基于CFD的城市風(fēng)環(huán)境模擬與應(yīng)用研究

李井海 高 菲 曾 黎

（成都市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610041）

隨著城市建設(shè)規(guī)模的逐漸增大，城市下墊面變得更為粗糙，使得城市內(nèi)部風(fēng)速普遍呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，加劇了空氣污染和城市熱島效應(yīng)。特別是近幾年霧霾事件頻發(fā)，2013年1月我國約有143 萬km2國土受到霧霾影響，約占國土陸域面積的1/7（中國環(huán)保部衛(wèi)星中心），嚴(yán)重影響市民的健康。鑒于此嚴(yán)峻的環(huán)境問題，城市風(fēng)環(huán)境的研究亟待開展，本文從宏觀、中觀及微觀三個(gè)層面對(duì)城市風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬，以此分析城市風(fēng)環(huán)境與城市建設(shè)的關(guān)系，從而為城市規(guī)劃方案的氣候適應(yīng)性提供借鑒。

成都位于四川盆地西部，四面環(huán)山，四周高、中間低的地勢(shì)條件使得靜全域靜風(fēng)、弱風(fēng)頻率高，通風(fēng)條件較差，常年風(fēng)速僅為0.9 m/s。由此，開展城市風(fēng)環(huán)境的模擬，探索其在城市規(guī)劃中的應(yīng)用，對(duì)改善成都城市微氣候和城市大氣環(huán)境有十分重要的意義，同時(shí)，也豐富了城市規(guī)劃方法，對(duì)提升城市規(guī)劃的科學(xué)性有積極意義。

目前，在城市風(fēng)環(huán)境模擬研究領(lǐng)域，主要的研究方法集中在氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)法、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬分析三種（吳珍珍等，2009），其中，計(jì)算機(jī)模擬分析方法因其具有直觀、詳細(xì)的優(yōu)勢(shì)，而在國際上被廣泛應(yīng)用（趙萬英，2006），本文最終選擇CFD（CFD是Computational Fluid Dynamics的縮寫式，即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）軟件進(jìn)行城市風(fēng)環(huán)境模擬分析。

1 研究思路

本文采用CFD模擬技術(shù)，分別從宏觀、中觀和微觀三個(gè)尺度模擬風(fēng)環(huán)境，以總結(jié)風(fēng)環(huán)境的運(yùn)行規(guī)律，在此研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過實(shí)地測(cè)量加以驗(yàn)證并結(jié)合城市規(guī)劃管理的實(shí)際，提出城市風(fēng)環(huán)境改善建議。其中，宏觀尺度以生態(tài)河流、主要道路為間隔，按照不同功能構(gòu)建成都市域的規(guī)劃建設(shè)板塊模型，以此為基礎(chǔ)分析城鎮(zhèn)格局與市域風(fēng)環(huán)境的相互關(guān)系；中觀尺度以成都中心城區(qū)各規(guī)劃街坊為單元，構(gòu)建詳細(xì)建設(shè)板塊模型，分析中心城區(qū)風(fēng)場(chǎng)的變化關(guān)系；微觀尺度選擇中心城具有代表性的現(xiàn)狀街坊，以同比例建筑群模型為基礎(chǔ)，分析建筑布局的控制對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響。

2 研究標(biāo)準(zhǔn)

2.1 研究工具

本次研究采用英國帝國理工學(xué)院Spalding教授開發(fā)的CFD通用程序PHOENICS（2014版本，內(nèi)置22種適合不同雷諾數(shù)場(chǎng)會(huì)下的紊流模型）進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬。采用smart sensor生產(chǎn)的AR836+分離式手持風(fēng)測(cè)儀，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣測(cè)量。

2.2 計(jì)算指標(biāo)

以PHOENICS模擬運(yùn)算為基礎(chǔ)的風(fēng)環(huán)境模擬主要研究風(fēng)速度值指標(biāo)。

2.3 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，建筑室外環(huán)境要求風(fēng)速1～5 m/s。該標(biāo)準(zhǔn)下人的感覺是較為舒適的，將是衡量城市室外建筑風(fēng)環(huán)境的重要指標(biāo)。

3 應(yīng)用研究

3.1 宏觀尺度風(fēng)環(huán)境模擬研究

3.1.1 研究區(qū)域和采樣數(shù)據(jù)

研究區(qū)域?yàn)槌啥际杏螨堥T山和龍泉山之間的城市建成區(qū)。研究數(shù)據(jù)包括成都夏季盛行風(fēng)的主導(dǎo)風(fēng)向和次高頻風(fēng)向數(shù)據(jù)，對(duì)成都主導(dǎo)風(fēng)向進(jìn)行的采樣數(shù)據(jù)，來源于成都?xì)庀笈_(tái)公布的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

