山東師大新校區綜合教學樓風環境模擬研究

石小倩，劉厚鳳

（山東師范大學 人口·資源與環境學院，山東 濟南250014）

1 引言

隨著社會、經濟的高速發展，城市的規模日益擴大，城市中高大建筑的數量和高度也與日俱增，這些建筑顯著改變了城市的風環境。一方面高大密集的建筑群，降低了城市的通風、自凈能力，加劇了在低風速條件下城市的空氣污染和熱島效應；而另一方面在風速較大時，高大建筑周圍會產生局地強風，影響到行人的舒適與安全，引出行人風環境（Pedestrian Level Wind Environment）問題[1，2]。對于建筑物周圍風場情況的獲取通常來自三種方法：現場監測、物理風洞模擬和利用計算機進行數值模擬[3]。現場監測費時費力，物理風洞花費較高而且我國目前物理風洞實驗室較少，而隨著計算機技術的不斷發展，通過數值模擬了解建筑物周圍風場成為趨勢。

山東師大新校區綜合教學樓是新校區的主要教學樓，教學樓風環境跟同學們的日常學習和生活息息相關。建筑主體分為A、B、C、D、E5個區，每個區域通過3層以上的走廊連接，相互連通。教學區為5層建筑，樓高約20m。教學樓處于校園西北部，四周寬闊，周圍無明顯遮擋物，因此運用數值模擬的方法研究建筑物局地風環境有良好的適用性（圖1）。

圖1 教學區樓體示意（東北視角）

2 模擬方案

建筑物周圍風場的數值模擬是將建筑物致于流動的風場中，以流動風的質量守恒方程、動量守恒方程、湍流輸運方程作為控制方程，采用離散化的數值方法獲得風場中離散風壓的解，可以確定出風場內建筑物表面的風壓力值，同時獲得流暢中其他相關的物理量狀態值。本文以fluent軟件包為平臺，對綜合教學樓周圍風流場進行數值模擬。

2.1 物理建模

教學樓本身體型不規則，四周較開闊，無明顯遮擋物。在CAD中按照建筑物原尺寸建立三維物理模型，避免尺寸效應可能對結果產生的影響，并將CAD中的物理模型導入到fluent6.2的前處理模塊gambit中。

2.2 確定計算域

位于大氣邊界層中的建筑物，當風對其繞流時，處于一個完全開口的流動風場中，但風對建筑物作用的影響有一定的范圍，在數值模擬時可以給定有限的三維計算區域，并確定計算區域各邊界的邊界條件，以模擬實際的流動風場。計算流域的確定需要考慮到計算量，計算流域越大，網格越多，計算耗時越長，對計算機的配置要求越高。然而計算區域過小則會導致模擬失真。本文方案一入口距建筑物4～5h（h為建筑物高度）的長度，出口距建筑物9～10h，側面及頂面距建筑物5h的方案確定計算區域，總范圍為450m×280m×120m；方案二入口距建筑物5w（w為建筑物長度），出口距建筑物10 w；側面距建筑物5d（d為建筑物寬度），頂面距建筑物5h確定為計算域，總范圍為2400m×880m×120m。

2.3 網格劃分

為了避免計算時計算機出現內存不足的錯誤，將整個計算區域劃分為4個區域，分別進行網格劃分。網格的類型和數量對計算結果的準確性有很大的影響，非結構網格具有良好的靈活性和適應性，易于網格的自適應，因為建筑物的體型不規則，因此采用非結構網格對其周圍流域進行網格劃分。方案一得到網格總數1658929，EquiAngle Skew 小于0.83，Aspect Radio為3.4∶1小于5∶1，網格質量良好以交付fluent計算；方案二得到網格總數2285771，EquiAngle Skew小于0.82，Aspect Radio為3.9∶1小于5∶1，網格質量良好可以交付fluent計算。

2.4 邊界條件的選取

計算流域的入口邊界條件采用velocity－inlet（速度入口邊界條件），入口速度1.6m/s，入流風向為西北風；出口采用outflow（完全發展出流邊界條件），計算域側面采用symmetry（對稱邊界層，定義靠近壁面速度為0），建筑物表面及地面故采用無滑移壁面條件，即壁面處流體速度為0。

2.5 湍流模型的選擇

k－ε湍流模型是應用最為廣泛的湍流模型，standardk－ε湍流模型采用布西內斯克渦湍粘度假定，由Lauder和Spalding在1972年提出的。目前國內外很多學者成功地運用標準k－ε兩方程模型模擬建筑風場，并取得了滿意的結果[4，5]。

