熱壓作用下街區峽谷內通風模擬

趙福云 劉寶 成瑾 黃志榮 文雅冰 唐宇飛

湖南工業大學土木工程學院

據聯合國環境規劃署統計，在全球范圍內，每年室外空氣污染可導致420 萬人過早死亡，暴露于受污染的空氣幾乎無法逃脫，據世界衛生組織統計，十分之九的人呼吸的空氣超過了安全限制，城市空氣質量問題不容忽視。在晴朗無風的天氣，往往會形成城市熱島的存在，此時，由于缺乏來流風的影響，城市表面形成的熱浮升力成為清除城市內熱和污染物的主要動力。Yifan Fan[1]研究了浮力驅動下的城市大氣環流，表明從周邊農村地區的低水平空氣可以改善城市通風并降低城市污染物濃度。Lina Yang[2]測量了無風狀態下香港地區山坡與城市建筑之間因為熱對流引起的通風，發現由建筑產生的熱浮升力在城市通風潛力中尤為重要。以往的城市通風文獻中，幾個因素被確認為在城市街道通風中影響很大，其中街道縱橫比是已被證明的最重要的因素之一，特別是在二維街道峽谷中，不同的街道縱橫比將流場分成了四個不同的區域[3-5]。其他的影響因素還包括城市填充密度[6]，建筑形態[7]等。但是此類文獻大多數是在有風的情況下進行的，單純就熱壓情況下對城市街區研究很少，本文以熱壓為基礎，研究了不同建筑群大小及不同高寬比因素對街區通風的情況。

1 三維街區CFD 模型

1.1 物理模型

本次研究的對象是街區建筑之間的通風情況，考慮到現實中建筑圍護結構較為復雜，并且對研究對象影響較小，于是將街區中的建筑簡化成長寬高均為H，街道寬度為W，街道縱橫比為H/W，如圖1 所示，本次研究的街區建筑數量為M2，M取值為2 到6，對于計算域的設定，Gan G[8]比較了原本物理尺寸的計算域和擴展后的計算域得出的結果，發現自然通風通風率和壁面傳熱系數有很大的區別，計算域擴展后的計算結果更貼近實驗的結果，本文模擬也選取擴展計算域的方法，其中L=22H。對于邊界條件設定，頂部選取symmetry 條件，側邊選取pressure-outlet 條件，建筑群和街道采取恒溫且與周圍空氣溫度相差10 K。

圖1 CFD 模型及計算域

1.2 網格及模型驗證

利用ICEM 軟件進行三維網格劃分，為了減少誤差采用結構化網格，并對建筑壁面及街道地面進行網格加密，第一層網格設為0.05，網格膨脹因子為1.2，保證了30≤Y+≤150。為了驗證本模型的正確性，本文采取對照實驗的方式選取了Pham[9]等人利用三維粒子測量技術測量熱羽流的實驗數據進行對比，結果如圖2 所示，對照數據采集的是熱源上方豎直方向速度與最大速度之比，可以看出，數據吻合較好。本文比較感興趣的是街區峽谷內空氣質量，所以選擇在街區內進行增加/減少網格進行網格獨立性驗證，取街區內節點數為30×30 為基礎網格，并增加1.5 倍、減少1.5 倍制定fine、coarse 兩種網格密度，取街區中心位置Z 方向速度進行比較，如圖3 所示，在z 方向上，basic 網格與fine 網格產生的速度變化已不大，即basic 網格已基本滿足要求。

圖2 模型驗證

圖3 網格獨立性驗證

1.3 求解步驟

數值仿真采用Anasys 19.0 中的fluent 作為求解器，利用壓力基求解器求解連續性方程，動量及能量方程。本模型的Gr 大于2×1010已經處于湍流狀態，RNGk-e模型對于湍流處理精度較高且提高了湍流漩渦的可信度，故選用此模型對模型進行求解。采用coupled算法進行迭代計算求解，能量殘差收斂標準設為10-6，其他的殘差變量均設為10-3。

2 結果分析

2.1 單個街區內溫度及速度分析

本次結果取M=5 時的街區進行分析，建筑模型邊長H設為30 m，街道寬度W設為30 米，街道縱橫比為1。為便于數據對比，對溫度和速度進行了無量綱化處理，過程如下：

