嚴寒地區(qū)住宅小區(qū)室外風場的數(shù)值模擬分析

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摘要： 室外氣流運動與建筑群規(guī)劃的“和諧”設計，成為建筑系統(tǒng)節(jié)能和可持續(xù)的生態(tài)建筑的重要 方法 之一。利用數(shù)值模擬的方法，可以得出住宅小區(qū)的室外的速度場、溫度場及污染物分布的詳細情況，對改善人居內(nèi)外環(huán)境意義深遠。本文針對嚴寒地區(qū)住宅小區(qū)，綜合 分析 室外風環(huán)境的 影響 因素，建立了室外風環(huán)境的物理和數(shù)學模型， 應用 專業(yè)CFD軟件FLUENT對此特定的流動物理 問題 ，采用適合于它的數(shù)值解法，得到三維速度場和壓力場，在 計算 速度，穩(wěn)定性和精度等各方面達到最佳。 研究 表明，使用數(shù)值模擬方法對住宅小區(qū)的風環(huán)境進行評價和探討，不僅對利用建筑布局改善室外環(huán)境有顯著的作用，而且在組織良好的室內(nèi)通風方面也具有一定意義。 關鍵詞： 住宅小區(qū) 風場 數(shù)值模擬 FLUENT1 引言 隨著我國嚴寒地區(qū)低能耗住宅建筑的 發(fā)展 ，住宅室內(nèi)通風換氣問題已不容忽視。一般情況下，室內(nèi) 自然 通風的形成，既有熱壓通風的因素，也有風壓通風的原因，從自然通風改善室內(nèi)空氣品質(zhì)角度來看，風壓通風對室內(nèi)氣候條件的效果比較顯著，故應首先考慮如何組織建筑物室外的風壓通風來改善室內(nèi)熱環(huán)境。2 室外風場的物理模型和CFD數(shù)值模擬 2.1 物理模型 哈爾濱市位于嚴寒地區(qū)，冬季持續(xù)時間長，且室內(nèi)空氣質(zhì)量與室外環(huán)境相差較大，故節(jié)能住宅建筑的通風關鍵在冬季，本文以哈爾濱地區(qū)氣象參數(shù)中冬季的主導風向和風速為依據(jù)，以哈爾濱市泰海小區(qū)44號樓及其周圍4棟建筑物作為室外風場模擬對象，分析住宅小區(qū)室外風場的氣流流動情況。模擬建筑物及其周圍四棟樓均為高度為22 m 的建筑物，如圖1，圖中相應地給出各建筑物在泰海小區(qū)中的位置及其建筑物布局。為建立數(shù)學模型，對物理模型作以下假設和簡化：（1）建筑物外氣流分布取決于來風風速以及風向，建筑尺寸及形狀，以及建筑物開口大小和位置。若開口尺寸小于建筑物立面面積的1/6，三棟建筑可簡化為混凝土塊。（2）室外氣流為風速梯度分布的低速流范圍，據(jù)Boussinesq假設，空氣一般為粘性不可壓縮流體。一次簡化為穩(wěn)態(tài)的紊流氣流流動，考慮到計算機的硬件設備(RAM256M，CPUPⅣ2.4GHz)有限，僅分析最大風速的穩(wěn)態(tài)紊流情況。2.2 CFD數(shù)值模擬 FLUENT軟件設計基于“CFD計算機軟件群的概念”，針對每一種流動的物理問題的特點，采用適合于它的數(shù)值解法，從而高效率的解決各個領域的復雜流動的計算問題。FLUENT中提供了下列可供選取的湍流模型：Spalart-Allmaras模型、標準 k-ε 模型、RNG（重組化群） k-  ε 模型、可實現(xiàn) k-  ε 模型、雷諾應力模型（RSM）和大渦模擬模型（LES）。湍流模型選取取決于諸多因素，如流動物理機理、特定類型問題以往的經(jīng)驗、精度級別的要求、現(xiàn)有的計算機資源和模擬所用時間等。對于住宅小區(qū)這樣具有較大的建筑物尺寸和較高的風速的特定條件，室外流動的Re從50.000到100.000變化，為完全發(fā)展流動，因此，采用標準 k-  ε 湍流模型。參見前人對計算模擬區(qū)域的經(jīng)驗設定，室外流動模型模擬區(qū)域如下：當所著重模擬的建筑物外表尺寸為1時，模擬區(qū)域為上風側為建筑物長度的3倍，下風側為建筑物長度的12倍，兩側寬度為建筑物的3倍，高度為建筑物高度的4倍。幾何建模和網(wǎng)格劃分采用FLUENT的前置處理器－GAMBIT。建筑物室外風場的來流為哈爾濱地區(qū)冬季主導風：風向西南，平均風速為按10米高處風速3.8   計算的沿高度遞增的梯度風速。上空面、地面及建筑物表面按光滑壁面設定。方程求解中壓力與速度的耦合采用壓力耦合的半隱方法（SIMPLE），除壓力采用二階迎風格式進行離散外，其他如動量、紊流脈動動能和紊流脈動動能耗散率均采用一階迎風格式進行離散。