3.1.2 模擬結(jié)果分析

通過模擬可以發(fā)現(xiàn)（圖1），市域主導(dǎo)風(fēng)向上的風(fēng)廊包括沿成青走廊至北湖的風(fēng)廊，沿成青走廊至安靖湖、鳳凰山公園的風(fēng)廊，沿成龍走廊至龍?zhí)稘竦亍⑶帻埡娘L(fēng)廊。各城鎮(zhèn)群走廊風(fēng)場(chǎng)貫通性不同，西側(cè)成灌、成溫、成新蒲走廊，由于城鎮(zhèn)板塊組團(tuán)明顯，各城鎮(zhèn)間隔跨度較大，雖未處于上風(fēng)區(qū)域，但風(fēng)場(chǎng)中風(fēng)速衰減緩慢，貫通性較好。而成青、成龍走廊貫通性較弱，成青走廊雖位于上風(fēng)位，但新都與青白江主要建設(shè)板塊較粘連，且新都與中心城北部連片，造成區(qū)域風(fēng)場(chǎng)受阻，東北向風(fēng)速衰減迅速，無法有效地向中心城貫通。

圖1 主導(dǎo)風(fēng)場(chǎng)模擬圖

為了進(jìn)一步分析阻隔通風(fēng)廊道的原因，本文以成青走廊—北湖廊道為例，對(duì)建設(shè)板塊模型進(jìn)行調(diào)整，對(duì)比分析城市建設(shè)板塊、北湖綠楔建設(shè)板塊對(duì)“引風(fēng)入城”效果的影響。

消減新青衛(wèi)星城建設(shè)量后，成青走廊風(fēng)場(chǎng)得到明顯優(yōu)化，但風(fēng)場(chǎng)受北湖建設(shè)板塊的阻擋，向中心城區(qū)的延伸依然受阻。而消減北湖綠楔內(nèi)的建設(shè)量后，成青走廊風(fēng)速仍出現(xiàn)大量減弱，但向中心城的貫通性增強(qiáng)。可見，第一類情況能為中心城產(chǎn)生較好的風(fēng)源，但較難引入。第二類情況能為中心城提供較好引入氣口，但缺乏持續(xù)的風(fēng)源。

3.1.3 宏觀尺度風(fēng)環(huán)境模擬研究小結(jié)

從對(duì)成都市域風(fēng)環(huán)境的模擬分析來看，可以總結(jié)出以下要點(diǎn)：

（1）相較于成都東部的成青、成龍走廊，成都市域西部的風(fēng)場(chǎng)延伸性和貫通性條件較好，具體包括成灌、成溫邛和成新蒲走廊三大走廊。

（2）為避免城市貼邊連片發(fā)展形成不通風(fēng)的城市墻，應(yīng)保留城市組團(tuán)之間的綠隔帶。

（3）城市總體規(guī)劃層面，成都中心城區(qū)西北部上風(fēng)向的衛(wèi)星城或區(qū)域中心城與中心城區(qū)應(yīng)保留足夠?qū)挾鹊姆指魩В坏门c中心城區(qū)連片發(fā)展。城市發(fā)展方向應(yīng)將風(fēng)環(huán)境的因素納入統(tǒng)籌范圍，通過多尺度模擬綜合確定通風(fēng)廊道。

（4）中心城區(qū)內(nèi)規(guī)劃大型開敞空間，減少城市建設(shè)對(duì)通風(fēng)廊道的阻擋。

3.2 中觀尺度風(fēng)環(huán)境模擬研究

3.2.1 研究區(qū)域和采樣數(shù)據(jù)

研究區(qū)域?yàn)槌啥际兄行某菂^(qū)，模擬參數(shù)為成都夏季風(fēng)盛行的6～8月對(duì)主導(dǎo)風(fēng)向進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。采樣數(shù)據(jù)來源于成都?xì)庀笈_(tái)2015年6月24日17：00～19：00公布的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，風(fēng)速為1.9 m/s，風(fēng)向?yàn)镹-E22.5度。

3.2.2 模擬結(jié)果分析

中觀層面模擬結(jié)果圖（圖2）能與市域風(fēng)廊相互印證，安靖湖、北湖濕地、青龍湖等是中心城的主要?dú)饪凇Ｖ鲗?dǎo)風(fēng)向上主要的通風(fēng)廊道包括安靖湖、北湖、熊貓基地、鳳凰山公園、龍?zhí)稘竦亍⑶帻埡?條，同時(shí)三環(huán)路也是一條將外圍楔形綠地風(fēng)場(chǎng)導(dǎo)入中心城的重要通道。

