山東師大新校區(qū)綜合教學樓風環(huán)境模擬研究

山東師大新校區(qū)綜合教學樓風環(huán)境模擬研究摘要：基于fluent計算流體力學平臺，采用standardk-模型simple算法對山東師大新校區(qū)綜合教學樓周圍的風環(huán)境進行了數(shù)值模擬，結果表明：當計算域尺度從15h10h6h調(diào)整到15w10d6h（其中w為建筑物長度，d為建筑物寬度，h為建筑物高度）時，計算精度明顯提高。另外當入流風方向為西北風，來流風速為1.6m時，距建筑物上風向200m位置受建筑物影響西北風變?yōu)楸憋L，在教學樓區(qū)域形成多湍窩及高風區(qū)的復雜風場，在距建筑物下風向500600m位置，建筑物對風的影響基本消除。關鍵詞：小區(qū)風場；數(shù)值模擬；計算流體力學；建筑繞流中圖分類號：P461.1文獻標識碼：A文章編號：16749944（2013）020177031引言隨著社會、經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市的規(guī)模日益擴大，城市中高大建筑的數(shù)量和高度也與日俱增，這些建筑顯著改變了城市的風環(huán)境。一方面高大密集的建筑群，降低了城市的通風、自凈能力，加劇了在低風速條件下城市的空氣污染和熱島效應；而另一方面在風速較大時，高大建筑周圍會產(chǎn)生局地強風，影響到行人的舒適與安全，引出行人風環(huán)境（PedestrianLevelWindEnvironment）問題1，2。對于建筑物周圍風場情況的獲取通常來自三種方法：現(xiàn)場監(jiān)測、物理風洞模擬和利用計算機進行數(shù)值模擬3?，F(xiàn)場監(jiān)測費時費力，物理風洞花費較高而且我國目前物理風洞實驗室較少，而隨著計算機技術的不斷發(fā)展，通過數(shù)值模擬了解建筑物周圍風場成為趨勢。山東師大新校區(qū)綜合教學樓是新校區(qū)的主要教學樓，教學樓風環(huán)境跟同學們的日常學習和生活息息相關。建筑主體分為A、B、C、D、E5個區(qū)，每個區(qū)域通過3層以上的走廊連接，相互連通。教學區(qū)為5層建筑，樓高約20m。教學樓處于校園西北部，四周寬闊，周圍無明顯遮擋物，因此運用數(shù)值模擬的方法研究建筑物局地風環(huán)境有良好的適用性（圖1）。圖1教學區(qū)樓體示意（東北視角）2模擬方案建筑物周圍風場的數(shù)值模擬是將建筑物致于流動的風場中，以流動風的質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、湍流輸運方程作為控制方程，采用離散化的數(shù)值方法獲得風場中離散風壓的解，可以確定出風場內(nèi)建筑物表面的風壓力值，同時獲得流暢中其他相關的物理量狀態(tài)值。本文以fluent軟件包為平臺，對綜合教學樓周圍風流場進行數(shù)值模擬。2.1物理建模教學樓本身體型不規(guī)則，四周較開闊，無明顯遮擋物。在CAD中按照建筑物原尺寸建立三維物理模型，避免尺寸效應可能對結果產(chǎn)生的影響，并將CAD中的物理模型導入到fluent6.2的前處理模塊gambit中。2.2確定計算域位于大氣邊界層中的建筑物，當風對其繞流時，處于一個完全開口的流動風場中，但風對建筑物作用的影響有一定的范圍，在數(shù)值模擬時可以給定有限的三維計算區(qū)域，并確定計算區(qū)域各邊界的邊界條件，以模擬實際的流動風場。計算流域的確定需要考慮到計算量，計算流域越大，網(wǎng)格越多，計算耗時越長，對計算機的配置要求越高。然而計算區(qū)域過小則會導致模擬失真。本文方案一入口距建筑物45h（h為建筑物高度）的長度，出口距建筑物910h，側面及頂面距建筑物5h的方案確定計算區(qū)域，總范圍為450m280m120m；方案二入口距建筑物5w（w為建筑物長度），出口距建筑物10w；側面距建筑物5d（d為建筑物寬度），頂面距建筑物5h確定為計算域，總范圍為2400m880m120m。2.3網(wǎng)格劃分為了避免計算時計算機出現(xiàn)內(nèi)存不足的錯誤，將整個計算區(qū)域劃分為4個區(qū)域，分別進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格的類型和數(shù)量對計算結果的準確性有很大的影響，非結構網(wǎng)格具有良好的靈活性和適應性，易于網(wǎng)格的自適應，因為建筑物的體型不規(guī)則，因此采用非結構網(wǎng)格對其周圍流域進行網(wǎng)格劃分。方案一得到網(wǎng)格總數(shù)1658929，EquiAngleSkew小于0.83，AspectRadio為3.41小于51，網(wǎng)格質(zhì)量良好以交付fluent計算；方案二得到網(wǎng)格總數(shù)2285771，EquiAngleSkew小于0.82，AspectRadio為3.91小于51，網(wǎng)格質(zhì)量良好可以交付fluent計算。2.4邊界條件的選取計算流域的入口邊界條件采用velocity-inlet（速度入口邊界條件），入口速度1.6m/s，入流風向為西北風；出口采用outflow（完全發(fā)展出流邊界條件），計算域側面采用symmetry（對稱邊界層，定義靠近壁面速度為0），建筑物表面及地面故采用無滑移壁面條件，即壁面處流體速度為0。