基于Airpak軟件的回字形建筑風環境模擬研究

李姍姍，王 釗，龔伶俐，鐘紫薇，臧思情，王 悅

(大連民族大學 土木工程學院，遼寧 大連 116605)

基于Airpak軟件的回字形建筑風環境模擬研究

李姍姍，王 釗，龔伶俐，鐘紫薇，臧思情，王 悅

(大連民族大學 土木工程學院，遼寧 大連 116605)

對Airpak軟件的計算準確性進行了評估，證明其在風場模擬上具有較高的準確性。然后基于Airpak軟件對回字形建筑的室外風環境進行了模擬，結果表明回字形建筑設計能營造較好的風環境，但其建筑布局中的狹長通道會出現較高的風速，應盡量避免。模擬結果對回字形建筑的合理布局起到一定的指導作用。

建筑風環境；Airpak軟件；回字形建筑

人們以往關注的建筑環境，主要以建筑室內熱濕環境、空氣品質、光環境、聲環境為主，很少關注建筑室外風環境。隨著社會的發展，人們對建筑室外風環境的要求也越來越高。室外風速和風向影響著建筑室外風環境，建筑的布局形式也顯著影響室外風環境。不合理的建筑布局易產生“峽谷效應”，出現局部強風，讓人感到非常不舒適；建筑布局不合理還易導致局部渦流，使得垃圾不斷在渦流處旋轉、堆積，破壞小區衛生環境，對居民健康造成危害。而合理的建筑布局使得小區內部風速均勻，居民舒適感高，能減輕小區內污染，在很多時候也可以間接提高室內環境的水平[1]。

本文基于此對應用較多的回字形建筑布局室外風環境展開了研究。風環境的研究方法主要有現場實測、風洞模型試驗和計算機數值模擬[2]。現場實測法是針對已建成的建筑進行測試，而在項目初級階段對風環境的研究只能采用風洞模型或計算機模擬。風洞實驗室成本高，由于條件的限制，很難大規模推廣使用。隨著計算機技術的發展，CFD(Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學)技術越來越多的應用在工程之中，利用CFD模擬能節省大量實驗成本，是應用較為廣泛的一種方式。

目前應用較多的CFD商用軟件有FLUENT，STAR-CD，PHOENICS等，它們的功能比較全面，適用性強，可以求解工程界中的各種復雜問題[3]。本文采用FLUENT下的Airpak軟件對風環境進行模擬。在進行模擬之前，首先實驗驗證了Airpak軟件模擬的準確性，然后基于Airpak軟件對回字形建筑的室外風環境進行了數值仿真。

1 Airpak軟件準確性評估

為驗證Airpak軟件在風場模擬上的計算準確性，開展了實驗研究與理論模擬相比較的工作。如果直接測量建筑室外風場，由于室外風速、風向變化迅速，不易測量出穩定的實驗結果，因此本文采用在室內搭建小型實驗測試系統，利用大功率電風扇提供測試房間可控的較為穩定的風環境，然后利用微風測試儀對室內不同位置的風速、溫度、相對濕度等進行測試，最后將測試結果與Airpak軟件的模擬結果進行比較。

1.1 實驗測試系統

室內實驗是利用可調速的大功率電風扇產生相對穩定的風場，然后通過測試房間窗洞吹入房間內部，并通過房間敞開的門流出，測量該情形下房間的氣流組織。測試房間的長、寬和高分別為480，420，250 cm，窗洞的高和寬分別為100，90 cm，門的高和寬分別為190，80 cm，測試房間布置如圖1。測試儀器采用微風測試儀，有三個探頭，距地面分別為55，105，163 cm，可以同時測量測點垂直方向上三個位置的風速、溫度和相對濕度等信息。房間布置了0～9共10個測點，如圖2，其中0點是為了后續輸入到Airpak軟件中作為邊界條件而布置的。

