基于CFD模拟的住区风环境评价

摘要：介绍了住区风环境评价的要求，以及CFD模拟方法湍流数学模型的选取、建立及相应的边界条件。应用计算流体力学软件PHOENICS对某住区的夏季风环境进行了模拟分析，说明了评价住区风环境的方法。

关键词：数值模拟，风环境，住区

Abstract: This paper describes the requirements of wind environmental assessment of residential area and the selection, establishment and the corresponding boundary conditions of the mathematical model for CFD simulation, and expounds the methods of the wind environmental assessment in residential area based on the simulation analysis of summer wind environment of a residential area by the computational fluid dynamics software PHOENICS.

Key words: numerical simulation; wind environment; residential area

住区建筑的通风环境与室内空气质量密切相关，直接影响居住者的身心健康和生活质量，同时也影响到建筑运行能耗。目前用于建筑室外风环境评价的方法主要有风洞试验法和数值模拟法。风洞试验方法结果可靠、直观，但试验周期较长，模型制作代价昂贵，应用受到一定限制。而CFD (Computational Fluid Dynamics)方法成本低、速度快、具有模拟真实条件的能力，随着数值模拟理论的不断成熟和完善，在工程实践中得到越来越多的应用。

1 风环境评价要求

1.1 风速

按照Beaufort风力等级的划分，住区内风力等级为2级~3级，人体感觉舒适，并且可以采用自然通风；当住区内风力等级达到4级以上，就会对居民的活动造成一些不便甚至威胁。我国《绿色建筑评价标准》将5m/s划分为人体舒适的分界线，要求住区建筑周围人行区距地面1.5m高度处的风速不高于此值。

1.2 风压

风压指风吹向建筑物造成的建筑物迎、背风面存在的压差，压差大小决定了室内自然通风可利用状况。对过渡季和夏季来说，压差越大对室内自然通风越有利，但冬季风压过大则对建筑门窗的密封性能提出较高要求。因此，夏季、过渡季因保证建筑前后保持1.5Pa以上的压差，而冬季则需保证建筑物前后压差不大于5Pa。

2 CFD模拟方法

2.1 数学模型

住区内风的流动一般属于不可压缩的低速湍流，常用的计算模型有标准k-ε、RNG-k-ε和大涡模拟模型(LES)等。本文采用标准k-ε模型进行模拟分析，其控制微分方程可见相关文献。

2.2 物理模型及计算区域

住区风环境的模拟分析需要考虑周边环境对其气流分布的影响，需要数量巨大的网格，导致网格质量差。因此在不影响建筑周边流场分布的前提下，为减少计算节点，加快计算收敛速度，应尽量对建筑的凸凹部分进行简化或忽略，使建筑物成为具有规则形状的立方体。计算区域按照欧洲科技研究领域合作组织(COST)和日本建筑学会(AIJ)风工程研究小组研究成果选取，即以目标建筑为中心，水平范围5H（H为建筑物高度），垂直范围3H，建筑覆盖范围小于整个水平区域面积3%的计算区域。

2.3 边界条件

2.3.1 来流边界

近地面层的来流风速服从指数分布，其幂指数与建筑所处的地形条件有关，可根据《建筑结构荷载规范》GB5009-2001查询决定，本文按D类地貌取0.3。

2.3.2 出流边界

假定出流面上的流动已充分发展，流动恢复为无建筑物阻碍时的正常流动，其出口压力设为当地大气压力。

2.3.3 建筑壁面与地面边界

在建筑表面和地面等固体壁面附近，层流粘性作用影响加强，因此必须对标准k-ε模型加以修正。本文分别对建筑表面和地面采用壁面函数方法进行修正。

3 实例分析

以重庆某一住区为例，该住区坐南朝北，总用地面积约9万m2，场地呈矩形，东西宽约700m，南北长约190m。本文以夏季作为风环境的主要评价季节，夏季室外平均风速2.1m/s，风向西北风。选择离地面高1.5m的流场作为考察点，如图1~2所示。由图可见，该住区在行人区高度速度均在5m/s以下，无明显涡流产生，在前排右侧四栋、后排左侧五栋建筑之间产生过道风，但强度都不大；由于受前排建筑的影响，右侧两栋建筑的前后压差不足2Pa，对自然通风不利。

图1 1.5m高度处风速分布云图图2 建筑物表面压力分布图

4 结论

当前建筑师往往多注重建筑的美观、功能和空间利用，而忽视了建筑自身对环境的适应和调控能力。利用CFD模拟技术，可使我们较为精确地模拟预测住区的风环境状况，从而可通过调整建筑体型、布局等因素创造良好的通风环境，进而有效地利用气候资源。