圖2 PHOENCIS中心城區(qū)1.5m高度主導(dǎo)風(fēng)場(chǎng)模擬圖

市域風(fēng)廊能將風(fēng)場(chǎng)延伸至三環(huán)路，但無法有效地將風(fēng)場(chǎng)繼續(xù)引入中心城內(nèi)部。尤其以青龍湖區(qū)域受到的封閉阻隔最明顯，青龍湖本身是一個(gè)開口近3.5 km的通風(fēng)氣口，在整個(gè)環(huán)城生態(tài)區(qū)規(guī)劃中預(yù)留如此大的嵌入式開敞空間是十分具有前瞻性和生態(tài)性的。但在整個(gè)東部新城的總體城市設(shè)計(jì)中，沿十洪大道（青龍湖西側(cè)邊界）規(guī)劃形成一條延伸約7.5 km的“能量墻”，集聚大體量商業(yè)、商務(wù)建設(shè)板塊的城市現(xiàn)代服務(wù)業(yè)帶。這堵墻的形成對(duì)青龍湖風(fēng)場(chǎng)向中心城內(nèi)部延伸起到了明顯的阻擋作用。

3.2.3 中觀尺度風(fēng)環(huán)境模擬研究小結(jié)

從對(duì)中心城區(qū)風(fēng)環(huán)境的模擬分析來看，可以總結(jié)出以下要點(diǎn)：

（1）通過風(fēng)環(huán)境模擬，識(shí)別出成都中心城區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向（北風(fēng)和北東風(fēng)）上的重要通風(fēng)廊道，主要包括：安靖湖—三環(huán)/錦江/沙河一帶，北湖/熊貓基地—東貨站/三環(huán)—沙河一帶，龍?zhí)稘竦亍h(huán)一帶，鳳凰山公園—三環(huán)一帶，青龍湖區(qū)域等大型開敞空間。

（2）中心城區(qū)內(nèi)部結(jié)合河流、城市綠地等開敞空間設(shè)置多處開敞通廊，保障開敞通廊與中心城周邊通風(fēng)廊道的無縫銜接，以此確保風(fēng)場(chǎng)能夠向城市內(nèi)部滲透。

（3）臨風(fēng)道區(qū)域，宜設(shè)置城市綠地、廣場(chǎng)或低矮建筑向高層建筑過度的城市形態(tài)。

3.3 微觀尺度風(fēng)環(huán)境模擬研究

3.3.1 研究區(qū)域和采樣數(shù)據(jù)

研究區(qū)域選擇中心城四處街坊，分別是：

燕沙庭院街坊：為2000年以后新建的多低層區(qū)域，該區(qū)域比較明顯的特征是東、北兩上風(fēng)向區(qū)域分別是金沙遺址和摸底河等開敞區(qū)域。

南城都匯街坊：該區(qū)域有兩個(gè)特征，一是北臨中心城主要風(fēng)道三環(huán)路，二是其屬于近年新建的高層居住區(qū)，高密特征明顯。

全興小區(qū)街坊：該區(qū)域特征與燕沙庭院相似，其北、東兩上風(fēng)向分別為二環(huán)路和府河等開敞區(qū)域。

三處研究區(qū)域的模擬參數(shù)，在成都夏季風(fēng)盛行的8月分別對(duì)主導(dǎo)風(fēng)向上街坊入口端和出口端進(jìn)行多點(diǎn)隨機(jī)數(shù)據(jù)采樣。

3.3.2 模擬結(jié)果分析

（1）南城都匯街坊。在測(cè)試準(zhǔn)確的模型基礎(chǔ)上，設(shè)置在人感知較舒適的風(fēng)速2 m/s下，對(duì)臨三環(huán)路（主導(dǎo)風(fēng)入口端）第一排建筑的山墻距離進(jìn)行調(diào)整，觀察進(jìn)深130 m區(qū)域（即第1～3排建筑之間區(qū)域）在不同間距下的通風(fēng)情況。

迎風(fēng)面建筑間距為13 m時(shí)風(fēng)場(chǎng)模擬圖如圖3所示，1.5 m（人行高度）現(xiàn)狀靜風(fēng)區(qū)比例為63%，平均風(fēng)速為1.005 836 m/s，北部地區(qū)風(fēng)速較高，狹管效應(yīng)較強(qiáng)；迎風(fēng)面建筑間距增加至16 m時(shí)風(fēng)場(chǎng)模擬圖如圖4所示，現(xiàn)狀靜風(fēng)區(qū)比例為53%，平均風(fēng)速提升至1.006 377 m/s；距離迎風(fēng)面130 m內(nèi)的地區(qū)風(fēng)速有直觀的改善，北部地區(qū)風(fēng)速較高，狹管效應(yīng)減弱，風(fēng)速減弱。間距由13 m增加至16 m變化過程來看，15 m間距時(shí)靜風(fēng)區(qū)比例減少幅度最大，峽管效應(yīng)消減最明顯。

