理想山地城市街區內的風環境數值模擬

趙福云 黃志榮 劉寶成 瑾徐穎

湖南工業大學土木工程學院

0 前言

近年來，隨著城市化進程的不斷推進，城市中的人口和建筑物數量急劇增加。城市中密集的人口聚集和工業生產產生了大量的廢熱，導致了城市地區的溫度要遠高于其它地方，從而在城市上空區域形成“熱島效應”[1] 。熱島效應會使大量的廢熱籠罩在城市上空，從而導致極端天氣的出現，最終影響城市居民的生命健康[2]。

我國是一個國土資源十分遼闊的國家，但山地，丘陵等復雜地形居多，國內有許多城市都屬于山地城市，如重慶、貴陽和香港等。復雜的山地地形盡管對城市建設帶來的諸多困難，但其所形成的山坡風對改善城市的風環境卻帶來了很多的好處。由山坡處吹來的冷空氣不僅可以給城市進行降溫來緩解熱島效應，同時還可以帶走城市中污染物，改善城市中的空氣質量[3]。

本研究擬在大量科研工作者的基礎上，利用計算流體力學 (CFD) 的方法對理想山地城市街區內的流場、溫度場和空氣齡分布進行了模擬，通過改變山坡角度和建筑高度來探究山坡風對城市街區內通風狀況的影響。

1 數值模擬

1.1 物理模型

本文為探究山坡風對城市街區內通風狀況的影響，主要參考了 Zhiwen Luo 等[4]的模型來進行數值模擬計算，并結合具體情況，將所研究的參考模型簡化為了理想狀態下的物理模型。圖1 所示為二維理想山地城市模型，城市街區由10 個相同的建筑陣列模型組成，其中建筑高為H，建筑寬度B=30 m，建筑之間的距離W=20 m。城市街區左側與山坡的距離為30 m，山坡長度為L，高度為S，山坡角度為θ。

圖1 山地城市模型

根據山地城市模型的尺寸構建計算域模型，以山坡坡頂以上為來流風入流邊界，以距離山地城市右端150 m 處為出流邊界，整個計算域模型的尺寸為(S+100)m×(L+660)m，其中L為定值，S為可變值。環境中的山坡風以不同的山坡角度從左至右依次流經城市街區，以模擬真實的大氣環境[5]。采用 ICEM 軟件對計算域模型進行網格劃分，為提高數值模擬試驗結果的準確性，本研究采用疏密網格，在建筑物壁面和地面附近采用精細網格，遠離建筑物和地面的區域采用稀疏網格。最小網格尺寸為 0.003 m，最大網格尺寸為0.012 m，網格增長率為1.2。

1.2 數學模型

本次的數值模擬實驗假定空氣為不可壓縮的穩態等溫流體，采用雷諾時均 N-S 方程和 RNG 模型方程求解二維穩態下的溫度場[6]。所有的控制方程采用有限體積法進行離散化，為了降低數值解的震蕩獲得較精確的解，對流項和擴散項均采用采用二階迎風格式[7-8]，利用 SIMPLE 算法來迭代求解壓力 -速度耦合方程，各項收斂殘差均設置為10 -6 。

1.3 邊界條件

采用 FLUENT 軟件對計算域模型進行邊界條件設定，本次數值模擬是基于無背景風狀態下的研究，故計算 域左側采用速度為零的入流邊界（velocity-inlet），計算域上側和右側采用壓力為零的出流邊界（pressure-outlet），計算域下側，建筑表面和山坡表面均采用無滑移邊界（wall）。在地面，建筑表面和山坡表面分別設置熱流密度為0、3 0 kW/m2、3 00 kW/m2。

1.4 工況設定

本次數值模擬針對不同山坡角度和不同建筑高度的變化，共設定了6 組實驗工況，工況參數設置如表1 所示。工況1～3 為保持建筑物高度不變，通過改變山坡角度來考察山坡風對山地城市內通風狀況的影響。工況 4～6 為保持山坡角度不變，通過改變建筑高度來考察山坡風對山地城市內通風狀況的影響。

表1 不同工況的山坡角度與建筑高度

1.5 模型驗證

獨立的數值模擬實驗不能證明其結果的準確性和可靠性，需要通過與風洞試驗結果的擬合對比來進行輔助驗證[9]。圖 2 所示為山地城市街區中央峽谷的中心處沿y方向的無量綱速度U/Uref和無量綱溫度θ與Uehara 等[10]的風洞試驗結果的擬合對比。可以看出在y/H＜1 的范圍內，數值模擬的無量綱速度U/Uref與風洞試驗結果吻合較好，但在y/H＞1 的范圍內，兩者存在一定程度的偏差，數值模擬的無量綱速度U/Uref要大于風洞試驗結果，其原因是數值模型高估了U/Uref的最高點，在建筑物上空氣流動不可測所造成的偏差。無量綱溫度θ的數值模擬結果與風洞試驗結果相當吻合，本次數值模擬程序完全滿足了準確性和可靠性的要求。