式中：Tm是平均無量綱溫度，Tc是環境溫度，Tw是建筑表面溫度。

式中：Um是平均無量綱速度，u，v，w分別是速度沿X，Y，Z 軸方向的速度分量，Vmax取街區峽谷冠層平面速度最大值。

如圖4 所示為所有街區峽谷的平均無量綱溫度和平均無量綱速度分布，從圖4a 可以看出建筑壁面熱流對峽谷內的空氣溫度有明顯的影響，從建筑群邊緣往中心的方向上，溫度在不斷增加，說明收斂流對建筑邊緣街區峽谷內降溫較為明顯，但是在中心位置確是會抑制熱量的散發，建筑群中心街區峽谷出現了較大的溫升。相較于溫度變化，平均無量綱速度變化則較為平緩，整體上是朝著街區邊緣峽谷逐漸減少的趨勢（圖4b）。

圖4 單個街區峽谷內平均無量綱溫度與速度

2.2 不同街區的溫度及速度分析

本部分主要研究的不同街區大小對街區峽谷內的溫度及速度的影響，街區大小M的變化范圍是2 到6。圖5 給出了不同街區行人層（Z=2 m）無量綱溫度分布，云圖中的溫度分布表明了隨著街區的增大，街區中心峽谷內溫升越來越明顯，而街區邊緣峽谷內溫升較小，主要原因是收斂流產生的降溫效果且隨著建筑群的增大降溫效果更加明顯。從圖6a（圖中右上角標注區域為所選街區峽谷）中可以看出，隨著街區的增大，總體的平均無量綱溫度隨之增加，且街區邊緣峽谷內溫升較小，在街區中心峽谷內溫升較大，最大處溫升達到0.65 ℃。平均無量綱速度整體趨勢也是隨著街區的增大而變大，從街區邊緣往中心的方向上，平均無量綱速度不斷增加，在街區中心峽谷內卻出現了減小的情況。造成此種結果的原因是由于壓差使周圍的收斂流空氣不斷加速，故氣流速度不斷增大，但是在街區中心峽谷內方向相反的兩股氣流會出現抑制作用（圖6b）。

圖5 不同街區行人層無量綱溫度分布

圖6 不同街區峽谷內平均無量綱溫度與速度

2.3 不同街道縱橫比下的溫度及速度分析

為了模擬案例具有對比性，本部分模型保持街道寬度W=30 m 不變，通過改變建筑高度H（分別取0.5H、1.0H、1.5H、2.0H）來探究不同街道縱橫比對街區峽谷內的平均無量綱溫度及速度的影響。如圖7a 所示，在溫度分布上，隨著街道縱橫比的增加，平均無量綱溫度也隨之增加，街區邊緣峽谷內溫差變化很小，街區中心峽谷內溫差變化較大，最大處約為0.7 ℃，相較于上一部分增加建筑群數量來講，增大街道縱橫比會讓街區中心峽谷內的溫升趨勢變化更加明顯。在速度分布上，平均無量綱速度整體上隨著街道縱橫比的增大而增加。（圖7b）。

圖7 不同街道縱橫比街區峽谷內平均無量綱溫度與速度

3 街區峽谷通風質量評價

3.1 三維街區峽谷換氣率定義

本文評估的街區通風質量的指標是街區通風面上的空氣交換率（ACH）[10]，空氣交換率的概念表示在街區峽谷的通風面上每單位時間的體積空氣交換，通過分析不同通風面的空氣交換率以評估街區峽谷內的空氣品質。與二維街區通風只能依靠街區頂部開口不同，三維街區多出了側邊通風面，為了研究其中具體的規律，相應的通風面定義如下[11]（圖8）：

圖8 計算域和一個子組

1）建筑之間的部分稱為建筑峽谷Building Canyon（BC），中間十字街道的部分稱為街道峽谷Street Canyon（SC）。

2）建筑峽谷部分側邊通風面分別為V-N 和V-S，頂部通風面為H-BC。

關于建筑峽谷的換氣率可以考慮為頂部通風面空氣交換率加上側邊通風面空氣交換率之和，表達式如下所示：

通風面上的空氣交換率可分為兩部分，分別是平均風引起的換氣率為與湍流脈動速度引起的換氣率ACH'，其中頂部通風面的由平均風導致的換氣率計算式如下：

由湍流脈動導致的換氣率計算式如下：

式中：k是湍流動能，vt是湍流運動粘度。

頂部通風面的換氣率則為：

三維街區峽谷側邊通風換氣率與頂部通風面換氣率計算過程類似。

3.2 三維街區峽谷內換氣率討論

本部分主要從兩個方面進行展開，一方面討論了單個街區中頂部面和側面空氣交換率的規律，另一方面討論了不同街區大小及不同街道縱橫比下街區峽谷內的通風狀況。為了便于比較，引進一個參考流量通量Qref=Uref×A，其中Uref取建筑高度的最大速度，A是通風面的面積，通過歸一化處理，則可以得到一個新的ACH*=ACH/Qref。