圖3 第一排建筑山墻距13m風(fēng)場(chǎng)模擬圖

圖4 第一排建筑山墻距16m風(fēng)場(chǎng)模擬圖

（2）燕沙庭院街坊。如圖5，燕沙庭院街坊上風(fēng)向?yàn)榻鹕尺z址公園，主導(dǎo)風(fēng)經(jīng)過摸底河灌入街坊內(nèi)。陣列式的建筑布局對(duì)主導(dǎo)風(fēng)有明顯的阻隔作用。區(qū)域風(fēng)場(chǎng)平均風(fēng)速為1.595 165 m/s，大部分下風(fēng)界面大部分風(fēng)速僅為0.4～0.8 m/s；而模擬模型4號(hào)采樣點(diǎn)，由于處于街坊內(nèi)30 m寬度以上的開敞廊道末端，其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)均達(dá)到了1.1 m/s。

圖5 燕沙庭院街坊風(fēng)場(chǎng)模擬圖

（3）全興小區(qū)街坊。風(fēng)場(chǎng)模擬圖如圖6所示。

圖6 全興小區(qū)街坊風(fēng)場(chǎng)模擬圖

主導(dǎo)風(fēng)經(jīng)雙林大道灌入街坊內(nèi)，從街坊臨府河界面來看，由于其大部分建筑山墻臨主導(dǎo)風(fēng)，風(fēng)場(chǎng)的貫通性明顯優(yōu)于燕沙庭院，小區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域的導(dǎo)入風(fēng)速處于1.87～3.43 m/s，與整個(gè)區(qū)域的平均風(fēng)速2.81 m/s差距不大，小區(qū)內(nèi)靜風(fēng)區(qū)域明顯較少。

3.3.3 微觀尺度風(fēng)環(huán)境模擬研究小結(jié)

通過對(duì)以上三個(gè)街坊區(qū)域的模擬分析，可以總結(jié)出以下具有指導(dǎo)意義的要點(diǎn)：

（1）以上三個(gè)街坊內(nèi)部，建筑布局形式為陣列式，當(dāng)建筑垂直于主導(dǎo)風(fēng)向時(shí)，對(duì)風(fēng)場(chǎng)有明顯的阻隔作用，應(yīng)考慮預(yù)留開敞空間作為通風(fēng)廊道。

（2）街坊內(nèi)臨風(fēng)面第一排建筑，山墻間距可以在管理導(dǎo)則要求的13 m基礎(chǔ)上進(jìn)行一定擴(kuò)大，課題組建議值為15 m。

（3）在城市商務(wù)辦公區(qū)，應(yīng)盡量避免超長的連續(xù)裙房界面，確需超長連續(xù)界面支撐的，應(yīng)考慮貫穿連續(xù)界面的內(nèi)步行街或開敞的中庭集散空間。

（4）在城市居住區(qū)，山墻宜面臨主導(dǎo)風(fēng)向，以提升居住區(qū)內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)的連通性。

4 研究意義和展望

4.1 CFD技術(shù)的風(fēng)環(huán)境規(guī)劃意義

CFD在城市規(guī)劃氣候適應(yīng)性研究中的應(yīng)用，本質(zhì)是通過流體力學(xué)展現(xiàn)城市規(guī)劃建設(shè)與城市大氣運(yùn)動(dòng)之間的相互作用關(guān)系。通過模型推演，呈現(xiàn)出可視化結(jié)果，其意義主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

（1）CFD技術(shù)對(duì)城市風(fēng)環(huán)境的模擬具有直觀性，能夠展示流體動(dòng)態(tài)機(jī)制，這是其他研究方法不具備的；

（2）CFD風(fēng)環(huán)境模擬的應(yīng)用范圍較廣，且該方法可對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)價(jià)方案的優(yōu)劣，這是現(xiàn)有手段難以實(shí)現(xiàn)的；

（3）采用CFD手段對(duì)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬分析，以數(shù)值模擬取代物理模擬，具備經(jīng)濟(jì)高效的優(yōu)勢(shì)。

4.2 展望

因數(shù)據(jù)有限，本研究在宏觀、中觀尺度未能進(jìn)行建設(shè)板塊精細(xì)化的數(shù)值模擬，隨著數(shù)字化城市工作的推進(jìn)，計(jì)算機(jī)性能的提升，將宏觀地形條件、更精確的建筑數(shù)據(jù)納入數(shù)字模型中，有利于開展成都市乃至城鎮(zhèn)群大尺度的模擬，采用多種工況對(duì)比分析，得到更加精確的模擬結(jié)果。