實驗過程中，保證只有風扇提供風，避免其他干擾。實驗先開啟一臺電風扇，記錄室內10個點的風速等信息；然后開啟兩臺電風扇，記錄室內10個點的風速等變化情況，為后續模擬對比提供依據。

圖1 實驗房間示意圖 圖2 房間實驗測點分布

1.2 模擬結果與實驗結果比較

1.2.1 實驗結果分析

選取距地面105 cm處探頭的實驗結果進行分析。測點0的風速最高，一臺風扇時風速為0.91 m·s-1，兩臺風扇時，風速為1.10 m·s-1，一臺風扇運轉和兩臺風扇運轉時風速變化趨勢基本一致，兩臺風扇開啟時比一臺風扇開啟時風速略高，如圖3。在7、9、3測點連成的直線上(離窗洞由近到遠)，風速呈下降趨勢，如圖4。

圖3 室內各測點風速變化

圖4 離窗洞由近到遠實驗風速變化情況

1.2.2 軟件模型設置

室內模型按實際房間尺寸建立，如圖5。網格為六面體網格，并對通風口處網格進行加密處理，網格數量為50 400個。在邊界條件中，入口邊界分別設置為開啟一臺風扇和兩臺風扇時的實驗測量風速0.91 m·s-1和1.10 m·s-1，六個面都設置為wall類型，門設置為一個vent類型，初始速度設置為0 m·s-1。本例采用RNG k-ε湍流模型進行求解，計算至收斂。

圖5 房間模型

1.2.3 模擬結果與實驗結果比較

入口風速1.10 m·s-1和0.91 m·s-1時距地面105 cm高度上的風速云圖如圖6-7，入口風速1.10 m·s-1時房間風速矢量圖及中心軸線上的速度分布云圖如圖8-9。可見風速越大風流經墻壁產生的回流越明顯，離窗洞越遠風速越低，縱向上風速由窗中心高度向兩側依次減弱。當入口風速分別為1.10 m·s-1和0.91 m·s-1時，房間進深方向風速模擬值變化趨勢與實驗結果一致，如圖10和12，圖11為入口風速為1.10 m·s-1時測點7處不同高度下風速的比較，模擬值和實驗值變化趨勢也一致。由圖可見，模擬值與理論值的差異在可接受范圍內，可用Airpak軟件的模擬結果評估建筑風環境。

圖6 105 cm水平高度上的風速 圖7 105 cm水平高度上的風速 云圖(入口風速1.10 m·s-1) 云圖(入口風速0.91 m·s-1)

圖8 105 cm水平高度上的風速 圖9 房間中心軸線上的速度分布 矢量(入口風速1.10 m·s-1) 云圖(入口風速1.10 m·s-1)

圖10 高度105 cm處測點實驗值與模擬值風速對比 (入口風速1.10 m·s-1)

圖11 測點7不同高度下風速比較 (入口風速1.10 m·s-1)

圖12 高度105 cm處測點實驗值與模擬值風速對比 (入口風速0.91 m·s-1)

2 回字形建筑室外風環境模擬

2.1 軟件模型設置

本文以大連民族大學土木樓布局為例探討回字形建筑室外風環境情況，根據建筑圖紙建立幾何模型，如圖13。模擬計算區域的大小以不影響氣流流動為準。根據相關資料合理分配計算資源，確定室外計算區域為350×75×180 m3。網格劃分為六面體型，對重點研究區域網格進行了加密處理，網格數量為68萬，網格劃分如圖14。

圖13 幾何模型

圖14 網格劃分情況

大氣邊界層采用冪函數風剖面公式：

(1)

一個入口采用大氣邊界條件(圖15-18右側邊界)，風速設置為5.50m·s-1，5.50m·s-1為根據氣象數據查得的大連地區月平均最大風速，根據式(1)計算可得距地面高度1m處風速為3.81m·s-1，距地面1.6m處風速為4.10m·s-1。出口邊界條件全部設置為壓力出口，環境相對壓力設置為0Pa。