如圖9 所示，由于整個街區是對稱的，所以選擇圖中標注區域部分進行研究，主要探討街區中心到邊緣部分換氣率的影響。從圖10 可以看出，街區峽谷頂部通風面上由于湍流脈動引起的換氣率相較于平均流引起的換氣率普遍較小，而且在街區中心部分差距愈加明顯，主要是因為熱壓作用下，中心熱量較大，造成了由街區周圍向中心的收斂流，最后從街區中心峽谷頂部通風面流向上空。從街區邊緣朝中心的方向上，無論是湍流脈動或者是平均流引起的換氣率都有增大的趨勢且街區中心位置上平均流引起的換氣率變化較為明顯。圖11 主要是研究側邊通風面換氣率的變化規律，主要可以將街區峽谷分為兩個部分，分別是建筑峽谷（BC）和街道峽谷（SC），可以看出不管是湍流脈動或是平均流引起的換氣率，街道峽谷（SC）的總是要比建筑峽谷（BC）的要高，主要原因是街道峽谷相較于建筑峽谷多出了兩個通風面。另外由平均流引起的換氣率在街區邊緣峽谷內較高，而在街區中心區域較低，而由湍流脈動引起的換氣率則展現相反的趨勢。

圖9 街區峽谷示意圖

圖10 街區峽谷頂部換氣率隨街區峽谷位置的變化規律

圖11 街區峽谷側邊換氣率隨街區峽谷位置的變化規律

整體來看，不管是街區峽谷頂部通風面還是側邊通風面，由湍流脈動引起的換氣率總是低于平均流，并且在街區邊緣峽谷內，側邊通風面的換氣率占主導，而在街區中心峽谷內則是頂部通風面換氣率占主導。在街區邊緣峽谷朝中心峽谷的方向山，總體的換氣率不斷降低，即中心街區峽谷內空氣質量比較差。

對于不同街區大小和不同街道縱橫比情況下的換氣率研究，本部分取街區中心位置換氣率進行計算。圖12a 展示了不同建筑群情況下的換氣率，隨著街區不斷增大，換氣率也隨之增加，在街區內建筑達到M=4 后，換氣率變化逐漸趨于平緩。圖12b 展示了不同街道縱橫比下街區峽谷換氣率變化，隨著街道縱橫比的增大，換氣率隨之變大，但是其變化率隨著街道縱橫比增大逐漸趨于平緩。可以看出不管是增加建筑群數量還是增加街道縱橫比，都可以改善街區峽谷內空氣質量的效果，但是其改善效果隨著建筑群數量或街道縱橫比的增加變得越來越差。

圖12 街區中心位置峽谷內換氣率的變化規律

4 結論

1）不管是單個建筑群還是不同建筑群，其中心位置峽谷內的溫升較為明顯，邊緣溫升無明顯變化，說明由于壓差驅動的收斂流對建筑群邊緣降溫較為明顯，但是在街區中心峽谷部分卻是對熱擴散起到了抑制的作用。并且隨著建筑群的不斷增大或是街道縱橫比的增加，其中心街區峽谷溫升也是越來越高，最大可達到0.7 ℃。對于建筑群內的速度分布，主要是從邊緣部分到中心的部分不斷增大，但是在中心峽谷內卻又開始減小。隨著建筑群的不斷增多或街道縱橫比的增加，其整體平均無量綱速度也是在不斷變大。

2）本文評價街區峽谷內通風質量的參數是換氣率。首先分析單個建筑群的情況，整體上街區峽谷內的通風情況依靠的是平均流驅動的通風，并且街區中心峽谷換氣率主要是由頂部通風面占主導，而街區邊緣部分峽谷換氣率主要是由側邊通風面占主導，而且在街區邊緣朝中心的方向上，總的換氣率是不斷降低的，這也說明了街區中心位置空氣質量較差。其次是在不同建筑群或不同街道縱橫比的情況下，隨著建筑群的不斷增多或是街道縱橫比逐漸增大，可以改善街區峽谷通風質量，但是其改善效果卻是越來越差。