基于CFD模擬的不同地形格局風場規律及其風感規劃對策

王 凱,梁 紅,嚴 巖

1 青島農業大學園林與林學院,青島 266109 2 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085

“風感”是景感規劃所關注的八個類型的感覺之一。城市風感規劃通過對城市物理空間的改變來改善城市通風,提升城市小環境的氣候品質,從而優化風感[1-4]。地形是構成城市覆蓋層最基本的地表自然單元,從宏觀上來講,地形的褶皺影響地面紋理和粗糙度,影響近地面層的空氣流通,從而影響區域的通風和風速,影響區域生態系統。從中觀和微觀上來講,地形所形成的風場不僅影響城市規劃選址與內部空間布局。利用地形的風場特點和“風感”規律進行選址或營造氣候適應型空間格局,對于谷地、盆地和環山型等山地城市的人居環境優化,解決霧霾頻發城市的通風問題,并提升城市內部微空間“風感”舒適度具有一定的指導意義[5- 9]。風感規劃對于城市氣候適應性規劃,改善風敏感型城市生態環境,并基于風感做相應的土地利用和規劃建設具有較好的指導價值。風感是基于人的物理和心理感知,風感的好壞直接反映生態系統的服務功能優劣,提升風感能夠提高生態系統服務功能[10- 13]。

目前,計算流體動力學(CFD)數值模擬技術已經逐漸成為了研究風場的主要研究手段,也逐漸被應用到的不同地形風場模擬中。在進行山地建筑設計和山地環境的建筑規劃時,可以應用CFD模擬的方法研究中小尺度的山地地形的風場規律,在此基礎上合理設計和布局山地建筑[14- 17]。隨著計算機運算能力的提高和CFD模擬計算的日趨成熟,CFD數值模擬的方法逐漸被應用到更大尺度的山地風場研究上,并將模擬結果直接用于分析宏觀尺度生態環境和氣候問題[18-20]。通過上述研究結果對比發現,不同尺度地形格局的風場模擬結果具有一定的相似性,均反映了地形風場的一般規律。理清這一規律,有助于指導城市的選址與布局,優化人居生態環境。但是,目前對于不同坡向、形態和空間格局的地形風場的一般性規律所做的研究并不深入,也并未總結出可供風感規劃直接利用的簡單、且易于操作的方法。據此,本文以地形的風場作為研究對象,通過CFD模擬分析,總結出不同地形風場的一般性規律,并根據人的主觀感受確定地形的風感敏感區,制定城市風感規劃策略。本研究對于指導新城的選址與布局,優化老城內部風場,提升生態環境的宜居程度具有一定的指導意義[21-22]。

1 研究方法和數據

1.1 研究方法

計算流體動力學(CFD)數值模擬作為當前研究風場的有效手段之一,具有高效、直觀、周期短、費用低等優勢。隨著計算模型的改進,其準確性也越來越高[22-23]。本文運用Fluent 14.0來模擬不同地形格局的風場特征和影響因素,采用標準k-ε模型對地形模型進行CFD模擬計算。為排除其他地物因素的干擾,設定的模擬場景為曠野地帶,地面風粗糙度指數為0.16。計算域以目標地形(高度H)為中心,半徑5H范圍內為地形計算域。在來流方向上,地形計算域前方距離外場計算邊界要大于2H,后方距離外場邊界要大于6H。模擬工況設定模型入口10 m高風速為10 m/s,并用指數方程描述氣體入口界面的風速變化。通過對從不同地形坡度、形態和格局的模擬,能夠分析地形的風場特點和影響因素。本文所選用的理想化的模型和模擬條件進行模擬,因為模型邊界條件比較具體,和實際情況有一定的差異性,實際應用時要綜合考慮邊界和其他因素的干擾,不可一概而論[24- 30]。

1.2 不同地形的CFD模擬設定

1.2.1不同坡度坡地的模型建立和模擬工況設定

坡度和風場的關系是研究地形風場的基礎。為了分析坡度的影響,選擇帶狀地形進行研究[27-28]。本次主要研究坡地的風速、風向和風速加速比(坡地上同水平高度風速增減量和原始風速的比值)特征與坡度的關系。帶狀地形長遠大于寬,當風向和地形垂直時,影響風場的主要因素是地形橫剖面的坡度,所以,可用貝爾模型(Bell shaped)描述的簡化二維地模型來表達地形,如圖1所示。6組模型的坡度分別為0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1.1,設定坡度為0.7時地形的高度為200 m,其他的坡度的高度隨著地形坡度變化而變化。

