基于道路布局的城市區(qū)域熱環(huán)境數(shù)值模擬研究

摘 要：對(duì)整個(gè)長(zhǎng)沙市城區(qū)建筑及道路進(jìn)行建模，并采用CFD軟件Fluent對(duì)長(zhǎng)沙市區(qū)域熱環(huán)境進(jìn)行模擬分析，結(jié)合紅外線溫度圖對(duì)比驗(yàn)證.研究結(jié)果表明：綠地、水體覆蓋面積對(duì)緩解城市熱島效應(yīng)、改善城市空氣質(zhì)量有很大的作用；城市道路布局與城市區(qū)域熱環(huán)境有很大的關(guān)聯(lián)，城市道路的合理設(shè)計(jì)和布局可以很好地利用城市主導(dǎo)風(fēng)進(jìn)行自然通風(fēng)；高層建筑布局與道路走向設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)相契合，前后、高低錯(cuò)落布置，減少大面寬建筑，充分利用城市道路通風(fēng)改善城市區(qū)域熱環(huán)境.

關(guān)鍵詞：道路布局；城市熱環(huán)境；熱島效應(yīng)；數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TU111 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Numerical Simulation Study of Urban Thermal Environment Based on the Road Layout

LE Di1， LI Nian-ping1， SU Lin1， LI Jing2， WEI Xiao-qing1

(1. College of Civil Engineering， Hunan Univ， Changsha， Hunan 410082， China;

2. China Automobile Industry Engineering Corporation， Tianjin 301600， China)

Abstract:The simulation and analysis of the Changsha urban thermal environment and the analysis of the infrared temperature map of Changsha urban area were presented. The results have shown that green land and water coverage have significant effects on alleviating the urban heat island effect and improving urban air quality. The results have also shown that the road layout of the city is really relevant to urban regional thermal environment， and the rational design of urban road layout may take the advantage of the prevailing wind for natural ventilation， and the layout of high-rise buildings should be coincident with the urban road direction to utilize the urban roads ventilation to improve the thermal environment.

Key words:road layout; urban thermal environment; heat island effect; numerical simulation

隨著城市的高速發(fā)展，人口密度急劇增加，城市用地日趨緊張，人均占用居住空間逐漸減少，引發(fā)了現(xiàn)代建筑的豎向發(fā)展以及城市建筑密度的增加.高層建筑的大量建設(shè)，一方面大大增加了建筑排熱密度，使熱島效應(yīng)更為嚴(yán)重，城市熱環(huán)境惡化[1-3]；另一方面，高層、高密度建筑群對(duì)城市自然通風(fēng)造成很大影響，使得無(wú)法順利排出建筑廢熱及被污染的空氣，城市熱環(huán)境和空氣質(zhì)量更難以通過(guò)自然通風(fēng)來(lái)改善[4].

本文以長(zhǎng)沙市主城區(qū)為研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，用Fluent軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，并與紅外線溫度圖進(jìn)行對(duì)比研究.

1 數(shù)學(xué)模型

本文采用k-ε湍流模型對(duì)建筑物的繞流進(jìn)行模擬計(jì)算，流體流動(dòng)的基本控制方程[5]如下.

質(zhì)量守恒方程：

ρt+(ρu)x+(ρv)y+(ρw)z(mì)=0.(1)

式中：ρ為密度；t為時(shí)間.

動(dòng)量守恒方程：

(ρu)t+(ρuu)x+(ρuv)y+(ρuw)z(mì)=

x(μux)+y(μuy)+z(mì)(μuz(mì))－

px+Su， (2)

(ρv)t+(ρvu)x+(ρvv)y+(ρvw)z(mì)=

x(μvx)+y(μvy)+z(mì)(μvz(mì))－

py+Sv， (3)

(ρw)t+(ρwu)x+(ρwv)y+(ρww)z(mì)=

x(μwx)+y(μwy)+z(mì)(μwz(mì))－

pz(mì)+Sw. (4)

式中：Su， Sv， Sw是動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng)；p為壓力；μ為運(yùn)動(dòng)粘度.