  圖1 哈爾濱泰海小區(qū)44號樓及其周圍4棟建筑物平面圖3 結果分析與討論 3.1 室外風速矢量場分析 為了研究建筑物周圍不同朝向不同高度處的室外氣流流動情況，分別計算了位于44號樓中的兩個算例：（1）平面高度5.94m（以地面為基準的送風高度）；（2）平面高度19.94m。由圖2中的速度矢量分布來看，在西南風向的影響下，建筑物群的西南向建筑物處于迎風側，而東北向建筑處于背風側。在建筑物群外側的西北角和東南角以及建筑物群的入口處，速度梯度達到最大值；并在建筑物群背風側的西北角和東南角產(chǎn)生背風渦流區(qū)。建筑物群外側，速度沿南向建筑物的變化 規(guī)律 為：由西向東逐漸增大，在建筑物的拐角處達到最大值；速度沿西向建筑變化規(guī)律為：由南向北逐漸增大，在建筑物的拐角處達到最大值。沿西南向建筑物的速度絕對值較大，速度方向變化不大。在建筑物群外側，速度沿北向建筑物的變化規(guī)律為：40號樓側，速度由西向東速度先變小后變大，在建筑物拐角處均達到最大值，速度方向發(fā)生180°變化；42號樓側，速度大小始終由西向東增大，且速度大小和方向變化較平緩。速度沿東向建筑物的變化為：由北向南速度大小稍有增加，速度方向基本不變。   算例1：平面高度5.94m　 算例2：平面高度19.94m   圖2 44號樓及其周圍4棟建筑物室外風場速度矢量圖及等動壓線圖   注：圖中網(wǎng)格為■的位置分別是44號樓3單元202、702戶南、北向房間位置。在建筑群內(nèi)，速度大小變化較小，但方向沿圍護結構變化很大。因此，在左右兩個馬蹄形建筑群內(nèi)形成了兩個強度相似，但旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦。由此可見，在建筑物群外側拐角等銳緣處，來流的速度大小和方向都發(fā)生劇烈變化，且在建筑物群背風側形成的渦流區(qū)內(nèi)，速度梯度大，風向不穩(wěn)定。在建筑物群內(nèi)，易形成強度較小的旋渦區(qū)。3.2 室外風場沿建筑物表面風壓 分析  建筑物處于大氣流場中，由于建筑物形狀和空氣粘性等因素的 影響 ，使氣流速度在建筑物的前后發(fā)生變化而引起壓強的變化。當風吹響建筑物正面時，因受到建筑物表面的阻擋而在迎風面上產(chǎn)生正壓區(qū)，氣流再向上偏轉(zhuǎn)同時繞過建筑物各側面及背面，在這些面上產(chǎn)生負壓區(qū)。因此，當建筑物圍護結構存在開口時，由于壓差作用，室內(nèi)就會形成 自然 通風。建筑物周圍的壓力分布通常由無因次風壓系數(shù)描述，及建筑物外表面某點的風壓與建筑物同高度出來流風壓之比。在對44號樓三單元不同平面高度的風壓系數(shù)及風壓值的 計算 結果中，如表1所示。建筑物迎風面的風壓系數(shù)及風壓均隨著建筑物高度的增加而增加，且風壓從1.6   變化到17.77   增幅較大；而建筑物背風面則處于很弱的負壓作用下，風壓系數(shù)及風壓均相對較小，風壓作用很弱。對于西向建筑物，由于其同樣具有迎風面與背風面風壓差大，風壓系數(shù)變化明顯的特征，因此，風壓系數(shù)及風壓變化 規(guī)律 同上。由此，對于處于建筑物群迎風側的建筑物，沿建筑物垂直方向上的風壓系數(shù)和風壓值具有風壓差大，風壓系數(shù)變化明顯的特點，因而建筑物高處的通風效果較好。而沿建筑物水平方向上，盡管存在相對不同的風壓系數(shù)和風壓值，但變化規(guī)律由對速度場的分析可知，亦存在一定變化規(guī)律，即：通風方向均為由建筑物群外側到建筑物群內(nèi)側，且通風效果強。對于建筑物群背風側的東向和北向建筑物，結合速度矢量分布和風壓分布，采取對個別點的采樣分析計算可知：由于建筑物兩側速度絕對值小，方向變化復雜，風壓系數(shù)和風壓沿水平和垂直方向變化均不大，因此，背風面的東北向建筑物具有通風強度較弱，通風方向復雜，規(guī)律性不明顯等特點。