基于計算流體力學技術的大尺度復雜地形山區風環境模擬

裘國平 章俊屾 楊振文 孫易吟

摘要：我國的城市規劃設計中常會涉及到“環境品質”“綠色通廊”“人居環境”等概念，這些都需要對風環境的研究及應用。本文基于CFD（計算流體力學）技術，以浙江省麗水市青田縣石溪鄉為研究對象，圍繞近地表低空區域，模擬山區鄉村區域的風速場，并對其風環境特征的規劃設計展開相應的深入研究。研究結果表明：即使模擬區域的地形復雜、計算范圍廣，仍可通過分步計算控制法對大尺度模型進行CFD模擬分析，并給出合理的風場結構；不僅如此，在山區鄉村規劃設計中，人居活動區應盡量遠離在山體附近，減小環境風回流區對人居安全帶來的風險，進一步證明了山體對建筑表面風速分布的影響不容忽略。最后，本文認為“風環境”可作為山區鄉村規劃的一個評價指標，提供一定的定量分析及參考依據，為提高人居環境品質提供規劃設計思路。

關鍵詞：鄉村規劃；大尺度復雜地形；山區；風環境；石溪鄉；CFD

doi：10.3969/j.issn.1009-1483.2019.03.010？中圖分類號：P425

文章編號：1009-1483（2019）03-0063-08？文獻標識碼：A？？？？

Wind Environment Simulation in the Complex Terrain of Mountain Area with Large Scale on the Basis of CFD： Taking Shixi Township as an Example

QIU Guoping， ZHANG Junshen， YANG Zhenwen， SUN Yiyin

[Abstract] The concepts of "environmental quality" "green corridor" and "human settlement environment" are usually involved in urban planning and design in China， which are the preliminary studies and applications of wind environment. Therefore， based on CFD technology， this paper takes Shixi Township， Qingtian County， as the research object， simulates the wind speed field in the rural area of mountainous zone around the near surface low altitude area， and carries on the corresponding research to the planning and designing of wind environment characteristics. The results show that despite the complex terrain and wide computing range of the stimulating area， the CFD simulation analysis of the large-scale model can be carried out by the stepwise computational control method， and the reasonable wind field structure can be obtained. What’s more， the human settlement area should be far away from the mountain so as to reduce the risk of the environmental wind return zone to the human settlement safety， which acts as a further prove that the influence of the mountain body on the wind velocity distribution on the building surface should not be ignored. Finally， this paper holds that "wind environment" can be applied as an evaluation index for rural planning in mountainous areas， which can provide certain quantitative analysis and referential information， and suggest planning and designing ideas for improving the quality of human settlement.

[Keywords] rural planning； large scale complex terrain； mountainous area； wind environment； Shixi Township； CFD

引言

在我國的城市規劃設計中常會涉及到“環境品質”“綠色通廊”“人居環境”等概念，這些都需要對風環境的研究及應用。在城市規劃設計與研究中，需要運用氣候學的相關知識，跟蹤觀測規劃區域的氣候特征，將氣候學的研究成果及數據轉譯成城市規劃可用的設計語言[1]，并進行相應的評估分析，以做到因地制宜[2-4]。而對于山區鄉村規劃當中，由于其地形地貌區域的特殊及復雜性，風環境的影響也成為了如今規劃設計中一個重要的參考指標。

通常針對一個山體而言，風環境的影響差距主要體現在迎風坡與背風坡。當環境風主導風向與山體一致時，由于空氣收到山脊截面的擠壓，壓力的增大導致風速加劇，因此在山脊處的風速達到峰值。反之，當山脊截面增大時，由于氣流壓力減小，風速隨之降低，即文氏效應（見圖1a）。而當環境風主導風向與山體相反時，則在山體背風處形成渦流區，且坡度越大風向逆轉的區域約為明顯（見圖1b）。

應當指出，由于鄉村下墊面地形的變化，山區鄉村風環境會變得更為復雜，尤其當流經山體背風面狹窄街道內部及鄉村建筑裙樓時，風向發生轉角，氣流受到擠壓，風速會驟升至來流平均風速的2～3倍，甚至更為嚴重[5]。因此，測量其中風速環境，對規劃設計作出指導，進一步提升山區鄉村規劃的品質則變得愈發關鍵。

而現場實測是研究風環境最直接有效的方法，對建成建筑進行實地測試，收集風環境數據資料，對后期設計和研究工作具有重要的意義[6-7]。但現場測試往往是針對已建建筑進行，無法對規劃設計初期提供參考數據。且現場實測極易受外界因素限制，實際操作中需消耗大量人力物力。因此，現場實測并非最適宜的風環境研究手段。

風洞實驗是目前研究風環境運用最廣泛的手段之一，依據相似性原理，將待測對象制成比尺模型后放置在風洞通道內，通過一系列人工控制方法使風洞內的氣流達到模擬所需的流動狀態，以完成實際所需的試驗工況。但實驗模型制作費時費力，投資成本較高，風洞試驗周期長，且實驗的還原度較低，具有一定的局限性。

