嚴(yán)寒地區(qū)住宅小區(qū)室外風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值模擬分析

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摘要： 室外氣流運(yùn)動(dòng)與建筑群規(guī)劃的“和諧”設(shè)計(jì)，成為建筑系統(tǒng)節(jié)能和可持續(xù)的生態(tài)建筑的重要 方法 之一。利用數(shù)值模擬的方法，可以得出住宅小區(qū)的室外的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及污染物分布的詳細(xì)情況，對(duì)改善人居內(nèi)外環(huán)境意義深遠(yuǎn)。本文針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)住宅小區(qū)，綜合 分析 室外風(fēng)環(huán)境的 影響 因素，建立了室外風(fēng)環(huán)境的物理和數(shù)學(xué)模型， 應(yīng)用 專業(yè)CFD軟件FLUENT對(duì)此特定的流動(dòng)物理 問(wèn)題 ，采用適合于它的數(shù)值解法，得到三維速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，在 計(jì)算 速度，穩(wěn)定性和精度等各方面達(dá)到最佳。 研究 表明，使用數(shù)值模擬方法對(duì)住宅小區(qū)的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)和探討，不僅對(duì)利用建筑布局改善室外環(huán)境有顯著的作用，而且在組織良好的室內(nèi)通風(fēng)方面也具有一定意義。 關(guān)鍵詞： 住宅小區(qū) 風(fēng)場(chǎng) 數(shù)值模擬 FLUENT1 引言 隨著我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)低能耗住宅建筑的 發(fā)展 ，住宅室內(nèi)通風(fēng)換氣問(wèn)題已不容忽視。一般情況下，室內(nèi) 自然 通風(fēng)的形成，既有熱壓通風(fēng)的因素，也有風(fēng)壓通風(fēng)的原因，從自然通風(fēng)改善室內(nèi)空氣品質(zhì)角度來(lái)看，風(fēng)壓通風(fēng)對(duì)室內(nèi)氣候條件的效果比較顯著，故應(yīng)首先考慮如何組織建筑物室外的風(fēng)壓通風(fēng)來(lái)改善室內(nèi)熱環(huán)境。2 室外風(fēng)場(chǎng)的物理模型和CFD數(shù)值模擬 2.1 物理模型 哈爾濱市位于嚴(yán)寒地區(qū)，冬季持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，且室內(nèi)空氣質(zhì)量與室外環(huán)境相差較大，故節(jié)能住宅建筑的通風(fēng)關(guān)鍵在冬季，本文以哈爾濱地區(qū)氣象參數(shù)中冬季的主導(dǎo)風(fēng)向和風(fēng)速為依據(jù)，以哈爾濱市泰海小區(qū)44號(hào)樓及其周圍4棟建筑物作為室外風(fēng)場(chǎng)模擬對(duì)象，分析住宅小區(qū)室外風(fēng)場(chǎng)的氣流流動(dòng)情況。模擬建筑物及其周圍四棟樓均為高度為22 m 的建筑物，如圖1，圖中相應(yīng)地給出各建筑物在泰海小區(qū)中的位置及其建筑物布局。為建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)物理模型作以下假設(shè)和簡(jiǎn)化：（1）建筑物外氣流分布取決于來(lái)風(fēng)風(fēng)速以及風(fēng)向，建筑尺寸及形狀，以及建筑物開(kāi)口大小和位置。若開(kāi)口尺寸小于建筑物立面面積的1/6，三棟建筑可簡(jiǎn)化為混凝土塊。（2）室外氣流為風(fēng)速梯度分布的低速流范圍，據(jù)Boussinesq假設(shè)，空氣一般為粘性不可壓縮流體。一次簡(jiǎn)化為穩(wěn)態(tài)的紊流氣流流動(dòng)，考慮到計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)備(RAM256M，CPUPⅣ2.4GHz)有限，僅分析最大風(fēng)速的穩(wěn)態(tài)紊流情況。2.2 CFD數(shù)值模擬 FLUENT軟件設(shè)計(jì)基于“CFD計(jì)算機(jī)軟件群的概念”，針對(duì)每一種流動(dòng)的物理問(wèn)題的特點(diǎn)，采用適合于它的數(shù)值解法，從而高效率的解決各個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜流動(dòng)的計(jì)算問(wèn)題。FLUENT中提供了下列可供選取的湍流模型：Spalart-Allmaras模型、標(biāo)準(zhǔn) k-ε 模型、RNG（重組化群） k-  ε 模型、可實(shí)現(xiàn) k-  ε 模型、雷諾應(yīng)力模型（RSM）和大渦模擬模型（LES）。湍流模型選取取決于諸多因素，如流動(dòng)物理機(jī)理、特定類型問(wèn)題以往的經(jīng)驗(yàn)、精度級(jí)別的要求、現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)資源和模擬所用時(shí)間等。