圖1 不同坡度地形的風場特點Fig.1 The wind field characteristics of different topographical slopesH：山頂到地面的高度，L1：山頂到山坡一半高度處的水平距離，H/L1：高寬比，i：坡度

1.2.2單體山丘地形 3D模型建立和模擬工況設定

單體山丘基本的形態有圓形,即“O”形,以及山脊向不同的方向延展而形成的“L”形、 “U” 形、“T” 形和“I”形,這些基本形體能夠概括自然界中大多數單體山丘。“O”形地形有些學者已經做了一些論述,“I”形山丘向兩端延展,中部風場和帶狀坡地基本相似,本文不再兩種地形進行模擬。

山丘地形按照不同的延展方向形成“L”、“U”和“T”形。通過3D軟件建立地形模型,山頂垂直切面坡度設定為0.5,其中“T”形地形的橫向半坡坡度為0.5。所有地形切面符合貝爾模型(Bell shaped),地形高度均為18 m,地形的長度和寬度如圖2—4。對“L”、“U”和“T”形地形的3個模型按照0°、45°、90°、180°、225°五個風向進行模擬,“L”地形增加270°的風向模擬。

圖2 “L”形山體1.5 m高風場流線圖Fig.2 U-shape terrain′s wind streamlines at the height of 1.5m above the ground

1.2.3組合地形3D模型建立和模擬工況設定

單個地形經變化組合后形成格局不同的地形地貌。其中最為典型并被歷代城市選址采納的最佳格局是“三面環山”環抱式地形格局,如圖5。參考諸多傳統城市所選地形格局的山水關系描述后,確定地形格局模型并進行模擬。“三面環山”地形格局屬于一種典型景觀格局,尺度可大至千米,微至數十米[31-32]。本次選擇中觀尺度進行模擬,地形南北長為1800 m,東西寬為1350 m。為了便于對比,陡坡和緩坡模型的平面格局完全相同。陡坡北山A高200 m,南面坡度為0.5,北坡為0.7,且滿足地形北坡急,南坡緩的要求；東山B高129 m,坡度為0.5；西山E高120 m,坡度為0.5；南山高80 m,坡度均為0.6,3D模型如圖6所示。緩坡地形北山A高88 m,南面坡度為0.22,北坡為0.3；東山B高度為52 m,坡度為0.22；西山C高為48 m,坡度為0.22。南山F高32 m,小丘E高16 m,坡度均為0.24,3D模型如圖7所示。

圖5 模擬地形的平面格局示意圖Fig.5 Plane pattern of simulated terrain

圖6 陡坡地形模型Fig.6 Terrain model on steep slope

圖7 緩坡地形模型Fig.7 Terrain model on gentle slope

對兩組模型的北風- 360°、西北風- 315°、南風- 180°、東南風- 135°進行4次模擬,導出1.5 m行人高度4種風向的風場分布圖和流線圖,以及北風- 360°和南風- 180°的立面風場分布圖和流線圖,重疊后繪制出風場分布及流線圖。

2 模擬結果與討論

2.1 不同坡度坡地的風場CFD模擬結果和風場特點

Fluent模擬結果如圖1,按照迎風坡和背風坡的風場的模擬結果,以及背風坡有無明顯的回流渦旋,將坡地分為陡坡(H/2L1>0.5)、中坡(H/2L1=0.3—0.5)和緩坡(H/2L1≤0.3) 三類。迎風坡分山腳、山腰和山頂3段,背風坡分山腰到山腳和山腳順向延伸段2段,根據模擬結果繪制示意圖,如圖8和圖9,風場規律如下:

陡坡和中坡的迎風坡段近地面風速在山腳段減小,加速比為負數,坡度越大、沿坡地上升風速減小越明顯；山腰段風速逐漸增加,在進入山頂端之前趨于相等,此時加速比仍為負數并減小至零,坡度越大加速比為零的位置越靠近坡頂。到山頂部分后近地面風速激增,平均風加速比達到最大值。過山頂后背風面有一個風速減小區域,隨后進入回流渦旋區,最后進入尾流區。回流渦旋區近地面風速先增大,到山腳后逐漸減少,至山腳后方尾流區后逐漸趨于正常。背風坡形成了明顯的回流渦旋(又稱轉子氣流),回流渦旋的中心大致位于山腳的上方,近地面附近出現了逆向風,高空為順向風。回流渦旋主要受到坡地坡度的影響,同樣的坡度,坡高越高,后方的影響也越大,山腳后方的尾流也更強。回流渦旋后方氣流下潛和地面氣流輻合,最后逐漸趨于正常,如圖8。

圖8 陡坡、中坡風廓線示意圖Fig.8 Steep and moderate slopes′ wind profile diagramH:山頂到地面的高度，L1:山頂到山坡一半高度處的水平距離，H/L1:高寬比 P：山頂

當坡度為0.3—0.5時,背風坡的回流渦旋并不明顯,風速從山腰到山腳處逐漸變小。當坡度大于0.5時,背風面才會有小面積的回流區出現。通過模擬結果可知,坡度0.5可以作為回流渦旋是否明顯的分界點。

坡度小于0.3的緩坡,風場的特點與陡坡和中坡有所不同。迎風坡和背風坡的風速基本沿著山頂呈軸線對稱分布,迎風坡的風速增長規律與陡坡和中坡相似,但由于山體的遮擋效應,背風坡風速略小于同等高度的迎風坡。由于坡度較緩,風速在迎風坡呈遞增趨勢；背風段沒有回流渦旋,到山腳處風速減小,并趨于正常風速,如圖9。

圖9 緩坡風廓線示意圖Fig.9 Gentle slope′ s wind profile diagram

2.2 單體山丘地形風場CFD模擬結果和風場特點

根據模擬結果輸出“L”、“U”和“T”形山丘地形1.5 m高風場流線圖,結果如圖2—4,其中:

(1) “L”、“U”和“T”形山丘地形從山前滯留區到山頂再到背風坡風影區整個剖面,風速增大的方式和帶狀坡地相似。迎風坡風速先減小后增加,但風速減小或增加比同等高度和坡度的帶狀坡地緩慢。山頂部分風速激增,但比帶狀坡地山頂風速增加程度小。背風坡的風速從山頂到山底不斷下降,且降速的絕對值要大于從迎風坡從山頂到山底降速的絕對值,即同高度的背風坡風速要小于迎風坡。

(2)“L”、“U”和“T”形山丘地形的山脊部分風場和“O”形山丘類似,在山丘兩個側翼山脊處,由于山脊的阻滯作用風速激增,但山脊位置的平均風加速比不及山頂；山脊風速從山頂到山腳逐漸下降,且下降速度比迎風坡和背風坡慢。山脊和風向所成夾角越小,則山脊風速增加越小。

(3)“L”、“U”、“T”形山丘地形的風場和垂直于風向的地形截面變化率有關。迎風面垂直風向截面變化程度越大,對氣流阻滯越大；背風面截面變化程度越大,風速、風壓風速變化越快,風影區和回流渦旋越大,擋風效果也越明顯。如圖2和圖4,當風向夾角為0°和180°時“L”和“T”形地形后部的風影區比較明顯。

圖3 “U”形山體1.5 m高度風場流線圖Fig.3 L-shape terrain′s wind streamlines at the height of 1.5 m above the ground

圖4 “T”形山體1.5 m高風場流線圖Fig.4 T-shape terrain′s wind streamlines at the height of 1.5 m above the ground

(4) 山丘地形風場和地形流線形態以及風向夾角有關。如圖3,當風向夾角為0°和225°時,氣流順著“凹”地形兩翼向外導風,則內部的風影區較大,很容易形成風影區和回流渦旋,形成相對靜風的環境；而風向夾角為45°和180°時,“凹”形地形向迎風面和背風面向內側導風,則迎風面形成的滯留區和背風面風影區均較小。

3 組合地形格局的風場CFD模擬結果和風場特點

根據地形CFD模擬導出的平面和立面風場模擬圖10—17可以發現,該地形所形成的風場和地形格局有著極其密切的關系:

(1)不同地形格局能夠改變風場的分布。如圖10左圖,地形格局對北風- 360°阻擋效果最為明顯,北風越過山頂后,北山A后方兩側形成很小的平面渦旋；氣流流線向東山C、西山B兩邊偏斜,地形內部D處出現了大面積風速小于2 m/s的靜微風區域；地形對西北風- 275°也具有一定的擋風效果,在地形內部D處的風速有所減小,在北山A的南山麓也形成明顯的風影區和很小的渦旋,但是風力削弱程度和區域均不如正北風。因此可以看出,背風面內凹,北山高陡,兩翼地形適度延長的格局有利于形成靜微風的小環境。

(2)不同的風向下,相同地形格局的風場表現不同。如圖10和圖11,陡坡地形能夠有效的遮擋北向和西北向的寒風,但對南風- 180°和東南風- 135°的氣流阻礙較小,有利于夏季通風,提高夏季的風感舒適度。因此,朝向對風場影響很大。

圖10 陡坡北風、西北風風場分布及流線圖Fig.10 Wind field distribution on deep slope (N-360°, NW-315°)

圖11 陡坡南風、東南風風場分布及流線圖Fig.11 Wind field distribution on deep slope (S-180°, SE-145°)

(3)如圖10、11和14、15對比可知,風場受地形坡度的影響；陡坡地形的擋風效果顯然優于緩坡地形,緩坡的通風效果優于陡坡地形。從緩坡模擬的圖14—17來看,同樣的地形格局,坡度低于0.3的緩坡地形基本不具備擋風功能。

圖12 陡坡立面風場分布及流線圖(北向-360 °)Fig.12 Vertical wind distribution on deep slope (N-360°)

圖13 陡坡立面風場分布及流線圖(南向-180 °)Fig.13 Vertical wind distribution on deep slope (S-180°)

圖14 緩坡北風、西北風風場分布及流線圖Fig.14 Wind field distribution on gentle slope (N-360°, NW-315°)

圖15 緩坡南風、東南風風場分布及流線圖Fig.15 Wind field distribution on gentle slope (S-180°, SE-145°)

(4)不同的地形格局中,各組成部分的地形形態對風場影響較大。北山A的北坡急、南坡緩,對于減小南坡回流漩渦和減低地形內部D處風速有一定的作用。如圖12,北山A北坡為0.7,陡坡對北風的形成了有效的阻擋,行人高度形成了靜微風。而南坡坡度為0.5,平面上形成了小的渦旋,在垂直方向上并未形成回旋氣流。地形南部E、F山為陡坡地形,南風和東南風時,山后的風影區仍然對地形內部D處產生了一定影響,如圖13；若坡度較緩,地形內部D處的風速和外來風速相近,基本不受影響,如圖17。因此地形南部E、F山圓潤、低平的形態能夠減少對南風和東南風的阻擋,有利于氣流導入。

圖16 緩坡立面風場分布及流線圖(北風-360 °)Fig.16 Vertical wind distribution on gentle slope (N-360 °)

圖17 緩坡立面風場分布及流線圖(南風-180 °)Fig.17 Vertical wind distribution on gentle slope (S-180°)

4 基于地形風場規律的風感規劃對策

4.1 地形的風感敏感區的規劃對策

風感規劃首先要識別風感敏感區。不同的地形所形成風速激增區、回流渦旋區、無固定風向強烈湍流區、氣流不流通的靜風區或氣流死循環渦旋區都是風感較差的敏感區域。總體而言,風感規劃應該避開風感敏感區,或者對風感敏感區進行風場改造,以提高風感的適應性。坡度0.5以上的山頂和山脊處,風速增大為同等高度風速的2—5倍；坡度大于0.7的地形背風坡山腳段形成回流渦旋容易使孤立的樹木或者建筑受氣流剪力而折斷,近地面行人高度處容易產生的回流激風,舒適度較差；順風向山谷、山體鞍部的所形成“狹管效應”,風速均增大為原來的數倍,影響風感舒適度。在風感規劃中應避開風速激增區,且在回流渦旋區避免規劃細、高的樹木和構筑物。

其次,地形背風面風影區風速極小,尤其是垂直于風向的山谷帶或者寬高比較小的盆地內容易出現氣流不流通的靜風區或者氣流死循環渦旋區,空氣置換能力差,這些靜風區或者風速過低區域也屬于風感敏感區。在風感規劃時應該保持避免設置能夠產生過長風影的構筑物,降低地面粗糙度。除此之外,因地形復雜變化而形成的無固定風向的湍流也影響風感舒適度,選址時也需要予以排除。

