余文馨，曹宗政，梅　梅

（1.重庆华地工程勘察设计院（重庆地质矿产研究院），重庆400000；2.中冶赛迪重庆环境咨询有限公司，重庆400000）

应用CFD模拟城市街区内风场变化规律

余文馨1，曹宗政2，梅梅1

（1.重庆华地工程勘察设计院（重庆地质矿产研究院），重庆400000；2.中冶赛迪重庆环境咨询有限公司，重庆400000）

城市环境下的大气污染物扩散由复杂建筑物结构周围的风场所控制。本研究利用CFD以某城市市区内一段城市街区为研究对象，建立物理模型与三维湍流模型，模拟出不同几何结构的城市街区在不同风速下街区内风场的气流变化规律。模拟结果对于研究城市街区内建筑布局、道路建设、交通规划和交通控制、污染控制等方面都具有重要意义。

城市街区；风场；数值模拟；CFD

1　引言

城市环境下的大气污染物扩散由复杂建筑物结构周围的风场所控制。风的“下洗”和由于建筑物存在而导致的气流湍流度增加，不仅强烈影响平均风场，也影响到扩散参数。一种典型的建筑物结构布局形态就是城市街区——两旁都有连续、高大建筑物的相对狭长的街道空间。因为城市街区所具有的独特结构、特殊下垫面和微气候特征，所以导致了近地逆温层的形成，造成局地高浓度的大气污染。本文以某城市主城区的一段街区为研究背景，建立一个三维城市街区模型，该模型可以呈现出不同几何结构、建筑群结构形状的街区，然后在不同温度、气压、风速和风向下模拟街区内风场的气流流动情况，从而研究街道几何结构、建筑群结构形状综合对街道微环境风场的影响，从而为可持续发展的合理街区规划提供依据。

2　模型的建立

本文选取的一段街区由三条道路组合而成，其中两条道路互相垂直分布，第三条道路与水平布设的道路相接，且两条道路的夹角约为135°。具体布设情况是：水平布设的街区宽15m，长约160m，道路两侧建筑物高度在18～30m之间，整个街区呈现对称型几何结构；垂直布设的街区宽20m，长约170m，道路两侧建筑物高度在18～45m之间，整个街区呈现狭长型几何结构；倾斜布设的街区宽15m，长约100m，道路两侧建筑物高度在12～15m之间，整个街区呈现开阔型几何结构，效果图如图1所示。

图1　模型区三维立体效果图

3　模型的建立及网格划分

本次研究城市街区风场模拟区域边界设定为：模拟区域上风侧为建筑物高度的2倍，即距离上方第一排建筑物120m；下风侧为建筑物高度的4倍，即距离下方最后排建筑物240m；两侧宽度为建筑物宽度的1/2，即距离两侧最近的建筑物30m；空间高度为建筑物最高高度的2倍，即距离下方最后排建筑物120m。

在保证准确的模型尺寸后，直接在GAMBIT软件中建立几何模型，然后设定边界层，网格长度定为3m，最终网格总数为255394，效果图如图2所示。

图2　6.4m/s下风压和风速分布图

4　数学模型

本文在进行CFD模拟中求解器中的基本物理模型选用标准k-ε模型[1]，使用耦合求解器，同时采用壁面函数法对街区内建筑物的近壁区进行处理，从而对风场进行模拟研究。

5　边界条件

本次设定的边界条件仅仅设定流动进口处的流动速度和其他相关的标量型流动变量。对于可压缩流动问题时会使得入口处的总温度和总压有一定程度的波动，导致非物理结果，所以可压缩流问题不适合采用速度进口边界条件。本研究中采用以velocity inlet为来流面边界，自由出口为出流面边界[2～3]。

在本文中城市街区的来流面边界条件定位：分别取全年月均最大风速6.4m/s，气压97.9kPa，温度21.1℃，主要风向为ES；再取全年月平均最小风速0.2m/s，气压97.4kPa，温度32℃，主要风向为ES。出流面即值得是模型下风向区域，此处的边界条件（outflow）假设出流面上流动已充分发展，边界条件按自由出口设定。街区内的壁面边界条件（wall）指的是街区两侧建筑物的壁面，以及整个模型中上空离建筑物壁面较远的上界面。在此处设定的边界条件中首先要确定其来流风速为水平方向，速度沿切线方向的梯度为零。对于街区两侧的建筑物表面和街区内地面，均采用无滑移（No Slip）的壁面条件。

6　模拟结果与分析

根据风场矢量图中的风速分布情况，可以得出以下结果：

（1）当街区与来流风相交时，建筑物的连排分布对街区内风压分布的影响较大。在迎风面上，风的部分动能变为静压，使迎风面的压力大于大气压力，形成正压区；而在背风面因受到的压力小于大气压，故形成负压区。在街区模型中建筑物的拐角处正压会达到最大值，而街区内下风向侧的排建筑物经过街区另外一侧上风向处建筑物的阻挡使风速减小，使街区内下风向侧的建筑的表面风压均较小。模拟结果显示，在由于建筑物围成的街区内各大都处于低负压控制，故在此区的空气一般会处于涡流状态。