對(duì)于住宅小區(qū)這樣具有較大的建筑物尺寸和較高的風(fēng)速的特定條件，室外流動(dòng)的Re從50.000到100.000變化，為完全發(fā)展流動(dòng)，因此，采用標(biāo)準(zhǔn) k-  ε 湍流模型。參見(jiàn)前人對(duì)計(jì)算模擬區(qū)域的經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，室外流動(dòng)模型模擬區(qū)域如下：當(dāng)所著重模擬的建筑物外表尺寸為1時(shí)，模擬區(qū)域?yàn)樯巷L(fēng)側(cè)為建筑物長(zhǎng)度的3倍，下風(fēng)側(cè)為建筑物長(zhǎng)度的12倍，兩側(cè)寬度為建筑物的3倍，高度為建筑物高度的4倍。幾何建模和網(wǎng)格劃分采用FLUENT的前置處理器－GAMBIT。建筑物室外風(fēng)場(chǎng)的來(lái)流為哈爾濱地區(qū)冬季主導(dǎo)風(fēng)：風(fēng)向西南，平均風(fēng)速為按10米高處風(fēng)速3.8   計(jì)算的沿高度遞增的梯度風(fēng)速。上空面、地面及建筑物表面按光滑壁面設(shè)定。方程求解中壓力與速度的耦合采用壓力耦合的半隱方法（SIMPLE），除壓力采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散外，其他如動(dòng)量、紊流脈動(dòng)動(dòng)能和紊流脈動(dòng)動(dòng)能耗散率均采用一階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。

  圖1 哈爾濱泰海小區(qū)44號(hào)樓及其周圍4棟建筑物平面圖3 結(jié)果分析與討論 3.1 室外風(fēng)速矢量場(chǎng)分析 為了研究建筑物周圍不同朝向不同高度處的室外氣流流動(dòng)情況，分別計(jì)算了位于44號(hào)樓中的兩個(gè)算例：（1）平面高度5.94m（以地面為基準(zhǔn)的送風(fēng)高度）；（2）平面高度19.94m。由圖2中的速度矢量分布來(lái)看，在西南風(fēng)向的影響下，建筑物群的西南向建筑物處于迎風(fēng)側(cè)，而東北向建筑處于背風(fēng)側(cè)。在建筑物群外側(cè)的西北角和東南角以及建筑物群的入口處，速度梯度達(dá)到最大值；并在建筑物群背風(fēng)側(cè)的西北角和東南角產(chǎn)生背風(fēng)渦流區(qū)。建筑物群外側(cè)，速度沿南向建筑物的變化 規(guī)律 為：由西向東逐漸增大，在建筑物的拐角處達(dá)到最大值；速度沿西向建筑變化規(guī)律為：由南向北逐漸增大，在建筑物的拐角處達(dá)到最大值。沿西南向建筑物的速度絕對(duì)值較大，速度方向變化不大。在建筑物群外側(cè)，速度沿北向建筑物的變化規(guī)律為：40號(hào)樓側(cè)，速度由西向東速度先變小后變大，在建筑物拐角處均達(dá)到最大值，速度方向發(fā)生180°變化；42號(hào)樓側(cè)，速度大小始終由西向東增大，且速度大小和方向變化較平緩。速度沿東向建筑物的變化為：由北向南速度大小稍有增加，速度方向基本不變。   算例1：平面高度5.94m　 算例2：平面高度19.94m   圖2 44號(hào)樓及其周圍4棟建筑物室外風(fēng)場(chǎng)速度矢量圖及等動(dòng)壓線圖   注：圖中網(wǎng)格為■的位置分別是44號(hào)樓3單元202、702戶南、北向房間位置。在建筑群內(nèi)，速度大小變化較小，但方向沿圍護(hù)結(jié)構(gòu)變化很大。因此，在左右兩個(gè)馬蹄形建筑群內(nèi)形成了兩個(gè)強(qiáng)度相似，但旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦。由此可見(jiàn)，在建筑物群外側(cè)拐角等銳緣處，來(lái)流的速度大小和方向都發(fā)生劇烈變化，且在建筑物群背風(fēng)側(cè)形成的渦流區(qū)內(nèi)，速度梯度大，風(fēng)向不穩(wěn)定。在建筑物群內(nèi)，易形成強(qiáng)度較小的旋渦區(qū)。3.2 室外風(fēng)場(chǎng)沿建筑物表面風(fēng)壓 分析  建筑物處于大氣流場(chǎng)中，由于建筑物形狀和空氣粘性等因素的 影響 ，使氣流速度在建筑物的前后發(fā)生變化而引起壓強(qiáng)的變化。當(dāng)風(fēng)吹響建筑物正面時(shí)，因受到建筑物表面的阻擋而在迎風(fēng)面上產(chǎn)生正壓區(qū)，氣流再向上偏轉(zhuǎn)同時(shí)繞過(guò)建筑物各側(cè)面及背面，在這些面上產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)。因此，當(dāng)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)存在開(kāi)口時(shí)，由于壓差作用，室內(nèi)就會(huì)形成 自然 通風(fēng)。建筑物周圍的壓力分布通常由無(wú)因次風(fēng)壓系數(shù)描述，及建筑物外表面某點(diǎn)的風(fēng)壓與建筑物同高度出來(lái)流風(fēng)壓之比。在對(duì)44號(hào)樓三單元不同平面高度的風(fēng)壓系數(shù)及風(fēng)壓值的 計(jì)算 結(jié)果中，如表1所示。建筑物迎風(fēng)面的風(fēng)壓系數(shù)及風(fēng)壓均隨著建筑物高度的增加而增加，且風(fēng)壓從1.6   變化到17.77   增幅較大；而建筑物背風(fēng)面則處于很弱的負(fù)壓作用下，風(fēng)壓系數(shù)及風(fēng)壓均相對(duì)較小，風(fēng)壓作用很弱。