山东师大新校区综合教学楼风环境模拟研究

摘要：基于fluent计算流体力学平台，采用standard k-ε模型simple算法对山东师大新校区综合教学楼周围的风环境进行了数值模拟，结果表明：当计算域尺度从15h×10h×6h调整到15w×10d×6h（其中w为建筑物长度，d为建筑物宽度，h为建筑物高度）时，计算精度明显提高。另外当入流风方向为西北风，来流风速为1.6m时，距建筑物上风向200m位置受建筑物影响西北风变为北风，在教学楼区域形成多湍窝及高风区的复杂风场，在距建筑物下风向500～600m位置，建筑物对风的影响基本消除。

关键词：小区风场；数值模拟；计算流体力学；建筑绕流

中图分类号：P461.1文献标识码：A文章编号：16749944（2013）02017703

1引言

随着社会、经济的高速发展，城市的规模日益扩大，城市中高大建筑的数量和高度也与日俱增，这些建筑显著改变了城市的风环境。一方面高大密集的建筑群，降低了城市的通风、自净能力，加剧了在低风速条件下城市的空气污染和热岛效应；而另一方面在风速较大时，高大建筑周围会产生局地强风，影响到行人的舒适与安全，引出行人风环境（Pedestrian Level Wind Environment）问题＼[1，2＼]。对于建筑物周围风场情况的获取通常来自三种方法：现场监测、物理风洞模拟和利用计算机进行数值模拟＼[3＼]。现场监测费时费力，物理风洞花费较高而且我国目前物理风洞实验室较少，而随着计算机技术的不断发展，通过数值模拟了解建筑物周围风场成为趋势。

山东师大新校区综合教学楼是新校区的主要教学楼，教学楼风环境跟同学们的日常学习和生活息息相关。建筑主体分为A、B、C、D、E5个区，每个区域通过3层以上的走廊连接，相互连通。教学区为5层建筑，楼高约20m。教学楼处于校园西北部，四周宽阔，周围无明显遮挡物，因此运用数值模拟的方法研究建筑物局地风环境有良好的适用性（图1）。

图1教学区楼体示意（东北视角）2模拟方案

建筑物周围风场的数值模拟是将建筑物致于流动的风场中，以流动风的质量守恒方程、动量守恒方程、湍流输运方程作为控制方程，采用离散化的数值方法获得风场中离散风压的解，可以确定出风场内建筑物表面的风压力值，同时获得流畅中其他相关的物理量状态值。本文以fluent软件包为平台，对综合教学楼周围风流场进行数值模拟。

2.1物理建模

教学楼本身体型不规则，四周较开阔，无明显遮挡物。在CAD中按照建筑物原尺寸建立三维物理模型，避免尺寸效应可能对结果产生的影响，并将CAD中的物理模型导入到fluent6.2的前处理模块gambit中。

2.2确定计算域

位于大气边界层中的建筑物，当风对其绕流时，处于一个完全开口的流动风场中，但风对建筑物作用的影响有一定的范围，在数值模拟时可以给定有限的三维计算区域，并确定计算区域各边界的边界条件，以模拟实际的流动风场。计算流域的确定需要考虑到计算量，计算流域越大，网格越多，计算耗时越长，对计算机的配置要求越高。然而计算区域过小则会导致模拟失真。本文方案一入口距建筑物4～5h（h为建筑物高度）的长度，出口距建筑物9～10h，侧面及顶面距建筑物5h的方案确定计算区域，总范围为450m×280m×120m；方案二入口距建筑物5w（w为建筑物长度），出口距建筑物10w；侧面距建筑物5d（d为建筑物宽度），顶面距建筑物5h确定为计算域，总范围为2400m×880m×120m。

2.3网格划分

为了避免计算时计算机出现内存不足的错误，将整个计算区域划分为4个区域，分别进行网格划分。网格的类型和数量对计算结果的准确性有很大的影响，非结构网格具有良好的灵活性和适应性，易于网格的自适应，因为建筑物的体型不规则，因此采用非结构网格对其周围流域进行网格划分。方案一得到网格总数1658929，EquiAngle Skew小于0.83，Aspect Radio为3.4∶1小于5∶1，网格质量良好以交付fluent计算；方案二得到网格总数2285771，EquiAngle Skew小于0.82，Aspect Radio为3.9∶1小于5∶1，网格质量良好可以交付fluent计算。

2.4边界条件的选取

计算流域的入口边界条件采用velocity-inlet（速度入口边界条件），入口速度1.6m/s，入流风向为西北风；出口采用outflow（完全发展出流边界条件），计算域侧面采用symmetry（对称边界层，定义靠近壁面速度为0），建筑物表面及地面故采用无滑移壁面条件，即壁面处流体速度为0。

2.5湍流模型的选择

k-ε湍流模型是应用最为广泛的湍流模型，standardk-ε湍流模型采用布西内斯克涡湍粘度假定，由Lauder和Spalding在1972年提出的。目前国内外很多学者成功地运用标准k-ε两方程模型模拟建筑风场，并取得了满意的结果＼[4，5＼]。