2.6 求解參數的設置

數值模擬依據的控制方程是連續方程（質量守恒方程）和N－S方程（動量守恒方程），不考慮熱交換，所以屏蔽能量方程。流體介質為空氣具有不可壓縮行，密度為常數，材料參數使用默認缺省值。

3 模擬結果與分析

將不同模擬方案的模擬結果與2011年春季在教學樓附近的風場監測實驗數據對比分析，發現模擬的點位風速變化趨勢基本一致，而方案二的模擬精度要高于方案一。用spss分析軟件分別對方案一及方案二模擬數據與實測數據進行配對T檢驗，置信區間為95%，結果方案一與實測數據P值為0.013小于0.05，方案二與實測數據P值為0.092大于0.05，所以說明方案一模擬數據與實測數據差異性顯著，方案二模擬數據與實測數據差異性不顯著（圖2）。

圖2 不同點位模擬風速與實測風速對比

圖3 教學樓區域2m高風場模擬

教學區2m高風場模擬結果見圖3（為了圖片清晰，截取建筑物周圍局部）。從圖3中可以看出，風對教學樓繞流，形成復雜風場。在上風向距建筑物約200m的位置，風向由西北風轉變為北風，在下風向500～600m位置，教學樓對風的影響基本消除。在A區西側，由于來流風和A區南側的通道由東向西的大風，形成逆時針和順時針兩個湍窩，風向較為復雜但風速都較小。在E區的東南角（建筑物尾部），因風場突然開闊形成大風，而且風向由北向西變化，并在E、D區南側形成一個大的渦流，導致在C區西部風向變為南風或者西南風。受E區南部湍窩的影響，在D區與C區之間的通道與C區和A區之間的通道風向相反，變為由西向東。教學樓東側的大風由C區廣場進，在C2區南部形成順時針漩渦，容易導致污染物的聚集。在C區廣場，由于B區東側和B、C區之間的通道的大風相互作用，在B區南側形成一個大的順時針漩渦和一個小的逆時針漩渦，形成復雜風場。

總之在教學樓C區廣場及E、D區南側分布著范圍不同的空腔區和小風區，不利于通風，會導致污染物的聚集；在A區迎風尖角部分、C區B區之間的通道以及B區的東北角均會形成局部的高風區；這與楊德江[6]等人研究結果一致。基于1980年Visser關于室外熱舒適的研究結果，建筑物周圍行人區1.5m處風速v＜5 m/s是不影響人們的正常室外活動的基本要求[7]，若遇到大風天氣，在教學樓尖角極易形成風速大于5m/s的局部大風區域，給人的生活帶來不便，更甚至吹落墻磚，造成事故。

4 結語

（1）對于大跨度外形建筑物，建筑物長、寬大于建筑物高度，不能單純的將計算域尺度按照高度來確定（15h×10h×6h），要按照長度寬度的尺度來調整計算域（15 w×10d×6h，其中w為建筑物長度，d為建筑物寬度，h為建筑物高度），調整之后計算精度明顯提高。

（2）當入流風方向為西北風，來流風向為1.6m時，風向在上風向距教學樓200m位置處又西北風變為北風，在教學樓區域風向、風速均發生變化，形成復雜風場，在C區廣場前面形成空腔區，而在迎風面的建筑物尖叫部分會形成局部大風區，在下風向距教學樓約500～600m的位置，教學樓對風的影響基本消除。

[1]Isyumov N.A Study of the pedestrian level Winds for the Canary Wharf Project[R].London：Engineering Science Research Report，BLWT－SS16，1986.

[2]Bottema M.A method for optimization of wind discomfort criteria[J].Build Environ，2000（35）：1～18.

[3]黃 瑩.基于fluent軟件的建筑物風場數值模擬[D].武漢：華中科技大學，2005.

[4]Jiang Xinbo，Liu Zehua，Liu Yuanquan.Air environment in a laboratory animal room under different pressure differentials[C]//The Fifth InternationalWorkshop on Energy and Environment of Residential Buildings， Guilin， China Environment Science Press，2009.

[5]Jiang Xinbo，Liu Zehua，Harunori Yoshida，et al.Pressure differential analysis of a laboratory animal room[C]//Maximizing Building Energy Efficiency and Comfort （Part 2），Shenzhen，China Architecture ＆ Building Press，2006.

[6]楊德江，荊 平.小區規劃方案的大氣流場模擬及環境影響分析[J].環境科學與技術，2008，31（9）：147～150.

[7]住房和城鄉建設部.GB/T 50378－2006綠色建筑評價標準[S].北京：住房和城鄉建設部，2006.