（2）当街区平行于来流风时，由于在街区内没有建筑物的阻挡，因此风压变化不大。

（3）风速直接影响着污染物在街区中的扩散快慢，根据上述中风速矢量图的结果可看出：当街区平行于来流风时由于街区内没有建筑物的阻挡，故来风在街区中风向不会发生改变，仅在街区入口处因建筑物拐角的影响，使风速在各自的拐角处达到最大值，而后逐渐减小，趋于大于入口速度的一个稳定值，速度方向均由西向东，基本不变。

较复杂的情况便是当街区垂直于来流风时和与来流风成一定斜角时，由于迎风面建筑物的阻碍作用以及前后建筑物高度的差异会对风速和风向产生较大影响，从而也使得街区内的流场分布也因此而变得相对复杂。下面作者就该情况作出以下较详细的分析：

①在迎风面由于街区两侧建筑物的阻碍作用，尤其是在垂直于来风方向的街区模型中左上侧尖角和左下侧拐角处，气流发生了显著的分离，同时在近地面产生了停止环流现象。同时在街区两侧建筑物顶部产生了气流回流现象。还可以看到，在街区两侧的建筑物顶部尖角处均产生逆与来流的气流，从而使得在街区内产生了双涡环流现象。而在该街区的下方，由于此处的建筑物有明显的倒角结构，使其避免了漩涡的产生。

②在街区两侧某些高大建筑物之间会有一定距离，便形成了“管狭”。本次模型中，在迎风面处存在有两个这样显著的“管狭”。可以看到，在来流风进入该“管狭”后风速明显增大许多，如此便形成了城市中的“管狭风”，同时其分别在各自的建筑物的两侧产生漩涡。而在右侧背风面同样的“管狭”入口处，因来流风经过回流后速度已降低，故风速度变化不大，处于低速区。

③在该模型中与来流风呈一定倾斜角度的街区，由于在设计时是按照开阔型街区的几何结构进行设计的，即建筑物高度小于街区宽度。可以看出，风场在这种街区内风速变化并不大，整个流场分布较平稳，没有产生环流、漩涡、管狭风等现象。可见开阔型街区有利于污染物地扩散。

7　结论

通过以上分析，可得出如下结论：

（1）气流在街区建筑物拐角处风速呈射流状地绕过建筑的顶面及两侧面，然后风速会突然地增大很多，同时诱导背风面的气流形成了旋涡。

（2）两建筑物相距较近时形成了“管狭”，气流会从该狭缝中穿过，从而气流到达建筑物背风侧的街区内，风速不仅不会降低反而明显增大，也可称该现象为“抽风效应”。

（3）因为街区上风向侧建筑物产生的阻挡作用使得气流在运动过程中在爬升越过该处的建筑物时在后方出现一个尾流区，根据风速高的区域湍流强度小，而低速区域湍流强度大这一规律，尾流区内的风速会相对较低，所以便在街区建筑物背风面处形成低风速区。而当来流风向建筑物吹来时，因为建筑物的阻挡使来流风的气流沿着建筑物向上爬升，并且在建筑物附近形成了静驻漩涡，这样又使得街区迎风面侧的建筑物附近也产生了低风速区。另外由于气流分离作用及建筑物诱生的二次流作用，尾流区内速度亏损，湍强增强，两者共同作用使建筑物背风侧出现风速的低值区，且越靠近建筑物地面处风速越低。

[1]江 帆，黄 鹏.Fluent高级应用与实例分析[D].北京：清华大学，2008.

[2]王 超，邱卫国，李文孟，黄远东，吕 品.城市带廊道街道峡谷内气流运动及污染物扩散的数值研究沈阳建筑大学学报，2006，22（5）：782～786.

[3]蒋维嵋，苗世光，刘红年.城市街区污染散布的数值模拟与风洞实验的比较分析.环境科学学报，2003，23（5）：652～656.

Application of CFD to Simulation ofWind Field Variation in Urban Blocks

Yu Wenxin1，Cao Zongzheng2，MeiMei1
（1.Chongqing InstituteofGeologyand MineralResources，Chongqing400000；2.ChongqingCCIDEnvironmentalConsultingCo.，Ltd.Chongqing400000）

Urban environment of the atmospheric pollutants spread by complex structure around the wind place control.This study uses the CFD in city,sometime city streets as the research object，the establishment of physicalmodel and three-dimension turbulentmodel，simulate different geometric structure in the city streets under differentwind speed of air flow.the simulation results in the research of urban streets for the architectural layout，road construction，transportation planning and traffic control，pollution control is very significant.

City streets；Flow-field distribution；Numerical simulation；CFD

TM614

A

2095-2066（2016）31-0011-02

2016-10-23