2.6求解参数的设置

数值模拟依据的控制方程是连续方程（质量守恒方程）和N-S方程（动量守恒方程），不考虑热交换，所以屏蔽能量方程。流体介质为空气具有不可压缩行，密度为常数，材料参数使用默认缺省值。

2013年2月绿色科技第2期

石小倩，等：山东师大新校区综合教学楼风环境模拟研究环境与安全

3模拟结果与分析

将不同模拟方案的模拟结果与2011年春季在教学楼附近的风场监测实验数据对比分析，发现模拟的点位风速变化趋势基本一致，而方案二的模拟精度要高于方案一。用spss分析软件分别对方案一及方案二模拟数据与实测数据进行配对T检验，置信区间为95%，结果方案一与实测数据P值为0.013小于0.05，方案二与实测数据P值为0.092大于0.05，所以说明方案一模拟数据与实测数据差异性显著，方案二模拟数据与实测数据差异性不显著（图2）。

图2不同点位模拟风速与实测风速对比图3教学楼区域2m高风场模拟教学区2m高风场模拟结果见图3（为了图片清晰，截取建筑物周围局部）。从图3中可以看出，风对教学楼绕流，形成复杂风场。在上风向距建筑物约200m的位置，风向由西北风转变为北风，在下风向500～600m位置，教学楼对风的影响基本消除。在A区西侧，由于来流风和A区南侧的通道由东向西的大风，形成逆时针和顺时针两个湍窝，风向较为复杂但风速都较小。在E区的东南角（建筑物尾部），因风场突然开阔形成大风，而且风向由北向西变化，并在E、D区南侧形成一个大的涡流，导致在C区西部风向变为南风或者西南风。受E区南部湍窝的影响，在D区与C区之间的通道与C区和A区之间的通道风向相反，变为由西向东。教学楼东侧的大风由C区广场进，在C2区南部形成顺时针漩涡，容易导致污染物的聚集。在C区广场，由于B区东侧和B、C区之间的通道的大风相互作用，在B区南侧形成一个大的顺时针漩涡和一个小的逆时针漩涡，形成复杂风场。

总之在教学楼C区广场及E、D区南侧分布着范围不同的空腔区和小风区，不利于通风，会导致污染物的聚集；在A区迎风尖角部分、C区B区之间的通道以及B区的东北角均会形成局部的高风区；这与杨德江＼[6＼]等人研究结果一致。基于1980 年Visser 关于室外热舒适的研究结果，建筑物周围行人区1.5 m 处风速v<5 m/s 是不影响人们的正常室外活动的基本要求＼[7＼]，若遇到大风天气，在教学楼尖角极易形成风速大于5m/s的局部大风区域，给人的生活带来不便，更甚至吹落墙砖，造成事故。

4结语

（1）对于大跨度外形建筑物，建筑物长、宽大于建筑物高度，不能单纯的将计算域尺度按照高度来确定（15h×10h×6h），要按照长度宽度的尺度来调整计算域（15w×10d×6h，其中w为建筑物长度，d为建筑物宽度，h为建筑物高度），调整之后计算精度明显提高。

（2）当入流风方向为西北风，来流风向为1.6m时，风向在上风向距教学楼200m位置处又西北风变为北风，在教学楼区域风向、风速均发生变化，形成复杂风场，在C区广场前面形成空腔区，而在迎风面的建筑物尖叫部分会形成局部大风区，在下风向距教学楼约500～600m的位置，教学楼对风的影响基本消除。

参考文献：

[1]Isyumov N. A Study of the pedestrian level Winds for the Canary Wharf Project＼[R＼]. London： Engineering Science Research Report， BLWT-SS16， 1986.

[2]Bottema M. A method for optimization of wind discomfort criteria＼[J＼]. Build Environ， 2000（35）：1～18.

[3]黄莹.基于fluent软件的建筑物风场数值模拟＼[D＼].武汉：华中科技大学，2005.

[4]Jiang Xinbo， Liu Zehua， Liu Yuanquan.Air environment in a laboratory animal room under different pressure differentials＼[C＼]//The Fifth InternationalWorkshop on Energy and Environment of Residential Buildings， Guilin， China Environment Science Press，2009.

收稿日期：20130109

作者简介：汪洲琼（1984—），女，四川巴中人，主要从事农产品质量安全工作。

[5]Jiang Xinbo， Liu Zehua， Harunori Yoshida，et al. Pressure differential analysis of a laboratory animal room＼[C＼]//Maximizing Building Energy Efficiency and Comfort （Part 2），Shenzhen， China Architecture & Building Press，2006.[6]杨德江， 荆平.小区规划方案的大气流场模拟及环境影响分析＼[J＼].环境科学与技术，2008，31（9）：147～150.

[7]住房和城乡建设部.GB/T 50378-2006绿色建筑评价标准＼[S＼].北京：住房和城乡建设部，2006.