基于計算流體方法對建筑物風(fēng)場分布*

蘆紅莉

(天津科技大學(xué) 藝術(shù)設(shè)計學(xué)院， 天津 300450)

隨著現(xiàn)代建筑外形越來越復(fù)雜，高度越來越高，建筑風(fēng)場的研究逐漸得到各方的關(guān)注[1].其研究手段包括現(xiàn)場實測、實驗室模擬(主要是風(fēng)洞模擬)和理論分析(包括數(shù)值計算)[2].現(xiàn)場實測作為對其他兩種研究手段模擬結(jié)果的檢測是必不可少的，也是最直接的研究手段，但其成本高、時間長且不易測量，只有在建成后才可以測量，無法為擬建建筑提供預(yù)測，因此具有一定的局限性[3].風(fēng)洞試驗作為一種實驗室模擬手段，應(yīng)用較為廣泛，對于體型復(fù)雜的建筑物，如大跨度體育場屋蓋結(jié)構(gòu)，或高層建筑，都宜進行風(fēng)洞試驗.風(fēng)洞試驗?zāi)軌虻贸鱿嚓P(guān)結(jié)果，并驗證新方法的有效性.通過建立物理模型能夠研究一些具體位置的風(fēng)場，從而檢測各種假設(shè).風(fēng)洞的缺陷是其具有稀缺性，尤其是用于研究城市的模型，風(fēng)洞需要足夠大，且在模型中的測點是有限的[4].

近年來，計算流體動力學(xué)(CFD)在建筑物風(fēng)場的研究中得到了越來越多的應(yīng)用，已有研究用該方法從定性和定量方面較準確地預(yù)測了風(fēng)場的影響[5].與前兩種手段相比，其人力和物力的消耗小，且能夠?qū)ρ芯繉ο笳w進行定量和定性分析，而不僅是儀器測量的幾個點.但是，需要證明計算結(jié)果的正確性和可行性，尤其是建筑物周圍風(fēng)場涉及到復(fù)雜的湍流流動[6].因此，利用CFD方法研究風(fēng)場模型的準確性驗證需要更深入的研究.

本文介紹了使用FLUENT計算結(jié)果與風(fēng)洞試驗結(jié)果進行對比驗證所建立的CFD模型方法，并優(yōu)化了模型參數(shù)，為今后城市風(fēng)場的研究提供一定的依據(jù).

1 基本原理

CFD是利用高速計算機求解流體流動的偏微分方程組，目的是為了更好定性和定量地了解流體流動的物理現(xiàn)象.CFD計算包括前處理、求解和后處理三部分[7-8].FLUENT是常見的CFD軟件之一，其本身所帶的物理模型可以準確地預(yù)測層流、過渡流和湍流多種復(fù)雜現(xiàn)象.其中湍流模型理論(簡稱湍流模型)，就是以雷諾平均運動方程與脈動運動方程為基礎(chǔ)，依照理論與經(jīng)驗的結(jié)合，引進一系列模型假設(shè)，而建立起的一組描寫湍流平均量的封閉方程組.本文選取FLUENT軟件提供的k-ε模型，雷諾應(yīng)力模型(RSM)即可實現(xiàn)k-ε模型進行計算分析.

k-ε模型自從被提出就成為工程流場計算中的主要工具，其湍動能輸運方程是通過精確的方程推導(dǎo)得到的，耗散率方程是通過物理推理，數(shù)學(xué)上模擬相似原型方程得到的[9].可實現(xiàn)的k-ε模型是近期才出現(xiàn)的，比起標(biāo)準k-ε模型有兩個主要的不同點：1)為湍流粘性增加了一個公式；2)為耗散率增加了新的傳輸方程，這個方程來源于一個為層流速度波動而做的精確方程[10].RSM在FLUENT中是最精細的模型.放棄等方性邊界速度假設(shè)，使雷諾平均N-S方程封閉，解決了關(guān)于方程中的雷諾壓力，還有耗散速率.這意味著在二維流動中加入了四個方程，而在三維流動中加入了七個方程[11].由于RSM比單方程和雙方程模型更加嚴格地考慮了流線型彎曲、漩渦、旋轉(zhuǎn)和張力快速變化，對復(fù)雜流動有更高的精度預(yù)測潛力.

