城市小区风场对建筑物空间格局的响应

【摘要】：本文模拟建筑物风场采用国际上应用广泛且在美国有60%市场占有率的通用FLUENT软件包，FLUENT可用来模拟流体不可压缩流动、可压缩流动及高度可压缩流动等各种情况的复杂流动。多种求解方法和多重网格加速收敛技术使FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度，从而获得可信的模拟结果。文章通过对山东师范大学长清校区综合教学楼的风环境模拟验证，模拟结果与2010年5月对教学楼周围风场的实测实验数据进行比对对模拟方案进行调整优化，采用优化后参数方案用于对济南市3种不同类型小区在主导风向南偏西风向和次主导风向东偏北风向下这6种情况进行风场模拟，另外，根据济南市2010年逐日逐时气象监测数值，对于小区内出现不可接受大风频率进行分析，得到以下结论： （1）采用用标准壁面函数进行修正的标准的k-ε双方程模型，并且基于有限体积的二阶迎风离散格式对湍流方程进行离散，结果证明这种方案组合对建筑物周围风环境的模拟具有适用性，但是对于大跨度外形建筑物，建筑物长度、宽度均大于建筑物高度，不能单纯的将计算域尺度按照高度来确定（15h×10h×6h）；15w（建筑物长度）×10d（为建筑物宽度）×6h（为建筑物高度），调整计算域可使模拟精度提高，与实测值进行配对T检验结果为两组数据差异性不显著。 （2）夏季主导（南偏西30°）风向时，建筑物南高北低型及南北高差不大型小区的风场变化都比较复杂，主要是因为建筑物在与来流风向垂直方向上的尺度较大，风对建筑物的绕流使在建筑物后产生小风区，而在迎风第一、二排建筑物两侧产生大风区，最大风速均大于5m/s，背风面水平方向上还产生方向不同的漩涡；垂直方向上，建筑物背风面产生顺时针漩涡，使风带起地面尘土，影响建筑物背风面空气环境，漩涡中心均存在在建筑物高度约三分之二的位置，在此位置会形成污染物的聚集；而建筑物南低北高型的小区，只在前方低矮建筑背风面形成顺时针漩涡，在后方居民楼间风速平缓无明显漩涡形成，因此南偏西风是建筑物南低北高的布局更有利于污染物的扩散。 冬季主导（东偏北30°）风向时，建筑物与来流风向平行，对于风向的影响较小，小区内除了迎风部风速大于5m/s外，其余部分风环境变化不大，有利于小区内污染物的扩散，但是建筑物南北风压差较小，可能会出现居民家中通风条件较差的情况。 （3）矩形建筑迎风面靠近墙壁位置出现小风区，建筑物背风面由于建筑物阻挡出现边界层剥离建筑物表面，在建筑物背风面形成小风区及漩涡，而风绕流圆柱形建筑物时，风沿着建筑物表面流动，会减缓建筑物周围边界层的剥离，建筑物对于风的阻挡效应相对较为缓和，建筑物两侧的风压等值线也变化较小，建筑物背风面风场变化不大，因此圆柱形建筑物会减少建筑物对于风场的影响。 （4）夏季主导（南偏西30°）风向时，对于楼高30m的小区（辛庄和武家安置区），小区整体对于风场的影响在小区背风面200~300m处消失，而对于楼高50m的小区（实力·伴云居小区），这种建筑物对风的阻挡效应在小区背风面500~600m处消失，由此看出建筑物的高度越大，对于区风场的影响范围越大；冬季主导（东偏北30°）风向时，由于建筑物在垂直于风向的方向尺度较小，建筑物与建筑物间距的比例小于1:4，小区对于风向的影响不大，因此建筑物尺度与来流风向对小区风场影响最大，建筑物在来流风向垂直方向上的尺度越大，对于风向的影响越大，形成的局部风场约复杂。 （5）对于小区内出现不可接受大风频率进行分析，发现在小区的南侧第一排建筑物之间出现不可接受风速的概率为3.77%，在小区东部第一排建筑的东南角和东北角出现不可接受风速的概率为2.60%。因此在小区布局设计时，必须在这两个位置设置防风绿化带，以减缓大风天气给人带来的影响。