4.2 不同氣候區的風感規劃對策

除上述地形的風感敏感區域應避開外,大部分地形的風速比不大,風感敏感程度不高,應根據一定的氣候類型選址或者進行地形的營造。

南方夏熱冬暖的濕熱地區,提高風速能夠改善濕熱環境。坡度小于0.5,緩和圓潤、布局分散且順風向呈流線狀的地形能夠減少氣流阻力加強通風。北方嚴寒地區或寒冷地區,適當降低風速能夠改善風感。地形垂直于風向方向延展,并和兩翼地形形成三面圍合的“凹”缺地形,地形內部風速較低。地形背風面垂直風向截面變化率越大,風影區越大。迎風面應急,坡度盡可能大于0.7；背風面應緩,坡度應小于0.5,盡可能緩和,且能夠在背風面降低風速且減小回流渦旋。同時,為避免強風,應選址在迎風坡的山腰以下,尤其是陡坡的風速在山腰段略微減小；背風坡形成的回流渦旋的空氣置換略少,且風速增加不大,容易形成溫暖小環境。除此之外,垂直風向的前后地形的寬高比較小的盆地、山谷或者其他組合地形格局的內部能形成較小的風速。夏熱冬冷地區,冬季應利用地形擋風,相地選址、地形形態塑造和地形布局參照北方寒冷地區；夏季應保證通風,則地形處理應參照南方夏季炎熱地區。

本文僅對風感中的風速、風向進行詳細論述,而未對風感中的氣流所攜帶的氣味、顆粒物、濕度和聲源等因素進行討論,在實際應用時應綜合考慮。如現代城市霧霾嚴重,和古代城市相比制約城市風感的主要因素并非風速和溫度,而是空氣質量。城市若要獲得良好的風感,應提高整體風速以促進霧霾擴散和稀釋。盆地、谷地或者三面環山的地形產生的靜微風場,反而在一定程度上影響了通風,加劇空氣惡化。

5 結論

地形的風場規律和風感敏感區分布特征對于快速識別地形風場,并指導城市生態規劃和提升城市生態系統服務功能具有積極的意義,在無法進行計算機CFD模擬時,對風場的特點判斷和預估對于風感規劃來說尤其重要。

在城市規劃選址和內部微地形塑造時,要綜合考慮地形的坡度、形態和格局的影響,從而優化城市風場和小氣候。地形坡度是影響通風的主要因素之一,與絕對高度無關,坡度在0.5以下緩坡擋風作用較弱,尤其是坡度在0.3以下對風場影響較小；當坡度大于0.5時,隨坡度增大背風坡風影區逐漸增大,擋風效果更加明顯；坡度大于0.7時,回流渦旋逐漸變得越來越明顯。不同的山丘地形的風場,從迎風坡到背風坡風速的變化規律和坡地基本相同,山頂和山脊都會出現風速激增區域,但風速加速比不如坡地。山丘地形的風場變化與垂直于風向的地形截面變化和流線形態有關。迎風面截面變化率越大,對氣流阻滯越大；背風面截面變化越大,風速、風壓風速變化越快,風影區和回流渦旋越大,擋風效果越明顯。地形順風向流線越流暢,對風的阻滯越小,反之越大；流線方向對氣流的導向也會影響風場變化。地形格局除受到地形和坡度影響外,還受到布局影響,垂直于風向的前后地形的寬高比和地形圍合程度是影響地形風場的主要因素。前后地形垂直于風向的寬高比越小,地形的圍合度越大,地形內部風場越穩定,受到外部氣流影響越小；反之越大。

為提升城市生態系統的服務功能,優化城市風感,應避開地形中風感敏感區,即風速激增區、回流渦旋區、無固定風向的強烈湍流區、氣流不流通的靜風區和氣流死循環渦旋區等風感敏感區,并利用植被或者人工構筑物來消除敏感區或削弱這一影響。根據城市氣候類型選擇或塑造不同的地形格局,通過改善風感來適應不同的溫、濕度環境；若要加強通風則應選擇低坡度、平行風向的流線型地形和開放型地形格局,若要減小風速,應選擇或塑造垂直風向的陡坡地形和封閉性的地形格局。