2 建立數(shù)值模型

2.1 物理模型

本文模擬計算了單一建筑，兩棟建筑和城市建筑群的風(fēng)場分布.圖1為單一建筑模型參數(shù)，建筑長80 m，寬12 m，高18 m，中間為通道，寬6 m，高4 m.

圖1 單一建筑模型參數(shù)Fig.1 Model parameters for single building

圖2為兩棟建筑的分布圖，兩棟建筑高為18 m，中間通道寬b為4 m，風(fēng)向如圖2所示.

圖2 兩棟建筑模型參數(shù)Fig.2 Model parameters for two buildings

圖3為城市中復(fù)雜建筑群分布圖，圖4為風(fēng)洞試驗中各種測量點的位置[12].模型為不同高度的建筑群，中央建筑高度(76 m)為周圍建筑高度的四倍(19 m)，街道寬度為25 m.

圖3 城市綜合體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of urban complex

圖4 風(fēng)洞試驗測點Fig.4 Measurement points in wind tunnel test

所建立模型需要滿足以下條件：1)阻塞率不應(yīng)超過3%；2)模型截面(寬度×高度)形狀應(yīng)優(yōu)先遵循暴露于風(fēng)中的建筑物表面的形狀；3)模型長度在建筑物的上游延伸量大于10H，下游延伸量大于16H，H為較高建筑物的高度；4)滿足對稱條件，模擬一半模型的風(fēng)場.

2.2 邊界條件

模型邊界和上表面對稱，風(fēng)入口處設(shè)為VELOCITY-INLET，風(fēng)離開模型的表面設(shè)為OUTFLOW，其余邊界設(shè)為WALL，假設(shè)地面和建筑物表面光滑(即粗糙度為0)，墻體附近采用近壁面函數(shù).

3 結(jié)果分析

3.1 單個建筑風(fēng)場數(shù)值計算

圖5為單個建筑(80 m×12 m×18 m)的模擬結(jié)果，通過FLUENT軟件計算各種湍流模型的U/U0值，并與Wiren的風(fēng)洞試驗結(jié)果進行比較[13].其中，U/U0為有建筑物時2 m處的風(fēng)速與無建筑物時相同高度風(fēng)速的比值[13].

圖5 不同F(xiàn)LUENT湍流模型計算結(jié)果與風(fēng)洞試驗對比Fig.5 Comparison between calculated results of differentFLUENT turbulence models and wind tunnel test

由圖5可知，雷諾應(yīng)力模型(RSM)模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗結(jié)果吻合最好，可用于評估單個建筑物通道中行人對風(fēng)的舒適度.該湍流模型不僅能識別關(guān)鍵區(qū)域，而且可以準確地確定最關(guān)鍵位置和風(fēng)的最大不適值.因此，RSM湍流模型能夠應(yīng)用于建筑物風(fēng)力舒適性的研究.

3.2 兩棟建筑物風(fēng)場數(shù)值計算

通過單個建筑的研究得出，RSM湍流模型與風(fēng)洞試驗吻合結(jié)果最好，因此，兩建筑計算模型采用RSM湍流模型與風(fēng)洞試驗進行對比.圖6為FLUENT RSM湍流模型計算結(jié)果與風(fēng)洞試驗對比.兩棟樓通道風(fēng)速強度與Wiren風(fēng)洞測試結(jié)果[13]吻合，與風(fēng)洞試驗的測量值誤差小于等于10%，因此，F(xiàn)LUENT軟件的RSM湍流模型可用于預(yù)測建筑物風(fēng)場的研究，以確定行人的舒適性和最大風(fēng)速值.

