洪萍  劉建麟
東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，東華大學(xué)暖通空調(diào)研究所

       【摘  要】超大型城市中，建筑架空已證明可有效改善行人風(fēng)環(huán)境，但城市街區(qū)建設(shè)形式復(fù)雜多樣增加了架空效果的不確定性。本文通過RNG k- 模型模擬對比了由無架空、 N-型和M-型三種不同建筑架空構(gòu)成的街區(qū)形態(tài)下的風(fēng)環(huán)境，數(shù)值模擬方法與經(jīng)典風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證得其相關(guān)系數(shù)為0.83。進(jìn)一步分析三種形態(tài)下行人區(qū)無量綱時(shí)均風(fēng)速場、湍流強(qiáng)度場和陣風(fēng)風(fēng)速場。結(jié)果表明N-型街區(qū)對比無架空和M-型街區(qū)的湍流強(qiáng)度差異最大，但其街區(qū)內(nèi)的陣風(fēng)場仍滿足行人活動(dòng)的風(fēng)安全需求。

       【關(guān)鍵詞】建筑架空；行人區(qū)；湍流強(qiáng)度；陣風(fēng)風(fēng)速

       【基金項(xiàng)目】國家自然科學(xué)基金（No. 52008079）

0 引言 

       隨著城鎮(zhèn)化的不斷加劇，高且密集的城市建筑群阻礙了空氣的流動(dòng)，使得城市中心區(qū)域的風(fēng)速過低。同時(shí)各種人為熱排放、水泥瀝青地面的使用、綠色植被的減少和玻璃幕墻的大量使用都加劇了城市熱島^[1]。為了減緩城市熱島效應(yīng)，建筑架空這一由架空支柱將建筑架起在建筑與地面之間形成架空層的建筑形式被廣泛用于亞熱帶南部城市。劉等^[2]報(bào)道了單棟架空建筑有無周圍建筑情況下風(fēng)場的分布，并指出建筑架空能提高行人高度處的風(fēng)速和湍流強(qiáng)度。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)還討論了不同架空高度及來流風(fēng)向^[3]對行人微氣候的影響，并進(jìn)一步探究了不同湍流模型例如LES^[4]、DDES^[5]預(yù)測風(fēng)場的準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性。另外，隨著近年大數(shù)據(jù)算法的發(fā)展，也有研究結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD)來綜合模擬影響行人風(fēng)舒適的各項(xiàng)參數(shù)以達(dá)到優(yōu)化建筑架空設(shè)計(jì)的目的^[6]。然而，現(xiàn)有研究中多報(bào)道單棟架空建筑，普遍忽視了城市街區(qū)形式的多樣復(fù)雜會(huì)增加了架空設(shè)計(jì)改善風(fēng)環(huán)境效果的不確定性。本文提出三種不同有多棟架空建筑的陣列架空建筑形式，通過與經(jīng)典風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證模型的有效性并進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，利用其邊界條件進(jìn)行數(shù)值模擬，引入風(fēng)速比，平均湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)風(fēng)速來評價(jià)不同街區(qū)布局的陣風(fēng)環(huán)境。

1 數(shù)值模型

       1.1 湍流模型方程

       隨著計(jì)算機(jī)性能和配置的不斷完善和提高，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 廣泛地運(yùn)用于各類學(xué)科當(dāng)中，其中用于建筑物周圍風(fēng)場預(yù)測的最廣泛的湍流模型是雷諾時(shí)均 (RANS) 湍流模型。RNG k -ε模型與標(biāo)準(zhǔn)k -ε模型方程形式相似，前者對后者進(jìn)行了以下三方面的修正。首先，RNG k -ε模型在方程中增加了一項(xiàng)，提高了精度；其次，此模型提供一個(gè)分析紊流普朗特?cái)?shù)的公式 (不同于標(biāo)準(zhǔn)k -ε模型中的常數(shù))；第三，考慮到低雷諾數(shù)效應(yīng)，選用恰當(dāng)?shù)谋诿婧瘮?shù)可以使得模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確^[7]。RNG k -ε模型控制方程如下:

       連續(xù)性方程：

       

       動(dòng)量方程：

       

       式中：u_i 是x方向上的分速度; p,ρ, T,μ,μ_t和gi分別為壓力、密度、溫度、動(dòng)力粘度、湍流粘度和重力。

       湍流動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率守恒方程如下：

       

       式中：C_μ = 0.0845；σ_k= 0.7194；σ_ε= 0.7194；C_ε1= 1.42；C_ε2 = 1.68。

       1.2 湍流模型驗(yàn)證

       風(fēng)場的湍流模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于日本建筑協(xié)會(huì)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)^[8]。圖1 (a) 顯示了風(fēng)洞中的建筑布置情況，每一個(gè)小方塊代表一個(gè)建筑模型，其尺寸為0.2m (D1) × 0.2m (W1) × 0.2m (H)。圖1 (b) 顯示了在X-Y平面z/H = 0.1 (風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中z = 0.02m) 處的120個(gè)測量點(diǎn)。最終模擬的速度結(jié)果將與這120點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)測量風(fēng)速值進(jìn)行比較。