2.5湍流模型的選擇k-湍流模型是應用最為廣泛的湍流模型，standardk-湍流模型采用布西內(nèi)斯克渦湍粘度假定，由Lauder和Spalding在1972年提出的。目前國內(nèi)外很多學者成功地運用標準k-兩方程模型模擬建筑風場，并取得了滿意的結果4，5。2.6求解參數(shù)的設置數(shù)值模擬依據(jù)的控制方程是連續(xù)方程（質(zhì)量守恒方程）和N-S方程（動量守恒方程），不考慮熱交換，所以屏蔽能量方程。流體介質(zhì)為空氣具有不可壓縮行，密度為常數(shù)，材料參數(shù)使用默認缺省值。2013年2月綠色科技第2期石小倩，等：山東師大新校區(qū)綜合教學樓風環(huán)境模擬研究環(huán)境與安全3模擬結果與分析將不同模擬方案的模擬結果與2011年春季在教學樓附近的風場監(jiān)測實驗數(shù)據(jù)對比分析，發(fā)現(xiàn)模擬的點位風速變化趨勢基本一致，而方案二的模擬精度要高于方案一。用spss分析軟件分別對方案一及方案二模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)進行配對T檢驗，置信區(qū)間為95%，結果方案一與實測數(shù)據(jù)P值為0.013小于0.05，方案二與實測數(shù)據(jù)P值為0.092大于0.05，所以說明方案一模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)差異性顯著，方案二模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)差異性不顯著（圖2）。圖2不同點位模擬風速與實測風速對比圖3教學樓區(qū)域2m高風場模擬教學區(qū)2m高風場模擬結果見圖3（為了圖片清晰，截取建筑物周圍局部）。從圖3中可以看出，風對教學樓繞流，形成復雜風場。在上風向距建筑物約200m的位置，風向由西北風轉(zhuǎn)變?yōu)楸憋L，在下風向500600m位置，教學樓對風的影響基本消除。在A區(qū)西側，由于來流風和A區(qū)南側的通道由東向西的大風，形成逆時針和順時針兩個湍窩，風向較為復雜但風速都較小。在E區(qū)的東南角（建筑物尾部），因風場突然開闊形成大風，而且風向由北向西變化，并在E、D區(qū)南側形成一個大的渦流，導致在C區(qū)西部風向變?yōu)槟巷L或者西南風。受E區(qū)南部湍窩的影響，在D區(qū)與C區(qū)之間的通道與C區(qū)和A區(qū)之間的通道風向相反，變?yōu)橛晌飨驏|。教學樓東側的大風由C區(qū)廣場進，在C2區(qū)南部形成順時針漩渦，容易導致污染物的聚集。在C區(qū)廣場，由于B區(qū)東側和B、C區(qū)之間的通道的大風相互作用，在B區(qū)南側形成一個大的順時針漩渦和一個小的逆時針漩渦，形成復雜風場。總之在教學樓C區(qū)廣場及E、D區(qū)南側分布著范圍不同的空腔區(qū)和小風區(qū)，不利于通風，會導致污染物的聚集；在A區(qū)迎風尖角部分、C區(qū)B區(qū)之間的通道以及B區(qū)的東北角均會形成局部的高風區(qū)；這與楊德江6等人研究結果一致?；?980年Visser關于室外熱舒適的研究結果，建筑物周圍行人區(qū)1.5m處風速v4結語（1）對于大跨度外形建筑物，建筑物長、寬大于建筑物高度，不能單純的將計算域尺度按照高度來確定（15h10h6h），要按照長度寬度的尺度來調(diào)整計算域（15w10d6h，其中w為建筑物長度，d為建筑物寬度，h為建筑物高度），調(diào)整之后計算精度明顯提高。（2）當入流風方向為西北風，來流風向為1.6m時，風向在上風向距教學樓200m位置處又西北風變?yōu)楸憋L，在教學樓區(qū)域風向、風速均發(fā)生變化，形成復雜風場，在C區(qū)廣場前面形成空腔區(qū)，而在迎風面的建筑物尖叫部分會形成局部大風區(qū)，在下風向距教學樓約500600m的位置，教學樓對風的影響基本消除。參考文獻：1IsyumovN.AStudyofthepedestrianlevelWindsfortheCanaryWharfProjectR.London：EngineeringScienceResearchReport，BLWT-SS16，1986.2BottemaM.AmethodforoptimizationofwinddiscomfortcriteriaJ.BuildEnviron，2000（35）：118.3黃瑩.基于fluent軟件的建筑物風場數(shù)值模擬D.武漢：華中科技大學，2005.4JiangXinbo，LiuZehua，LiuYuanquan.AirenvironmentinalaboratoryanimalroomunderdifferentpressuredifferentialsC/TheFifthInternationalWorkshoponEnergyandEnvironmentofResidentialBuildings，Guilin，ChinaEnvironmentSciencePress，2009.收稿日期：20130109作者簡介：汪洲瓊（1984），女，四川巴中人，主要從事農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全工作。5JiangXinbo，LiuZehua，HarunoriYoshida，etal.PressuredifferentialanalysisofalaboratoryanimalroomC/Maximi