近年來，隨著計算機技術的不斷提高，計算流體力學（Computational Fluid Dynamic， CFD）技術越來越受到重視和廣泛應用，并取得了不少成果[8]。相比于傳統方法，CFD是建立在Navier-Stoke方程近似解基礎上的計算技術，克服了風洞試驗周期長、精度差、投資成本高的缺點，直接在計算機上建立數值方程，采用離散求解的方法分析流體動形態，目前市面上常見的CFD模擬軟件主要有Fluent、CFX、Icepak、Mixsim等，而Flunet作為其中的佼佼者，含有豐富而準確的物理模型，迄今為止開發的Spalart-Allmaras模型、k-ω模型、k-ε模型、LES模型等能夠精確地模擬出層流、湍流、無黏流的流場形態，市場占有率達到了60%以上[9]。

因此，文章采用CFD技術，以石溪鄉為研究對象，圍繞近地表低空區域，模擬相鄰山谷間鄉村規劃區域的風速場，對山區小鄉村風環境特征的規劃設計展開相應的研究。

1 CFD模擬概況

1.1 模擬對象概況

石溪鄉隸屬于浙江省麗水市青田縣，鄉域總面積29.6km2，人口約0.7萬人。全年溫和濕潤，四季分明，依山傍水，三面環山。地貌構成中丘陵低山占比89.7%，區域地形復雜，切割強烈，千嶂萬壑，層巒疊翠，地勢由北向西南方向傾斜，全區海拔最低處位于村落內，海拔僅為6m（見圖2）。

將2013年至2017年的氣象數據進行整理，發現5年內青田縣平均氣溫19.26℃，平均風速1.88m·s-1，平均濕度72.68%，平均日照時長4.26 h。統計5年內的風向頻率，ENE（東北偏東風）占比33.30%、NE（東北風）占比12.49%、E（東風）占比11.66%，將5年內的溫度、風速、濕度、日照時間按四季進行分割，并對全年風向頻率進行統計，通過該區域風玫瑰可以看出青田縣5年內67.96%的風向區域都集中在N～E的范圍內，基本與石溪鄉鄉村區域地形保持一致，形成了一條狹長的通風廊道（見表1、圖3）。

1.2 計算流程與邊界條件

對于大尺度規劃區域風環境模擬，采用傳統的整體計算方式確保計算精度，由于軟件和設備限制，模型體量及復雜程度將導致無法導入計算，且網格數量龐大、計算時間過長等問題也將直接影響計算效果。因此為確保模擬結果的真實性及準確性，文章提出了適用于大尺度規劃區域風環境模擬分布計算控制流程（見圖4）。

首先運用CAD及Solidworks進行建模，建立青田縣石溪鄉山體地形幾何模型。在建模過程中，對研究對象中的山體及建筑模型進行簡化，山體高度按等高線進行繪制，最高海拔取220m，模擬計算區域長、寬、高分別為3000m、1800m和400m（見圖5a）。入口邊界條件采用自定義函數UDF（User Define Function）導入，由于地表摩擦的結果，使接近地表的風速隨著離地面高度的增加而增大，在離地面300～500m以上的地方，風速將不受地表的影響，能夠在氣壓的作用下自由流動，從而達到最大速度。平均風速沿高度的變化規律，常稱為平均風速梯度，出現這種速度的高度叫梯度風高度。在400m以下，風速按指數關系[10-11]變化：

其中，v為某一高度上的風速，v0為地面上方10m高度上測得的風速，即氣象局測試的風速。Z為高度，Z0為10m。α為地面粗糙系數，該值與地形地貌、建筑環境等因素有關，根據規范[12]取0.25。出口邊界相對壓力為0，底面為Wall壁面邊界條件，計算域共計2.11×107個單元，采用六面體網格劃分，單元網格質量均勻良好（見圖5b）。

將計算模擬區域的建筑進行簡化，并進行分割，將每個分割區域進行獨立建模，分割區域時不僅需要考慮模擬的準確性，還要綜合評判軟件的計算承受力及魯棒性。因此，結合整個鄉村區域的區塊劃分，確保模擬結果的準確性，本次模擬選取兩個重點區域進行建模計算。City 1計算域長、寬、高分別為600m、300m、300m，City 2計算域長、寬、高分別為1000m、800m、300m（見圖6a、b）。入口湍流強度剖面采用UDF實現，函數型式采用Matlab對地貌斷面剖面進行擬合。出口邊界相對壓力為0，底面為Wall壁面邊界條件，建筑物外壁設為無滑移、不可穿透壁面邊界條件，City 1計算域共計0.48×107個單元，City 2計算域共計0.61×107個單元，采用六面體網格劃分，單元網格質量均勻良好（見圖6c、d）。