圖1 (a)九棟建筑模型布置圖，(b)120個(gè)監(jiān)測點(diǎn)布置圖

       根據(jù)COST Action 732 指南的建議[9]，對于驗(yàn)證和目標(biāo)模擬的計(jì)算域有以下安排：計(jì)算域的入口邊界、上邊界和左右邊界距離建筑群外邊緣的距離均為5H(H為建筑最高高度)，出口邊界距離建筑群背風(fēng)側(cè)15H。最終計(jì)算域的大小為25H × 15H × 6H。網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證的詳細(xì)安排見表1。

表1 獨(dú)立性檢驗(yàn)的網(wǎng)格布置

       *l指的是網(wǎng)格第一節(jié)點(diǎn)到壁面的距離，H = 0.2m。

       1.3 建筑架空物理模型

       本文所研究的對象——建筑架空示意圖如圖3所示，單個(gè)建筑尺寸為100 mm (D) × 100 mm (W) × 200 mm (H)，相鄰建筑之間的距離為100 mm (B)。架空支柱的尺寸為20 mm (d) × 20mm (w)。沿著風(fēng)吹過來的方向，將每列建筑從左到右依次命名為C1到C5。表2 顯示了三種不同形態(tài)的建筑布局形式，Type 1 (無架空)，即所有的建筑均沒有被架空；Type 2 (N-型)，C2和C4列的建筑被架空10mm；Type 3 (M-型)，C2和C4列的建筑被架空10mm，C3列的建筑被架空20mm。

圖2 陣列建筑布局形式和架空建筑示意圖
表2 三種架空建筑形式的布置

       1.4 邊界條件

       入口風(fēng)廓線邊界條件是根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合所得到的，具體如下：

       

       式中，u(z)表示z高度處的風(fēng)速值，uH = 3.65m/s。

       圖3為入口風(fēng)廓線。計(jì)算域的入口邊界條件為速度入口(采用UDF輸入)，出口邊界條件為outflow，地面和墻壁為無滑移邊界條件，其余面為對稱邊界條件。當(dāng)y+ < 5時(shí)壁面采用增強(qiáng)壁面函數(shù)。

圖3 (a) 速度風(fēng)廓線；(b) 湍動(dòng)能風(fēng)廓線

       本研究均采用商用軟件ANSYS Fluent 16.0進(jìn)行計(jì)算。收斂準(zhǔn)則為連續(xù)的殘差為10−5，速度、湍動(dòng)能及湍動(dòng)能耗散率的殘差為10−6。

2 結(jié)果分析

       2.1 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)的結(jié)果

       圖4為X-Y平面z/H = 0.1處三條直線(x/H = 1.25, 3.5, 3.75)的速度分布。模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)實(shí)測結(jié)果吻合較好。Case b和Case c的結(jié)果更接近風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測量所得到的數(shù)據(jù)，模擬與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)120個(gè)測量點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)為0.83。

圖4 模擬值與風(fēng)洞值對比：(a) x/H = 1.25；(b) x/H = 3.5；(c) x/H = 3.75

       2.2 架空支柱周圍局部風(fēng)速被放大

       圖5顯示了X-Y平面z/H = 0.025 (行人高度處) 風(fēng)速比的云圖，風(fēng)速比的定義為VRw = up/uref (up表示為點(diǎn)p處的風(fēng)速值，uref為參考風(fēng)速2.434m/s)。

圖5 風(fēng)速比云圖，(a) 無架空；(b) N-型；(c)M -型

       整體來看，三種類型風(fēng)速度比云圖分布相似，高風(fēng)速比 (1.3-1.5) 集中在迎風(fēng)側(cè)第一列相鄰兩棟建筑之間，低風(fēng)速比 (0-0.2) 主要分布在建筑背風(fēng)側(cè)的尾流區(qū)。VRW在0.4左右集中在相鄰建筑物之間，VRW在0.6 - 1之間的值分布在遠(yuǎn)離建筑物陣列的區(qū)域。

       風(fēng)可以自由穿過由架空支柱所創(chuàng)造空間， N-型中第二列建筑物和M-型第四列建筑下的VRW接近0.5，表明在架空支柱周圍有空氣的擾動(dòng)但是并不強(qiáng)烈。除這兩列以外其他架空建筑下的風(fēng)速比接近于0，表示該處擾動(dòng)非常微弱。對于相鄰建筑之間區(qū)域周圍的VRW，N-型的VRW在0.3 - 0.5之間出現(xiàn)在第三列建筑之前，與M-型的VRW完全不同，M-型的VRW出現(xiàn)在第三列建筑之后。