表1 44號樓不同平面高度的風壓系數(shù)及風壓值 44號樓 房間朝向 通風器高度Z(m) 高度Z處梯度風風速V(Z)(m/s) 模擬風速(m/s) 動壓P(X,Y,Z))(pa) 靜壓P   (Z)(pa) 風壓系數(shù)Cp(X,Y,Z)  3單元102 南向 2.84 2.3 1.65 1.83 0.23 0.45  北向 2.84 2.3 -0.35 0.08 0.23 -0.05  3單元202 南向 5.94 3.09 2.44 3.99 0.4 0.55  北向 5.94 3.09 -0.47 0.15 0.4 -0.05  3單元302 南向 8.74 3.6 2.84 5.41 0.61 0.55  北向 8.74 3.6 -0.55 0.2 0.61 -0.05  3單元402 南向 11.54 4.02 3.18 6.79 0.79 0.55  北向 11.54 4.02 -0.91 0.56 0.79 -0.02  3單元502 南向 14.34 4.39 3.78 9.59 0.95 0.79  北向 14.34 4.39 -1 0.67 0.95 -0.02  3單元602 南向 17.14 4.71 5.06 17.18 1.1 1.08  北向 17.14 4.71 -1.07 0.71 1.1 -0.02  3單元702 南向 19.94 4.95 5.32 18.99 1.22 1.08  北向 19.94 4.95 -1.13 0.86 1.22 -0.02     綜上所述，哈爾濱泰海小區(qū)44號樓及其周圍4棟建筑物，在冬季為西南向主導風的作用下，即：風向投射線與建筑圍護結構法線的交角－風向投射角為45°，綜合考慮風場和渦流區(qū)的關系，認為投射角較恰當，建筑物間距（33.66 m ≈1.5H）適宜。建筑物群迎風側的建筑物通風作用明顯，通風方向穩(wěn)定，且應根據(jù)以上分析合理地布置建筑物周圍環(huán)境，改變建筑物周圍的氣流流場，創(chuàng)造良好的建筑物室內(nèi)外通風環(huán)境。對于建筑物群背風側的建筑物，也應通過數(shù)值模擬計算分析， 研究 前棟建筑物的阻擋狀況以及周圍建筑物，尋找特定環(huán)境下的通風特點，采取不同的 方法 和措施，使建筑物室內(nèi)外獲得良好的自然通風環(huán)境。4  總結  對于受多種因素和條件影響的住宅小區(qū)室外環(huán)境，以及 應用 廣泛、功能強大的FLUENT軟件，本文僅分析和應用了一小部分 內(nèi)容 ，隨著計算機技術的 發(fā)展 ，綜合考慮室外太陽輻射、建筑周圍綠化等因素將成為生態(tài)建筑環(huán)境數(shù)值研究的一個新方向，而大渦模擬、直接模擬也將會應用的越來越多，使數(shù)值模擬技術在實際工程應用中發(fā)揮重要作用。5  參考  文獻  1． Yi Jiang, Qingyan Chen. Effect of fluctuating wind direction on cross natural ventilation in buildings from large eddy simulation. Building and Environment 37(2002)379-386.2. James W.Axley, Steven J Emmerich, George N.Walton. Modeling the Performance of a Naturally Ventilated Commercial Building with a Multizone Coupled  The rmal/Airflow Simulation Tool. ASHRAE 2002 HI-02-21-43. Samir S.Ayad. Computational study of nature ventilation. Journal of engineering industrial aerodynamics 82(1999)49-684. 孫一堅主編. 簡明通風設計手冊.  中國 建筑 工業(yè) 出版社 2000.25. 趙福云,湯廣發(fā),周安偉.住宅小區(qū)熱環(huán)境數(shù)值分析－風環(huán)境的數(shù)值模擬.全國暖通空調(diào)制冷2002年學術年會論文集（下冊）2002.