能量守恒方程：

(ρT)t+(ρuT)x+(ρvT)y+

(ρwT)z(mì)=x(kcpTx)+

y(kcpTy)+z(mì)(kcpTz(mì))+ST.(5)

一般認(rèn)為，無(wú)論湍流運(yùn)動(dòng)多么復(fù)雜，非穩(wěn)態(tài)的連續(xù)方程和Navier-Stokes方程對(duì)于湍流的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)仍然是適用的.目前關(guān)于湍流流動(dòng)與傳熱的研究十分活躍，已經(jīng)采用的數(shù)值計(jì)算方法可以大致分為3種：直接模擬、大渦模擬、雷諾時(shí)均法.前2種方法對(duì)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存和運(yùn)算速度要求很高，一般在超級(jí)計(jì)算機(jī)或工作站上進(jìn)行.雷諾時(shí)均法將湍流物理量對(duì)時(shí)間平均，將瞬時(shí)值分解為時(shí)均值和脈動(dòng)值2部分代入控制方程，得到時(shí)均化的控制方程進(jìn)行計(jì)算.

在此，考慮不可壓流動(dòng)，使用笛卡爾坐標(biāo)系，速度矢量在x，y和z方向的分量分別為u，v和w，則湍流瞬時(shí)控制方程如下：

div=0， (6)

t+div()=－1ρx+νdiv(grad)+

(－u′2x－u′v′y－u′w′z(mì))， (7)

t+div()=－1ρy+νdiv(grad)+

(－u′v′x－v′2y－v′w′z(mì))， (8)

t+div()=－1ρz(mì)+νdiv(grad)+

(－u′w′x－v′w′y－w′2z(mì)). (9)

采用有限容積法對(duì)微分方程進(jìn)行離散.其中，對(duì)擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分方法，對(duì)流項(xiàng)采用二階差分方法.采用SIMPLE算法進(jìn)行壓力和速度的解耦，以避免不合理壓力及速度場(chǎng)的出現(xiàn).近壁區(qū)采用壁面函數(shù)法處理.

2 模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 幾何模型的建立

本文研究的對(duì)象是長(zhǎng)沙市主城區(qū)，區(qū)域范圍的界定是從南至北以湘江三橋至湘江二橋?yàn)榻纾瑥奈鞯綎|以湘江至瀏陽(yáng)河為界.南北最長(zhǎng)處約10 km，東西最寬處約10 km，區(qū)域內(nèi)面積約為78 km2.

本文對(duì)長(zhǎng)沙市主城區(qū)進(jìn)行建模，所采用的幾何模型是基于長(zhǎng)沙市規(guī)劃局實(shí)測(cè)資料[6]建立起來(lái)的，所有的街道、高層建筑等的模型都保持了與實(shí)際物體的真實(shí)比例尺度關(guān)系（見(jiàn)圖1）.這樣便于分析長(zhǎng)沙市主城區(qū)的高層建筑布局、街道走向等的特征，綜合研究區(qū)域熱環(huán)境狀況.

影響區(qū)域熱環(huán)境模擬的因素眾多，具體構(gòu)成要素包括：建筑物、街道、綠地、水體等，并結(jié)合長(zhǎng)沙市城區(qū)規(guī)劃特點(diǎn)對(duì)各影響要素進(jìn)行分層組織，在保留長(zhǎng)沙市城區(qū)規(guī)劃特點(diǎn)的同時(shí)簡(jiǎn)化實(shí)物模型，以便于降低計(jì)算難度.

2.2 模擬參數(shù)設(shè)置

2.2.1 計(jì)算區(qū)域

在計(jì)算室外環(huán)境風(fēng)場(chǎng)時(shí)，計(jì)算區(qū)域的大小會(huì)影響到模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算量的大小.通過(guò)大量試算，確定計(jì)算區(qū)域?yàn)椋洪L(zhǎng)度、寬度分別為計(jì)算模型長(zhǎng)度、寬度的15倍、10倍，形成無(wú)限遠(yuǎn)邊界，如圖2所示.