圖6 FLUENT RSM湍流模型計算結(jié)果與風(fēng)洞試驗對比

Fig.6ComparisonbetweencalculatedresultsofdifferentFLUENTRSMturbulencemodelsandwindtunneltest

通過以上分析得出，F(xiàn)LUENT是評估建筑物風(fēng)場影響的有效工具.FLUENT定性和定量兩方面評估兩座建筑物周圍的風(fēng)速.RSM模型是研究小群建筑物風(fēng)力的理想湍流模型.

3.3 城市建筑群風(fēng)場數(shù)值計算

圖7為FLUENT各模型對各街區(qū)U/U0比值平均值的計算結(jié)果，與Stathopoulos & Wu風(fēng)洞試驗[12]進行對比，并選取風(fēng)洞試驗風(fēng)速為8 m/s.五個街區(qū)點組為：A1～A7，B1～B8，C1～C7，D1～D8，E1～E7.

圖72m高度處不同F(xiàn)LUENT湍流模型計算結(jié)果與風(fēng)洞試驗對比

Fig.7ComparisonbetweencalculatedresultsofdifferentFLUENTturbulencemodelsandwindtunneltestatheightof2m

標(biāo)準k-ε模型計算結(jié)果與試驗結(jié)果偏差最大，標(biāo)準RSM模型所計算的整個城市地區(qū)的平均值與風(fēng)洞試驗結(jié)果接近，相對誤差為5%.而RSM-壁面反射模型精度更高，五個街區(qū)和整個城區(qū)的計算結(jié)果都與風(fēng)洞試驗測量值吻合較好.因此，RSM湍流模型結(jié)合壁面反射適用于研究密集城區(qū)建筑物風(fēng)場，并可用于研究不同高度的建筑群.

圖8為中間三排風(fēng)速變化較大的九棟建筑物2 m高處水平面風(fēng)速分布圖，圖9為垂直面的速度分布圖.

圖8 高度2 m處水平面風(fēng)速分布Fig.8 Wind speed distribution in horizontalplane at height of 2 m

通過以上分析，城區(qū)中具有不均勻高度的建筑群可采用RSM-壁面反射模型進行計算.但本文方法可以預(yù)測幾區(qū)或者整個城區(qū)的平均風(fēng)速，無法確定每個點上的精確風(fēng)速，能夠預(yù)測最高風(fēng)速的區(qū)域，但是準確位置可能會局部偏移.

圖9 通過B8和D8的垂直面風(fēng)速分布Fig.9 Wind speed distribution in verticalplane through B8 and D8

然而，實際應(yīng)用中并不需要特定點的確切風(fēng)速，只需要知道防風(fēng)區(qū)，即給行人帶來不舒適性的區(qū)域.因此，本文模型能夠評估風(fēng)的不舒適區(qū)域，以輔助建筑師或城市規(guī)劃師設(shè)計出舒適的公共空間.

4 結(jié) 論

本文建立了建筑物風(fēng)場模型，并驗證了模型的正確性.通過研究發(fā)現(xiàn)，從定性的角度來看，F(xiàn)LUENT提出的RANs湍流模型能夠計算單個建筑物或小群建筑物以及城區(qū)非均勻高度建筑群的平均風(fēng)速.從定量角度考量，RSM湍流模型更加適用于研究建筑物的風(fēng)場，較好地預(yù)測三類建筑的平均風(fēng)速分布.所建立的模型能夠識別關(guān)鍵區(qū)域并量化風(fēng)的不適程度.對于單一建筑和小群建筑，標(biāo)準RSM模型計算結(jié)果最好.在城區(qū)建筑群的模擬中，RSM-壁面反射模型最好.本文研究為通過模擬計算評估建筑物周圍行人的風(fēng)力舒適性提供依據(jù).