1.3 控制方程及求解方法

在直角坐標系下建立環境風的模擬計算區域，假設室內氣流為連續、穩定、不可壓縮牛頓流體，采用有限體積法對控制方程進行離散，其中擴散項采用中心差分，對流項采用二階迎風格式。利用Gauss-Seidel迭代法求解離散后的代數方程組，首先通過SIMPLE算法得到流場壓力和速度。其中，所有的控制方程包括連續性方程、動量方程、k方程及ε方程如式（2）～（6）所示，簡化后公式如式（5）～（6）所示。

2.2 地形風場分析

將石溪鎮地形地貌進行風環境模擬，距離地面1.5m時平均風速1.81m·s-1，最大風速為3.81m·s-1。A、B區域主要為風場低速區，平均風速為1.63m·s-1 （見圖7a）。而氣流在進入山體區域時，由于氣流撞擊山體，導致風速逐步削弱，但當氣流進入C、D兩個區域后，風速明顯提高，平均風速達到1.99m·s-1，這是由于氣流在入口方向均勻流經山谷區域時，氣流受到兩側山體的擠壓，風壓的增大造成流速的加快，因此在鄉村規劃區域主軸線形成了一個風場加劇風道。并且隨著空間高度的升高此現象尤為明顯，圖7b為距離地面10m的風速場分布。平均風速為3.12m·s-1，最大風速6.21m·s-1出現在C區域的中部，風環境低速、高速區域分布規律基本與1.5m處一致。

通過對春、夏、秋、冬四個季節的風速場進行比較，發現氣流組織形式與上文保持一致（見圖8）。其中，夏季風速梯度最高，平均風速為4.28m·s-1，其次為秋季，平均風速為3.75m·s-1，春季、冬季的平均風速分別為3.47m·s-1、3.55m·s-1。代入式（7）式（8）進行計算，得出春、夏、秋、冬四季的溫濕指數（THI）分別為18.03、27.76、19.95、9.78，感覺程度依次為舒適、熱、舒適、冷；春、夏、秋、冬四季的風效指數（K）分別為-355.37、-36.84、-311.90、-636.34，感覺程度依次為舒適、熱、舒適、涼。可見該地形地貌條件下，整體宜居度較高，人體感官適宜度較為舒適。

2.3 建筑區域風速場分析

對上文中City 1、City 2區域的剖面風速進行數據提取，采用Matlab進行函數擬合，風速場散點擬合剖面如圖9所示，擬合出的函數型式進行修正后見式（9）、式（10）。

由圖可以看出氣流組織在直接流經建筑物時，City 1、City 2前排風速普遍較高，將建筑迎風面的數據進行提取，結果發現City 1平均風速為3.11m·s-1，最大風速為6.71m·s-1，City 2平均風速為6.15m·s-1，最大風速為10.35m·s-1。可見由于山區地形的特殊性，在鄉村規劃布局主軸線上形成了一條引導風道[15]，加劇了鄉村建筑的風速場。而由于第一排建筑物的遮擋，City 1城鎮中心區域的風速范圍為0.14～0.56m·s-1，且出現了渦流區域[16]，即流動滯止區，使得該區域的換氣效率降低，人體舒適度下降。同理，City 2亦是如此，中心區域的風速范圍為1.12～2.03m·s-1。應當指出，通過City 2的風速場云圖，發現在City 2的左右兩側分別形成了一個強風速帶。因此，將夏季、冬季z方向的風速場進行進一步比較，得到如下風速場分布（見圖11）。

由圖可見，由于入口風速邊界條件的變化，在模擬區域兩側環境風的差異非常明顯，并且在風道末尾兩側出現了高風速，夏季風速場最高出現了20.71m·s-1，達到了大風等級，地面物理現象為折毀樹枝，存在一定的安全風險；冬季最大風速為15.35m·s-1，亦達到了疾風等級，結合濕熱指數及風效指數，人體感覺溫度為酷冷。不僅如此，在通道中間區域出現了負方向的速度，這是因為空氣流經山體背風面時由于坡度逆轉，導致環境風回流進一步加劇了鄉村建筑區域的風場環境，末位建筑迎風區域的平均風速夏季為12.32m·s-1、冬季為8.21m·s-1。

3 結論

本文通過CFD的風環境模擬技術，以青田縣石溪鄉為研究對象，模擬山區鄉村的風場分布，并進一步分析了風場分布，得出如下結論：

（1）即使模擬區域的地形復雜、計算范圍廣，仍可通過分步計算控制法對大尺度模型進行CFD模擬分析，并給出合理的風場結構。

（2）在針對山區城鎮規劃布局時，應盡量在環境空間形態進行優化，避免在山體兩側背風面布局居住群，避免渦流區對人居環境的影響。不僅如此，在規劃設計時應盡量減低區域建筑密度，網絡化通風路徑，形成順應主導風向的公共空間廊道，以提高人居舒適度。

（3）在山區鄉村規劃設計中，人居活動區應盡量遠離在山體附近，減小環境風回流區對人居安全帶來的風險，進一步證明了山體對建筑表面風速分布的影響不容忽略。

（4）“風環境”可作為山區鄉村規劃的一個評價指標，提供一定的定量分析及參考依據，為提高“人居品質”提供規劃設計思路。

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