2.2.2 邊界條件

1）來(lái)流面邊界.計(jì)算區(qū)域入口處流場(chǎng)，邊界為速

度進(jìn)口.根據(jù)長(zhǎng)沙市氣象參數(shù)，夏季時(shí)，風(fēng)向?yàn)镾E，風(fēng)速2.6 m/s，冬季時(shí)，風(fēng)向?yàn)镹W，風(fēng)速3.7 m/s.

2）出流面邊界.分別用壓力出口條件（設(shè)出口表壓為零）和出流邊界條件計(jì)算，發(fā)現(xiàn)雖收斂歷史有所不同但結(jié)果基本一致.

3）壁面邊界.區(qū)域內(nèi)建筑輪廓及計(jì)算區(qū)域四周界面均為無(wú)滑移壁面.

Fluent是目前比較流行的計(jì)算流體力學(xué)軟件，被廣泛應(yīng)用于與流體力學(xué)相關(guān)的航空、水利和工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域.應(yīng)用Fluent軟件建模計(jì)算，一般可以先用其前處理器Gambit建立各種建筑及街道的模型，并進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分，本文所建立的長(zhǎng)沙市建筑模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分[7-9].

2.3 長(zhǎng)沙市區(qū)域熱環(huán)境整體情況分析

在長(zhǎng)沙市湘江與處于湘江以西的岳麓山地帶，湘江的天然水體和岳麓山上大面積的植被像一個(gè)巨大的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，為城市調(diào)節(jié)溫度、濕度，降低“熱島效應(yīng)”危害，同時(shí)它也可以吸收空氣中的有害氣體和可吸入顆粒物，保證空氣的質(zhì)量.因此從紅外線溫度圖[10]（如圖3所示）中可以明顯地看出，由于湘江水域和岳麓山的存在，河西地帶的熱島效應(yīng)非常弱，并且空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良.

與之形成鮮明對(duì)比的是河?xùn)|五一廣場(chǎng)高層建筑密集地帶的熱島效應(yīng)強(qiáng)度明顯較河西大很多（如圖4所示），在該地帶的城市上方形成熱穹窿，像罩子一樣蓋在城市上方，阻礙熱量及污染物擴(kuò)散.由于道路的通風(fēng)作用，其熱島的穹窿形成了幾個(gè)小的穹窿，而小穹窿處的高層建筑又比較集中.測(cè)試表明道路的寬窄對(duì)熱島的降解有一定的作用，但是在高層建筑圍合的多層區(qū)域的次一級(jí)路網(wǎng)中，以及老城區(qū)的小街道的通風(fēng)就受到了很大的影響，其通風(fēng)的效果就越來(lái)越差.

從圖5，圖6可以了解長(zhǎng)沙市主城區(qū)河?xùn)|地區(qū)的夏、冬季熱環(huán)境情況.在夏季，主導(dǎo)風(fēng)為東南風(fēng)，東南風(fēng)通過(guò)街道向城市縱深蔓延，在主城區(qū)東部，由于街道較寬，道路網(wǎng)格局主要為規(guī)規(guī)矩矩的網(wǎng)格型，對(duì)風(fēng)的阻力較小，因此在東部，東南風(fēng)沒(méi)有受到太多的阻力，街道上的風(fēng)速較大，幾條南北向的主干道上的風(fēng)速約為1.2 ~1.7 m/s（如圖7所示），東西向的幾條主干道較窄，風(fēng)速約為0.3 ~0.8 m/s，基本沒(méi)有出現(xiàn)死風(fēng)區(qū).而主城區(qū)的西部地區(qū)，由于路網(wǎng)稠密，且不規(guī)整，高層建筑較多，對(duì)東南風(fēng)的阻力很大，除幾條主干道上風(fēng)速較大外，其他支路上的風(fēng)速均較小，因此主城區(qū)西部的熱島效應(yīng)比東部的要更強(qiáng)烈，

