害。

1 物理模型

1.1 实例概况介绍

模拟对象是位于南方某城市的山地住宅小区，共36栋建筑，其中包括19栋别墅和17栋高层建筑；别墅临山而建，高度为13.5m，高层建筑高度为97.5m；小区南北方向长510m，东西方向宽410m，其平面布局及各建筑编号如图1所示。

该市夏季主导南风，冬季主导北风，日平均风速分别为2.5m/s、2.1m/s；计算区域沿迎风方向，长度取6倍建筑高度；沿背风方向，长度取8倍建筑高度，沿高度方向及另外两个方向均取4倍建筑高度[4]，则整个计算域为：1295m×1775m×390m。

图1 小区建筑位置图

1.2 三维地形的建立

整个小区的建筑和地形均按照实际情况进行建模。忽略地面低矮的树木和建筑中尺寸相对较小的阳台、窗户等[5]；地形则是根据三维坐标点在Gambit中得到的一个连续完整的曲面[6]。然后把建筑三维模型和地形结合起来，得到图2。

图2 小区物理模型

2 湍流模型

实际上小区的下垫面结构复杂，为简化计算可忽略辐射及浮升力的影响，忽略空气密度随温度的变化，常温下空气可视为不可压缩流体，满足Bossinesq假设，一般地说自然风的绕流是一种湍流运动，故本文采用如下的湍流模型。

双方程k-ε模型作为湍流模型[7]，k-ε模型的湍流动能k方程为：

式中：Γk,eff为紊流能量k的有效扩散系数，Γk,eff=v+Γkt，即Γk,eff=v+vt/σk；ε=σkk2/vt；k为紊流能量，m2/s2；τ为时间，s；ui为i方向的速度，m/s；vt为紊流动力黏性系数，亚格子尺度紊流黏性系数，kg/(m·s)。

耗散率ε方程为：

式中：Γε,eff=v+Γεt；ε为紊流黏性耗散率，m2/s3；g为重力加速度，m/s2；β为体积膨胀系数，1/K。

3 边界条件与网格划分

3.1 边界条件

在大气边界层内，由于摩擦力的存在，风速沿垂直方向递增，贴近地面处风速为零，因此模型入口边界设为梯度风速度边界。对于风速梯度，假定风速剖面符合Davenport提出的幂指数分布规律，指数α在边界层厚度δ内保持不变，即：

式中：高度Zo为参考点高度，通常取10m处；Vo为在Zo高度的平均风速；风速V为任意高度Z的函数，V= V(Z)；幂指数α是地面粗糙系数，不同的地面条件，α取值不同，本文取0.25[8]，具体取值还可以通过实地测量和拟合风速廓线得到。本文采用C语言编写程序，利用UDF导入FLUENT进行计算。

本模型侧面、顶部及出口边界条件参考风洞模型试验的做法，由于空间足够大，可忽略边界对建筑绕流的影响，所有固体边界均采用“无滑移”壁面条件，顶部边界采用“moving-wall”壁面条件，出口边界采用自由出流。

3.2 网格划分

本文采用多块混合网格，对建筑周围20m以内的部分进行了局部加密。

4 小区风环境数值模拟结果及分析4

依据我国第三版《中国生态住宅技术评估手册》中的要求，本文采用数值模拟的方法，可预测达到：在建筑物行人高度1.5m处的风速小于5m/s，保证冬季建筑物前后压差不大于5Pa，夏季小区内部风场无较大面积漩涡和死角[8]，并采取相应措施。

4.1 小区夏季风环境结果分析

为了分析小区受夏季风环境的影响，取Z=66.5m、Z=78m和Z=160m高度处小区的压力云图和速度云图进行分析。

图3、4是建筑（除山中别墅外）离地面平均高度为1.5m处的截面速度和压力云图，从整体看出大部分建筑与建筑之间的风速是控制在5m/s之内，最高风速在3.6m/s以内，最低风速约0.2m/s，不会使人体有不舒适感。从图中可以看出由于前方建筑物与后方建筑的阻挡，5号建筑、6号建筑下部的空隙处几乎没有风吹过，在这两栋建筑物前后均形成负压，又由于2号与6号建筑之间的巷道效应，气体未流经6号背部而直接从1号建筑、3号建筑之间的间隙流出，因此5号建筑、6号建筑之间可能会导致污染物的积聚，不利于营造小区洁净大气环境。

图3 Z=66.5m处的速度云图

图4 Z=66.5m处的压力云图

同样，取离地面平均高度为13m的截面，分析其压力和速度，此断面刚好显示别墅区行人高度的流动情况，最大风速不超过3.5m/s，最小风速略大于0.2m/s，风沿着山体流过别墅区，别墅之间的间距和错位的排列方式，使得风能均匀绕过每栋建筑。19栋别墅与20栋别墅在靠近山体的一侧，风速偏小，仅为0.2m/s，并形成死角，对环境有一定的影响，但是从总体上看，由于有山的阻挡，别墅区整体的风环境比预期的效果要好。

图5是在Z=160m（建筑物顶部）平面位置上截取两条直线的压力曲线图。图中可以看出不同建筑迎风面与背风面的压差大小，其中35号建筑压差为3.1Pa，4号建筑压差为 0.1Pa；34号建筑压差为4.7Pa，32号建筑压差为3.7Pa。从图5中可以看出各个建筑物迎风面压力均大于背风面压力，其中4号建筑的迎风面和背风面的压差比较小，建议调整。

