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基于深圳市道路气流特征的城市通风网络模型研究

石华  
【摘要】:随着城市的发展及人们生活水平的提高,风环境已经成为影响人居品质的重要因素。一方面城市建设的不断发展,人口不断增加伴随着一系列的生产、生活活动,使城市热岛效应显著增强;另一方面工业发展、汽车尾气排放、生物质燃烧引起的大量空气污染物,直接影响着城市气候与居民健康。城市风环境的优劣直接关系到其降低热岛效应,稀释并排除空气污染物的能力。与此相对,城区内部气流流动日益复杂,原有的城市通风气流物理模型已愈来愈不适用。因此建立新的城市通风模型是亟需解决的课题。 本文就建立新的城市通风模型为目的开展了以下几方面的研究: 首先,对深圳市城市风环境现状进行了研究分析,结果表明深圳市具有较好的通风潜力。而城市路网好比流体输配管网,它散步整个城市,不仅负责城市交通运输连接,还是自然风从城市外进入每个街区每栋建筑的主要路径,即城市路网与城市通风紧密相关。由路网结构模式分析得到深圳市属于典型的棋盘式路网。 其次,对棋盘式路网风环境分别就水平方向和垂直方向进行了实测。水平方向上选择了主干道和支干道十字路口、支干道相邻十字路口、T字型路口等道路网络节点安排实测;垂直方向上通过地面、天桥、气象台十米高度几个不同高度处的测点实测研究其风速风向变化规律,此外还对道路上影响空气流动较大的行驶车辆因素补充了实测。运用MATLAB软件对实测数据处理分析,得到其平均风(包括平均风速和风向)和脉动风(包括湍流度和湍流积分尺度)特征变化规律。 第三,由于路网风环境的现场实测受气象条件影响较难控制,且不利于在较大范围内观测等缺点。选择数值模拟的方法对路网风环境进行了整体研究。运用多孔介质理论对物理模型进行了合理简化,分别采用湍流模型RNG k-ε模型与标准k-ε模型对路网风环境进行了模拟计算。结果表明RNG k-ε模型优于标准k-ε模型;与实测值比较发现,虽然模拟在建模、边界条件设置、湍流模型选择等多方面存在争议,但只要合理设置,数值模拟可以与实际的流动情况高度吻合;此外通过垂直高度上的分层,对每层的路网气流流动特征进行了分析。 最后,提出了城市通风网络模型。垂直方向分为下层建筑密集层、中层建筑屋面层、上层建筑零星层三层,根据每层建筑的分布特征,分析其气流流动特点的基础上,提出了各层水平方向上的通风模型。建筑密集层内,空气流动可以描述为淹没网络流模型,即空气主流在通流干道及各支流道路构成的网状流道内流动,由于流道不封闭,该网络内的流动介质可向上发展,流入建筑屋面层,上层空气也可下沉汇入网络,流道内空气还可通过建筑间隙流入高密度的街区。街道网络内各支流流向由各节点的风压决定;建筑屋面层内,城市建筑多数屋面都分布在该层,这些屋面是相对分离,不连续,竖直表面仍然是建筑立面。这层中,各表面分布密度越向上越小,该层内建筑仅分布于街道网络间的街区内,街道上空依然是空气自由流动空间;建筑零星层,一般仅有超高层建筑的上部。由于超高建筑数量较少,故其间距稀疏,单个建筑绕流之间几乎不存在相互影响,各建筑外绕流相互独立,对该层的空气流场可以按照单体绕流进行求解。最后,针对影响该城市通风网络模型的重要因素(包括城市通风廊道、道路方向、支干道高宽比、路网密度等)给出了合理的规划指导建议。


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