對(duì)于西向建筑物，由于其同樣具有迎風(fēng)面與背風(fēng)面風(fēng)壓差大，風(fēng)壓系數(shù)變化明顯的特征，因此，風(fēng)壓系數(shù)及風(fēng)壓變化 規(guī)律 同上。由此，對(duì)于處于建筑物群迎風(fēng)側(cè)的建筑物，沿建筑物垂直方向上的風(fēng)壓系數(shù)和風(fēng)壓值具有風(fēng)壓差大，風(fēng)壓系數(shù)變化明顯的特點(diǎn)，因而建筑物高處的通風(fēng)效果較好。而沿建筑物水平方向上，盡管存在相對(duì)不同的風(fēng)壓系數(shù)和風(fēng)壓值，但變化規(guī)律由對(duì)速度場(chǎng)的分析可知，亦存在一定變化規(guī)律，即：通風(fēng)方向均為由建筑物群外側(cè)到建筑物群內(nèi)側(cè)，且通風(fēng)效果強(qiáng)。對(duì)于建筑物群背風(fēng)側(cè)的東向和北向建筑物，結(jié)合速度矢量分布和風(fēng)壓分布，采取對(duì)個(gè)別點(diǎn)的采樣分析計(jì)算可知：由于建筑物兩側(cè)速度絕對(duì)值小，方向變化復(fù)雜，風(fēng)壓系數(shù)和風(fēng)壓沿水平和垂直方向變化均不大，因此，背風(fēng)面的東北向建筑物具有通風(fēng)強(qiáng)度較弱，通風(fēng)方向復(fù)雜，規(guī)律性不明顯等特點(diǎn)。表1 44號(hào)樓不同平面高度的風(fēng)壓系數(shù)及風(fēng)壓值 44號(hào)樓 房間朝向 通風(fēng)器高度Z(m) 高度Z處梯度風(fēng)風(fēng)速V(Z)(m/s) 模擬風(fēng)速(m/s) 動(dòng)壓P(X,Y,Z))(pa) 靜壓P   (Z)(pa) 風(fēng)壓系數(shù)Cp(X,Y,Z)  3單元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單元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單元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單元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單元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單元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單元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     綜上所述，哈爾濱泰海小區(qū)44號(hào)樓及其周圍4棟建筑物，在冬季為西南向主導(dǎo)風(fēng)的作用下，即：風(fēng)向投射線與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)法線的交角－風(fēng)向投射角為45°，綜合考慮風(fēng)場(chǎng)和渦流區(qū)的關(guān)系，認(rèn)為投射角較恰當(dāng)，建筑物間距（33.66 m ≈1.5H）適宜。建筑物群迎風(fēng)側(cè)的建筑物通風(fēng)作用明顯，通風(fēng)方向穩(wěn)定，且應(yīng)根據(jù)以上分析合理地布置建筑物周圍環(huán)境，改變建筑物周圍的氣流流場(chǎng)，創(chuàng)造良好的建筑物室內(nèi)外通風(fēng)環(huán)境。對(duì)于建筑物群背風(fēng)側(cè)的建筑物，也應(yīng)通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算分析， 研究 前棟建筑物的阻擋狀況以及周圍建筑物，尋找特定環(huán)境下的通風(fēng)特點(diǎn)，采取不同的 方法 和措施，使建筑物室內(nèi)外獲得良好的自然通風(fēng)環(huán)境。4  總結(jié)  對(duì)于受多種因素和條件影響的住宅小區(qū)室外環(huán)境，以及 應(yīng)用 廣泛、功能強(qiáng)大的FLUENT軟件，本文僅分析和應(yīng)用了一小部分 內(nèi)容 ，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的 發(fā)展 ，綜合考慮室外太陽(yáng)輻射、建筑周圍綠化等因素將成為生態(tài)建筑環(huán)境數(shù)值研究的一個(gè)新方向，而大渦模擬、直接模擬也將會(huì)應(yīng)用的越來(lái)越多，使數(shù)值模擬技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。5  參考  文獻(xiàn)  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. 孫一堅(jiān)主編. 簡(jiǎn)明通風(fēng)設(shè)計(jì)手冊(cè).  中國(guó) 建筑 工業(yè) 出版社 2000.25. 趙福云,湯廣發(fā),周安偉.住宅小區(qū)熱環(huán)境數(shù)值分析－風(fēng)環(huán)境的數(shù)值模擬.全國(guó)暖通空調(diào)制冷2002年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（下冊(cè)）2002.