图5 Z=160m处的压力曲线图

图6 Z=160m处的压力云图

4.2 小区冬季风环境结果分析

为了分析冬季风环境，对模型取X=360m、Z=66. 5m、Z=78m和Z=160m处的截面进行分析。

如图7（a），压力最大处发生在建筑物的迎风面偏上方，而压力最小处发生在建筑物背风侧顶部，且建筑与建筑之间压力形成负压区。图7（b）可以看出沿垂直方向出现明显的速度分层，越靠近地面速度越小，随着高度增加，风速增加。从图7（c）局部建筑的速度矢量图可以看出，建筑物之间的竖直方向形成大漩涡，可能影响污染物的扩散，对小区建筑周围环境的清洁度和舒适性有一定的影响。

图7 X=360m处的压力云图、速度云图、速度矢量图

图8、图9是建筑（除山中别墅外）离地面平均高度为1.5m处的截面速度云图和风速大于5m/s示意图，从整体可以看出大部分建筑之间的风速控制在5m/s之内，仅34号建筑东侧局部风速大于5m/s，最低速度约0.2m/s。3号建筑与4号建筑、4号建筑与31号建筑之间的风速偏大，局部风速可达4.8m/s，其后由于建筑物的阻挡，风速渐渐减弱。在6号建筑的西南方和东北方出现两个较大的漩涡，不利于污染物的排除，有可能造成污染沉积，建议对其间距做适当调整，或适当设置绿化加以缓和。

图8 Z=66.5m处的速度云图

图9 Z=66.5m处速度大于5m/s示意图

与夏季相同，取离地面平均高度为13m的截面，分析别墅区行人高度处的流动情况，其中最大风速不超过5m/s，最小风速略大于0.2m/s，最大风速还是出现在4号建筑与3 1号建筑之间。在别墅区，由于北面有高建筑物的阻挡，风速均大约在1m/s以下。但在从32号建筑与34号建筑吹过来的北风沿着山体掠过别墅区，使该区域风速处于2.5m/s与3.0m/s之间。20号建筑风速略大于其他别墅，最大达4m/s。

同样，为了分析冬季不同建筑顶部迎风面与背风面的压差大小，在Z=160m（建筑物顶部）平面位置上截取了两条直线，得到其压力变化情况，其中35号建筑压差为2.5Pa，4号建筑压差为11.8Pa；34号建筑压差为8.5Pa，32号建筑压差为13Pa。由于最北面建筑没阻挡物，所以压差较大，且1号建筑、3号建筑、31号建筑和32号建筑的压差大小均超过7Pa，故应采取较好的防风防渗漏措施，同时要考虑建筑结构抗风震、抗风压能力。

在建筑的迎风面上取1号建筑、4号建筑、31号建筑为代表性建筑，分析其在竖直方向的压力与速度变化趋势，如图10（a）所示，以平面Y=370m与平面X=60m、X=250m、X=350m分别相交的直线代表3个位置的标定线。从图10（b）与图10（c）中可以看出，压力和速度符合伯努利方程描述的规律，气流在掠过建筑物顶部之后风速逐渐增大，故在建筑的最顶层须考虑风荷载的影响。

图10 Y=370m平面上标定线示意图、压力曲线图、速度曲线图

5 结语

本文对该小区夏冬两季不同风向的室外风环境进行了数值模拟，结果表明，小区的规划整体上能达到室外风环境要求，但存在一些不足：

1）在局部区域有气流涡旋区存在，可能会造成污染物沉积，应该适当调整建筑物布局，或考虑设置绿化，以避免由于大型涡旋区的产生对居民生活带来不便。

2）在不同的高度处，部分建筑物的局部迎风面与背风面压差比较大，超出规范的要求，需考虑这些建筑结构抗风震、风压能力。

3）部分地区巷道风风速达到5m/s以上，要考虑对建筑物规划做局部调整。

根据仿真计算的结果，甲方采纳了相关建议，计算结果还充分说明本文采用的仿真方法对分析大型山地小区风环境仿真是可行的，CFD是分析复杂室外风环境的有力工具。

[1]关吉平,任鹏杰,周成,等.高层建筑行人高度风环境风洞试验研究[J].山东建筑大学学报,2010,25(1):21-24

[2]刘春艳,彭兴黔,赵青春.沿海城市住宅小区风环境研究[J].福建建筑,2010,(7):15-17

[3]赵福云,汤广发,刘娣.住宅小区风环境数值模拟[J].暖通空调, 2005,35(1):120-125

[4]姚林.小区建筑风环境数值模拟研究[D].衡阳:南华大学,2012

[5]邓天福,李灿,李景光,等.小区风环境数值模拟方法[A].见:绿色建筑大会论文集[C].2008:94-98

[6]王汉青,沈小建,李向阳,等.复杂山地大气环境三维建模与仿真方法[J].建筑热能通风空调,2006,25(2):13-16

[7]王汉青.暖通空调流体流动数值计算方法与应用[M].北京:科学出版社,2013

[8]梁朋云.树木对建筑小区风环境影响的模拟研究[D].石家庄:河北工程大学,2011

Num e ric a l Sim ula tion of Wind Environm e nt in a La rge Mounta in Re s ide ntia l

WANG Han-qing,XIAO Ling-yun,WANG Feng-feng,XIA Xiong-bo,LI Min,ZHANG Can
College of Civil Engineering,Hunan University of Technology

Aiming at the wind environment for a large mountain area of the numerical simulation.Solves the steady-state three-dimensional flow field in the summer and winter by CFD.Analyses the roadway wind,pollutant concentration, wind velocity of pedestrian height between the buildings,and the pressure difference in the windward and leeward of the buildings under wind pressure,etc.It has reference value for simulating wind environment and reasonable planning of residential quarters.

large residential quarter,wind environment,numerical simulation

1003-0344（2015）02-042-5

2013-12-19

王汉青（1963～），博士，教授；湖南省株洲市天元区泰山西路湖南工业大学土木工程学院（412007）；E-mail:suolucao@126.com

“十二五”国家科技支撑计划课题（2011BAJ03B07）