       2.3 架空建筑下湍流強(qiáng)度較弱

       圖6 (a) 顯示的七條線分別是行人高度處x/H = 0.75 (L1)， 1.75 (L2)， 2.75 (L3)， 3.75 (L4)， 4.75 (L5)， 5.75 (L6)， 6.75 (L7)，圖7 (b) 表示每條線上湍流強(qiáng)度的平均值。三種建筑形式的平均湍流強(qiáng)度在L3之前都較高 (N-型在L1處達(dá)到峰值50%)，L3之后有所下降，L5之后又有所增加。其原因可能是入口氣流附近風(fēng)速越高，擾動(dòng)越強(qiáng)。當(dāng)風(fēng)吹過多棟建筑后，風(fēng)速逐漸減小，而在最后一列建筑物背風(fēng)面出現(xiàn)回流，擾動(dòng)增強(qiáng)。N-型的平均湍流強(qiáng)度是三種建筑形式中最大的 (只有在L3, 該值小于M-型的平均湍流強(qiáng)度)。無架空建筑形式的湍流強(qiáng)度分布與M-型相類似，其值大約在20% - 30%左右。

圖6 (a) 七條特征線位置；(b) 湍流強(qiáng)度平均值

       圖7顯示了行人層高度處不同建筑形式周圍湍流強(qiáng)度的云圖。三種形式背風(fēng)面的湍流強(qiáng)度均在20%和30%左右，在第一列建筑物的兩側(cè)和迎風(fēng)側(cè)都有較高的湍流強(qiáng)度 (其值在80%左右)，多數(shù)區(qū)域湍流強(qiáng)度在60%以下。N-型中，湍流強(qiáng)度最低 (接近0) 的深藍(lán)色區(qū)域出現(xiàn)在第四列建筑物下。第二列建筑下架空支柱周圍湍流強(qiáng)度增加到60%。而M-型的湍流強(qiáng)度分布情況完全不同。湍流強(qiáng)度出現(xiàn)在第四列建筑物下，低湍流強(qiáng)度區(qū)域聚集在第二列建筑架空支柱周圍。結(jié)合圖5的風(fēng)速比云圖來看，風(fēng)速越大，湍流強(qiáng)度越大。

圖7 湍流強(qiáng)度云圖，(a) 無架空；(b) N-型；(c)M -型

       2.4 陣風(fēng)安全性評估

       陣風(fēng)是指在短時(shí)間內(nèi)無規(guī)律吹過的風(fēng)。當(dāng)陣風(fēng)速度不大時(shí)對于行人沒有太大影響，一旦風(fēng)速過大可能會(huì)使人感到不適。陣風(fēng)風(fēng)速的數(shù)值大致等于風(fēng)速儀所記錄的峰值風(fēng)速。

        

       式中，表示陣風(fēng)風(fēng)速，u為平均風(fēng)速，為z高度處的湍流強(qiáng)度。為陣風(fēng)系數(shù)，取3.5^[10]。

       圖8為X-Y平面z/H = 0.025處的陣風(fēng)與參考風(fēng)速的比值 () 分布廓線。第二列建筑物之間u/uref的值最大為2.5左右，兩種架空建筑形式下u/uref大約在0.5 - 1之間。這種分布與歸一化風(fēng)速廓線的分布相似，表明這兩個(gè)參數(shù)之間有很強(qiáng)的聯(lián)系。

圖8 陣風(fēng)分布云圖；(a) N-型 ； (b) M-型

       在炎熱潮濕的夏季，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速小于1.5m/s，或風(fēng)速過大將高處的物品刮落、揚(yáng)起地面的灰塵和垃圾影響行人走路或休息。Du等人^[11]的研究提出基于香港的風(fēng)舒適標(biāo)準(zhǔn)：能夠讓人接受的風(fēng)速比為3.6/uref (本研究中為1.48)，無法忍受的風(fēng)速比為7.6/uref (本研究中為3.12)以及危險(xiǎn)的風(fēng)速比為15/uref (本研究中為6.16)。顯然本研究中陣風(fēng)風(fēng)速比的峰值為3.5左右，且僅限于靠近入口處的部分行人通道。至于架空支柱周圍的陣風(fēng)風(fēng)速比均為3以下，是可以讓人接受且安全的。

3 結(jié) 語

       使用穩(wěn)態(tài)雷諾時(shí)均方法對三種有不同架空形式的街區(qū)形態(tài)的風(fēng)速比、平均湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)風(fēng)速分布進(jìn)行了模擬分析。研究結(jié)果如下:

       (1) 風(fēng)可以自由地通過架空建筑下方，N-型第二列和M-型第四列架空建筑行人區(qū)周圍風(fēng)速比較大，約為0.5；

       (2) 與其他兩類建筑架空形式相比，N-型的平均湍流強(qiáng)度最大，約為30% ~ 50%之間。無架空和M-型建筑架空形式的湍流強(qiáng)度分布比較相似。

       (3) 陣風(fēng)與平均風(fēng)速和湍流強(qiáng)度有較強(qiáng)的相關(guān)性，N-型和M-型街區(qū)的陣風(fēng)速度比在架空支柱周圍均低于3，是安全且可以接受的。

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       備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2021年4月刊 總第42期（第二十屆全國暖通空調(diào)模擬學(xué)術(shù)年會(huì)論文集）。版權(quán)歸論文作者所有，任何形式轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者。