圖2 模擬實驗與風洞試驗結果的對比

2 結果與討論

2.1 峽谷內的氣流形態和溫度分布

圖3 所示為全部工況的流線圖和溫度云圖。在工況1，2 和3 中的街谷內均為多渦流動，在街區前端上方則出現較大的渦流流動，這是由于建筑街區與山坡之間存在較大的熱量差別，導致山坡處的冷空氣在流經建筑街區時與街區上方的熱空氣混合從而形成大尺度的渦流流動。當山坡角度較低時，街谷內的渦流流動較弱，隨著山坡角度的增加，街區前端上方的渦流向豎直方向上增大，街區峽谷內的渦流流動明顯增強。從溫度云圖中可以看出，由于建筑的阻擋和重力作用，在第一個建筑迎風面形成了溫度較低的冷空氣堆積區，而繞過迎風建筑的冷空氣在建筑街區上空形成了一個低溫覆蓋區域。當山坡角度較低時，街區峽谷第一個建筑迎風面處的冷空氣堆積區較弱，街谷內部有較多熱量堆積。隨著山坡角度的增加，冷空氣堆積區形成的低溫覆蓋層有明顯的增多，對街谷起到了很好的降溫效果，同時山坡風在重力作用下大大增強了對街谷的沖刷作用，也帶走了街谷內大量的熱量。在工況4、5 和6 中，當建筑物高度較低時，街區峽谷內主要以順時針方向的單渦流動為主，街區前端上方同樣存在較大的渦流流動，隨著建筑物高度的增加，街區前端上空的渦流呈現逐漸減弱趨勢，而街區峽谷內則形成上大下小的多渦流結構，在街谷上側為順時針的渦流，街谷下側為逆時針的渦流。這是因為峽谷內的渦流流速較小，隨著建筑物高度的增加，氣流所受的風阻作用增大，單渦流動減弱，逐漸分化成多個渦流。當建筑高度H=50 m 時，在街谷下方的反向渦流逐漸減弱，在街谷背風側底部拐角處形成了較小的渦流。從云圖中可以看出當建筑物高度較低時，街谷內部的單渦流動很好地帶走了街谷內的熱量，街谷內部無多余熱量的堆積。但隨著建筑物高度的增加，在街谷內卻出現了大量的熱量堆積，這是由于建筑高度的增加導致了峽谷內出現了多渦流動，峽谷下方的反向渦流阻礙了街谷底部的熱量被正向渦流帶出街谷，所以街谷內存在熱量堆積。街區末端峽谷的熱量堆積明顯比街區前端嚴重同樣是由于街區上方的低溫覆蓋層減弱所造成的。

圖3 流線圖和溫度云圖

2.2 空氣齡的分析

空氣齡是表示空氣質點從進入某流場到抵達流場中某點所用的時間，也可以表示為外界清潔空氣到達指定位置所用的時間[11]，是衡量流場內換氣效果的重要指標。圖 4 所示為全部工況的空氣齡分布云圖，可以看出最大空氣齡分布大部分都出現在街區末端峽谷內，這是一方面由于山坡風到達街區末端峽谷的距離較遠，另一方面是由于街區末端上方的低溫覆蓋層要小于街區前端的，其垂直方向上的冷空氣進入街谷內要更慢。

圖4 空氣齡分布

在工況 1，2 和 3 中，當山坡角度較小時，街谷內的空氣齡相對較大。隨著山坡角度的增大，街谷內的空氣齡有明顯的減小，說明增大山坡角度，山坡風在重力的作用下更利于進入到街谷內。

在工況4、5 和6 中，當建筑高度較小時，街谷內的空氣齡都相對較小，且每個街谷內的空氣齡分布基本相同。隨建筑高度的增加，街谷內的空氣齡有不同程度的增大，同時空氣齡有明顯的區域分布，在街谷上側的空氣齡要遠小于街谷下側，這是由于高建筑街谷內的多渦流流動阻礙了外界氣流進入街谷內部。

2.3 換氣速率分析

當整個城市冠層內的氣流換熱達到平衡狀態后，城市冠層內的通風換氣主要通過頂部的開口來實現[12]，此時可通過城市冠層的換氣速率來衡量街區峽谷內的通風狀況。換氣速率是指清潔空氣替代指定空氣的頻率，總換氣速率 ACH 由時均流動引起的換氣率和湍流脈動引起的換氣率ACH'兩部分組成。

圖5 換氣速率

3 結論

本文對不同山坡角度或不同建筑物高度下的山地城市街區內的通風狀況進行了全面的模擬與分析，主要得到了以下結論：

1）山坡角度越大，山坡風在重力作用下可以更好的進入到城市街區峽谷內，能夠有效緩解街谷內的熱量堆積和改善城市街區的通風狀況。例如重慶、貴陽等山地城市的街區應規劃在一些坡度較大的山坡下游，更好的利用山坡風將更多的冷空氣引入到建筑街區來改善熱島效應，提高城市空氣質量。

2）建筑高度越高，建筑對山坡風的阻擋作用增強，同時多渦流流動減緩了街谷內的空氣交換，導致街谷內的溫度呈現上升趨勢，通風換氣速率逐漸減小。當建筑高度達到50 m 后，街谷內出現大量的熱量堆積，通風狀況較差。

3）街區迎風面處的冷空氣堆積區有助于改善局部范圍內的通風狀況，加速了街區前端峽谷內的通風換氣速率，使得街區前端峽谷內的通風狀況始終要優于街區末端峽谷。