主城區(qū)西部的空氣質(zhì)量也更差.由于此處只研究河?xùn)|城區(qū)，岳麓山在圖中簡(jiǎn)化為西端的一道屏障.從風(fēng)速矢量圖中我們可以看出夏季主導(dǎo)風(fēng)東南風(fēng)在遇到岳麓山這個(gè)巨大屏障的阻隔時(shí)，在山前的瀟湘大道及湘江江面上形成高速的風(fēng)道，沿著道路及江面由南向北運(yùn)動(dòng).

在冬季，主導(dǎo)風(fēng)為西北風(fēng)，長(zhǎng)沙河?xùn)|主城區(qū)的北部不受岳麓山的阻擋，強(qiáng)勁又寒冷的西北風(fēng)長(zhǎng)驅(qū)直入，城區(qū)北部各街道（尤其是南北走向的街道）的風(fēng)速均較大，約1.3 ~2.3 m/s.行人走在路上感覺(jué)風(fēng)速過(guò)大且寒冷，但空氣質(zhì)量較好，熱島效應(yīng)也較弱，冬季采暖及空調(diào)能耗也較大.西北風(fēng)在經(jīng)過(guò)主城區(qū)北部后，在進(jìn)一步進(jìn)入主城區(qū)中心區(qū)時(shí)，由于建筑密度尤其是高層建筑的密度越來(lái)越大，西北風(fēng)受到很強(qiáng)的阻擋，風(fēng)力迅速減弱，并且岳麓山對(duì)主導(dǎo)風(fēng)西北風(fēng)的阻隔越來(lái)越明顯，因此主城區(qū)中心及南部各街道上的風(fēng)速較小，在有些較窄且四周被高層建筑“圍堵”的道路上，風(fēng)速一度停滯，形成死風(fēng)區(qū)，因此在這些區(qū)域的熱島效應(yīng)較強(qiáng)，溫度較高，雖說(shuō)這在一定程度上緩解了冬季的寒冷，降低了冬季采暖及空調(diào)能耗.但是，在主城區(qū)中心和南部的有害氣體及可吸入顆粒物無(wú)法及時(shí)有效地排走，造成這些區(qū)域空氣質(zhì)量很差.并且由于熱島的逆溫層的作用，污染空氣始終在城區(qū)內(nèi)部和上空循環(huán)，更加惡化了城區(qū)內(nèi)部的空氣質(zhì)量.

2.4 高層建筑布局及街道走向?qū)Τ鞘凶匀煌L(fēng)的影響分析

城市通風(fēng)的目的是利用城市中的空氣自然流通，帶走城市所吸收的太陽(yáng)輻射和人為產(chǎn)熱，達(dá)到減緩城市熱環(huán)境惡化的目的.從熱量來(lái)源的角度分析，人為產(chǎn)熱主要包括在各種道路上的交通排熱和各種建筑在使用過(guò)程中的建筑排熱.對(duì)道路的通風(fēng)降溫，主要是通過(guò)以城市干路為載體的城市通風(fēng)走廊來(lái)實(shí)施的.對(duì)建筑排熱的逸散，主要是通過(guò)利用穿越建筑所在城市冠層的各種城市風(fēng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的.實(shí)現(xiàn)城市冠層通風(fēng)，可以直接通風(fēng)、或利用一些特制的相互連結(jié)的城市綠帶，采用邊通風(fēng)邊降溫的方式，加以實(shí)現(xiàn).