2.2 模擬結果分析

室外風環境模擬結果如圖15-18。其中，圖15-16是距地面1.0m處的回字形建筑風速分布云圖和風速分布矢量圖，圖17-18是距地面1.6m高處的回字形建筑風速分布云圖和風速分布矢量圖。從圖15-16可以看出，在距地面1.0m高度處，回字形建筑閉合區域內風場較為均勻，回流不明顯，風速基本在0.5～1.0m·s-1，但是建筑上部的狹長區域的風速提高到了1.5m·s-1，遠高于其他位置的風速。從圖17-18可見，在1.6m處比在1.0m處風速有了提高，1.6m高度處回字形建筑閉合區域內風速在0.8～1.6m·s-1，狹長區域內的風速提高到了2.5m·s-1，隨著距離地面高度的增加，狹長區域的風速增加明顯。大連地區5級以上的風速較為常見，風速可達到8m·s-1以上，此時回字形區域的風速可能達到5m·s-1以上，人體吹風感將非常強烈，位于狹長區域高層的位置風速將更大，十分不利于冬季的保溫。

圖15 1.0 m高處風速分布云圖 圖16 1.0 m高處風速分布矢量圖

圖17 1.6 m高處風速分布云圖 圖18 1.6 m高處風速分布矢量圖

由上述模擬結果可知，如果回字形建筑是閉合的布局，在室外高風速的情況下，也可形成均勻的低風速風場，住戶在小區內部活動舒適性好，在寒冷、高風速、高熱或風沙的天氣下也可獲得較好的室內熱環境，適合于冬季溫度低、風速較大的區域或干熱、易受風沙襲擊的區域采用。如果回字形建筑不是閉合的，存在狹長通道的時候，在狹長通道區域會形成高風速，尤其在大風天氣，將使得從其區域通過的人們產生強烈的不適感，而且位于其附近的住戶在大風天氣下室內風速可能也會偏大，不利于冬季保溫。

3 結 語

本文將Airpak軟件的模擬結果與實驗結果進行了對比，結果表明Airpak軟件在不同測試位置及高度上風場模擬結果與實驗結果變化趨勢一致，模擬值與理論值差異在可接受范圍內，可用Airpak軟件的模擬結果評估建筑風環境。最后基于Airpak軟件對于回字形建筑的室外風場進行了模擬，結果表明回字形建筑內部風速小于迎風面風速，回字形的建筑能營造良好的風環境，但在回字形區域內部的狹長通道風速顯著提高，在以后的建筑布局中，應盡可能避免回字形建筑內部的狹長通道。

[1] 袁巍巍.住宅小區風環境數值模擬研究[D].天津：河北工業大學,2014.

[2] 王青, 詹慶明. 武漢地區住宅小區風環境的數值模擬分析[J]. 中外建筑,2010(12):95-97.

[3] 劉彩霞, 鄒聲華, 楊如輝. 基于Airpak的室內空氣品質分析[J]. 制冷與空調,2012(4):381-384.

(責任編輯 鄒永紅)

Study on the Wind Environment Simulation of Back-Shaped Building Based on Airpak Software

LI Shan-shan, WANG Zhao, GONG Ling-li, ZHONG Zi - wei,ZANG Si-qing, WANG Yue

(School of Civil Engineering, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China)

The calculation accuracy of Airpak software was evaluated, and it is verified that the Airpak software has a higher accuracy of calculation in the wind field simulation. The outdoor wind environment of the back-shaped building is simulated by Airpak software. The results show that the back-shaped building can create a good wind environment, but the long and narrow channel in the back-shaped building will produce a high wind speed, which should be avoided. The simulation results will provide guidance in the rational design of the back-shaped building.

wind environment; Airpak software; back-shaped building

2016-11-14；最后

2016-12-05

大連民族大學人才引進科研項目。

李姍姍(1984-)，女，黑龍江呼瑪人，副教授，博士，主要從事建筑技術和小型低溫制冷機的研究。

2096-1383(2017)01-0063-04

TU

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