串列建筑物周邊風場的數值模擬

楊明++陳善群++廖斌

摘 要：建立了6組不同的串列建筑群排列形式，研究了串列建筑物間距、高差等因素對串列建筑物周邊風場的影響。計算采用標準湍流模型。數值計算得到各種布局下建筑群周邊風場，并對它們進行了對比分析。結果表明，串列建筑物間距、串列建筑物高差均會對串列建筑物周邊風場產生較大影響。

關鍵詞：串列建筑物 標準模型 繞流風場 數值模擬

中圖分類號：TU13 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（c）-0033-02

近年來高層建筑物得到了快速發展，由于高層建筑物的主要控制荷載是風荷載，風力對高層建筑物及建筑物周邊環境的影響巨大。在人們日益關心人居環境的今天，對高層建筑物周邊風場和風壓進行系統研究是非常有必要的，可以為評估城市規劃，及建筑物設計的合理性提供有價值的參考依據。

國內外學者對建筑周邊繞流風場進行了數值模擬。呂文瑚等[1]對一棟10 m×10 m×10 m的建筑物模型運用用模型進行繞流計算，得到了建筑物表面壓力分布及周邊風速矢量分布。R.Yoshie等人[2]使用DSM、RANS以及LES等湍流數值模型對東京（新瀉、新宿）現實街區建筑群風場模型進行了數值模擬。B. Blocken和J.Carmeliet[3]使用CFD方法在不同風向，不同風速條件下對不同類型的高層住宅建筑繞流風場進行了數值模擬，找到了在高層住宅建筑戶外使人感覺到舒服的風場條件。馬劍等[4]采用基于雷諾時均N-S方程和RNG湍流模型的數值研究方法，分別對具有風洞試驗結果的單幢方形截面建筑和多幢矩形截面建筑組成的建筑群周邊的風環境進行了數值模擬。目前對建筑風環境的研究較多，但大多集中在對單個建筑物的研究，對多個建筑物建筑物繞流及其相互干擾問題的研究相對較少。由此可見，建筑物群周邊風場繞流特性更加復雜。該文擬采用標準湍流模型對串列建筑群風場進行三維數值模擬，研究串列建筑物間距、高差等因素對串列建筑周邊風場變化的影響。

1 數值模擬理論

1.1 控制方程

建筑物風場繞流流動的基本控制方程為N-S方程組[5]，包括連續性方程和動量方程：

（1）

（2）

對連續性方程和動量方程分別進行時均化處理，得到基于雷諾平均的連續性方程和動量方程：

（3）

（4）

式中，為空間位置坐標；為方向的時均速度；為時均壓力；為空氣密度；為空氣動力粘性系數，-為雷諾應力。

1.2 標準模型

標準模型[6]是為半經驗公式，源于湍流動能和湍流耗散率，表達式分別如下：

湍流動能方程：

（5）

湍流耗散率方程：

（6）

由于該文所模擬的計算模型為定常工況，可將動量方程（4）、湍流動能方程（5）和湍流耗散率方程（6）簡化為如下形式：

（7）

（8）

（9）

式中：為湍流動力粘度，表達式為；、、、、為模型常數，取值為，，，，。

2 串列建筑物周邊風場數值模擬與分析

2.1 串列建筑物計算模型的建立

對于串列建筑物，共設置兩單體建筑模型，如圖1所示，兩建筑底部邊長為25 m×25 m，高度分別為H1、H2，建筑物之間間距為D。

為研究串列建筑間距、串列建筑高差等因素對串列建筑周邊風場變化的影響。本文建立了3種不同參數的串列建筑物風場模型，各種模型參數如表1所示。

如圖2所示，計算域網格在三維模型壁面處附近采用非結構性網格進行了加密處理，遠場采用均勻網格，其網格間距最小尺寸取值在1～4 m之間。

2.2 邊界條件的設定

速度入口條件：設定風速恒為1.6 m/s，其他方向的速度梯度為零。

壓力出口條件：沿出口方向壓力梯度為0。

壁面邊界條件：采用固壁無滑移邊界條件，即速度在各個方向梯度為0，壓力法向梯度為0。

2.3 計算結果與分析

（1）串列建筑物高度H1=H2。

由速度矢量分布可知，它們速度分布圖大體一致，都是上游建筑物頂部速度最大，而在兩建筑物之間和下游建筑物背風面，速度方向發生改變出現了負值。隨著兩建筑物之間的間距增大，上游建筑物頂部風速增加，而兩建筑物建筑之間風速和下游建筑物背風面回流速度絕對值同樣增加。

速度流線顯示在兩建筑物之間和下游建筑的背風面產生大的旋渦區；在上游建筑物的頂部分離區和上游建筑物迎風面近地面處，產生小的旋渦區。

（2）串列建筑物高度H1>H2。

速度矢量分布與上一種情況類似，但有所不同是，隨著兩建筑物之間的間距增大，兩建筑物建筑之間和下游建筑物背風面發生回流的速度的絕對值變小。

速度流線兩等高建筑物的速度流線圖相似，都在上游建筑物的頂部產生小渦區，以及下游建筑背風面和在兩建筑物之間產生大的渦區。

（3）串列建筑物高度H1

由速度矢量分布可知，它們速度分布圖都是在下游建筑物的頂部的速度最大，而在兩建筑物之間和下游建筑物后面，速度出現了負值。隨著兩建筑物之間的間距增大，上游建筑物迎風面以及下游建筑物正方向的速度變大，而兩建筑物建筑之間和下游建筑物背風面的發生回流的速度的絕對值變小。

在間距在臨界間距且相等的情況下，建筑物的高度不等且分布不一樣時，速度流場明顯有很大的區別，但在上游建筑迎風面處速度流場大體一致。而在兩建筑物之間由于建筑高度的影響，速度流場發生明顯的變化，在等高時，兩建筑物之間形成規則的反向漩渦；在前高后低時，回旋漩渦從上游建筑物背風面頂端一直延伸到下游建筑物迎風面的底端，整個渦流非常明顯，作用在整個下游建筑物；而在前低后高時，建筑物之間的渦流對下游建筑物的影響較小。但在下游建筑物背風面三種布局形式均會出現明顯的回流，以及在兩建筑物頂部都會看到有較小的回流漩渦。從而進一步證實建筑物的布局前低后高是較為符合空氣環境以及人性化的布局方式。在三種布局形式下，上游建筑迎風面的風速流場大體一致，在上游建筑迎風面均會出現明顯的漩渦回流，在兩建筑物之間由于風速流場在建筑物的影響作用下反向速度值均明顯小于進口風速，這種低速回流在下游建筑物背風面亦會出現，并且明顯可以看出此風速一直延伸很遠的距離，甚于到達壓力壁面出風口處。但在兩建筑物的左右兩側也會出現明顯的漩渦回流。