如圖8中A處，風(fēng)按箭頭方向流動(dòng)，由于該拐角處街道走向及兩側(cè)高層建筑布局的情況導(dǎo)致風(fēng)流動(dòng)的附面層與高層建筑墻壁面產(chǎn)生分離，并在此處形成漩渦，造成在A處垃圾和粉塵的堆積，該處空氣質(zhì)量較差.圖中B和D兩處與C處對(duì)比，B和D兩處，街道走向過(guò)于曲折，拐角太多，同時(shí)路面狹窄，這幾方面原因造成B和D兩處風(fēng)流動(dòng)阻力很大，風(fēng)速很小，這不利于帶走該處的熱量和被污染空氣.而C處，道路走向規(guī)整，路面較寬，因此C處風(fēng)速較大，風(fēng)環(huán)境較好.另外，從A，B，C和D街道流出的風(fēng)在碰到建筑E時(shí)，被E的墻壁所阻隔，這對(duì)將熱量和

被污染空氣引入湘江是極為不利的，因此在江邊應(yīng)當(dāng)避免建設(shè)大面寬高層建筑，避免出現(xiàn)T字形路口，若難以實(shí)現(xiàn)時(shí)可設(shè)置底層架空或空中花園等透風(fēng)引風(fēng)措施.城市通風(fēng)路徑的設(shè)計(jì)上要注意建筑相互關(guān)系宜前后、高低錯(cuò)落布置，形成通風(fēng)路徑，以利于主導(dǎo)風(fēng)通行.

圖9中A區(qū)與B區(qū)對(duì)比：由于A區(qū)高層建筑布局極為不規(guī)則，造成A區(qū)內(nèi)街道走向曲折，拐角過(guò)多，當(dāng)風(fēng)進(jìn)入該區(qū)后受到的阻力很大，風(fēng)速變得非常小，又由于建筑G對(duì)A區(qū)流出的風(fēng)進(jìn)行阻隔，造成A區(qū)熱量及被污染空氣排出困難，A區(qū)的熱環(huán)境和風(fēng)環(huán)境都較差.相比而言，B區(qū)高層建筑布局較為規(guī)整，這有利于東南風(fēng)進(jìn)入該區(qū)并順利流出，B區(qū)的幾條東西向干路C，D，E和F的風(fēng)速均較大，同時(shí)在湘江邊沒(méi)有大面寬的高層建筑阻擋，風(fēng)可以非常順利地將熱量和污染物引入湘江，由湘江對(duì)熱量和污染物進(jìn)行吸收、降解.從A區(qū)與B區(qū)風(fēng)環(huán)境的對(duì)比可以看出合理的高層建筑布局對(duì)于城市熱環(huán)境的意義.

3 結(jié) 論

本文對(duì)長(zhǎng)沙市主城區(qū)熱環(huán)境情況進(jìn)行了模擬計(jì)算，并將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)高層建筑布局及道路布局設(shè)計(jì)對(duì)城市區(qū)域熱環(huán)境的影響很大，具體體現(xiàn)為：

1）綠地、水體地帶可以通過(guò)蒸發(fā)作用降低空氣的溫度，減小城市熱島效應(yīng)的影響.在城市規(guī)劃中一定要保證足夠的綠化、水體面積.

2）城市街道是城市的通風(fēng)走廊，通過(guò)城市街道的合理設(shè)計(jì)與布局可以充分利用季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)來(lái)改善城市區(qū)域熱環(huán)境.

3）城市高層建筑布局一定要與街道設(shè)計(jì)相契合，城市高層建筑布局應(yīng)當(dāng)前后、高低錯(cuò)落布置，盡量避免大面寬建筑，充分利用城市自然通風(fēng)改善城市熱環(huán)境.

4）城市中的道路布局與城市的區(qū)域熱環(huán)境有著很大的關(guān)聯(lián)，其主要表現(xiàn)為：

a. 道路或河道的寬度可對(duì)熱島的穹窿產(chǎn)生影響.

b. 道路的方向?qū)ζ渚植康臒岘h(huán)境有很大的影響（如無(wú)風(fēng)的區(qū)域和相對(duì)于高層建筑群的低洼的區(qū)域）.

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