梁夢(mèng)吟，李云龍，袁慧娟，張曉宇，孫 睿，劉成文

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580)

石油大學(xué)青島校區(qū)風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬與評(píng)估

梁夢(mèng)吟，李云龍，袁慧娟，張曉宇，孫 睿，劉成文

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580)

文章采用RNG k-ε湍流模型封閉雷諾方程的時(shí)均數(shù)值模擬方法，運(yùn)用CFD模擬軟件Fluent對(duì)石油大學(xué)青島校區(qū)在不同季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)向下的繞流風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了模擬。針對(duì)速度場(chǎng)及壓力場(chǎng)的模擬結(jié)果，分析評(píng)價(jià)了校區(qū)的風(fēng)環(huán)境，并對(duì)校園建筑物布局規(guī)劃提出了建議，同時(shí)表明使用數(shù)值方法預(yù)測(cè)校區(qū)的風(fēng)環(huán)境可以為優(yōu)化規(guī)劃方案提供科學(xué)依據(jù)。

風(fēng)環(huán)境; 數(shù)值模擬; 速度場(chǎng); 壓力場(chǎng)

校園是學(xué)習(xí)和生活的地方，校區(qū)內(nèi)風(fēng)環(huán)境與校內(nèi)師生息息相關(guān)，其受建筑物分布的影響很大。若校區(qū)建筑物布局不合理，產(chǎn)生不良的風(fēng)環(huán)境，將會(huì)降低校內(nèi)師生的生活質(zhì)量。例如，過(guò)大的風(fēng)速將影響人們處于室外時(shí)的舒適感，而過(guò)大的風(fēng)壓可能造成物體跌落、玻璃碎裂等，存在極大的安全隱患。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)技術(shù)在建筑風(fēng)工程中的應(yīng)用越來(lái)越多，模擬和分析問(wèn)題的對(duì)象也越來(lái)越廣泛。本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)中國(guó)石油大學(xué)青島校區(qū)建筑群的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了模擬。通過(guò)研究校內(nèi)風(fēng)場(chǎng)的分布規(guī)律，有利于給校區(qū)內(nèi)行人通行路徑的選取與新樓群建設(shè)提出參考建議，對(duì)人們生活環(huán)境的改善等有著十分重要的意義。

1 物理模型與網(wǎng)格劃分

1.1 物理模型

石油大學(xué)青島校區(qū)模型如圖1所示，東西方向長(zhǎng)度為1 600 m，南北方向長(zhǎng)度為1 500 m，主軸線與正北方向夾角為37.3°。校區(qū)由生活區(qū)，教學(xué)區(qū)，工作區(qū)三部分組成，中部有較為寬闊的廣場(chǎng)。建筑物主要集中在西部和南部，高度多為20～30 m，校區(qū)北部建筑物不多，高矮建筑交錯(cuò)分布，最高可達(dá)90 m；東部建筑物較少，為環(huán)保綠化帶。

圖1 石油大學(xué)青島校區(qū)模型

1.2 網(wǎng)格劃分

建筑物群模型的總體幾何尺寸為 1 600 m×1 500 m×120 m，計(jì)算流域取為6 000 m×6 000 m×800 m。流域邊界面和建筑物表面采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元，體網(wǎng)格主要采用四面體網(wǎng)格，個(gè)別位置允許有錐體或楔形體，即采用非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格(TGrid)。網(wǎng)格劃分時(shí)，建筑物壁面處進(jìn)行加密處理，以適應(yīng)流場(chǎng)變化，外圍區(qū)域則布置較粗網(wǎng)格，以減少網(wǎng)格數(shù)量，縮短求解時(shí)間。最終共生成173 606個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 647 372個(gè)面單元和782 572個(gè)單元體。

2 控制方程與邊界條件

2.1 控制方程

建筑物風(fēng)環(huán)境的數(shù)值模擬，屬于鈍體繞流問(wèn)題，其控制方程為定常粘性不可壓縮流體的雷諾時(shí)均方程組。

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

RNGk-ε湍流模型：

(3)

(4)

2.2 邊界條件

2.2.1 進(jìn)口邊界條件

進(jìn)流面采用速度入口邊界條件(velocity inlet)，進(jìn)口風(fēng)速模擬大氣邊界層風(fēng)速剖面指數(shù)分布[1]，公式如下：

(5)

式中：z0、u0分別為參考高度10 m以及參考高度處的風(fēng)速;α為地面粗糙度指數(shù)，根據(jù)我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范，取0.16[2]。

進(jìn)口處的湍流強(qiáng)度I，湍動(dòng)能k和湍動(dòng)能耗散率ε分別為：

(6)

(7)

(8)

式中：zg為梯度風(fēng)高度；u為平均流速；l為湍流長(zhǎng)度尺度；Cu=0.09。這些參數(shù)的設(shè)定均采用Fluent提供的UDF(user-defined functions)編程與Fluent作接口實(shí)現(xiàn)。

2.2.2 出口邊界條件

出流面的位置離建筑物較遠(yuǎn)，采用完全發(fā)展出流邊界條件(outflow)。

2.2.3 其它邊界條件

流域頂部采用對(duì)稱邊界條件 (symmetry)，等價(jià)于自由滑移的壁面，建筑物表面和地面采用無(wú)滑移的壁面條件(wall)[3]。

3 計(jì)算方法與計(jì)算工況

3.1 計(jì)算方法

本文采用有限體積法對(duì)控制流動(dòng)的方程組進(jìn)行離散，其中對(duì)擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式離散，而對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式離散。采用SIMPLE算法進(jìn)行壓力與速度的解耦，避免出現(xiàn)不合理的壓力和速度。

3.2 計(jì)算工況

石油大學(xué)青島校區(qū)位于青島市黃島區(qū)，屬于東亞季風(fēng)區(qū)，常風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，次常風(fēng)向?yàn)楸奔拔鞅逼?，?qiáng)風(fēng)向與次常風(fēng)向基本一致。年平均風(fēng)速5.3 m/s，以東南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，最大風(fēng)速38 m/s。根據(jù)文獻(xiàn)[4]提供的資料：冬季平均風(fēng)速5.3 m/s，N-NW風(fēng)是主導(dǎo)風(fēng)向；夏季平均風(fēng)速4.5 m/s，S到SE風(fēng)是其主導(dǎo)風(fēng)向，其中S風(fēng)頻率最高；春季平均風(fēng)速最高為5.6 m/s，以S到SE風(fēng)向?yàn)橹?，尤以SSE風(fēng)頻率最高。本文分別采用冬季、夏季和春季三種工況數(shù)據(jù)進(jìn)行了模擬，見(jiàn)表1。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

本文選取人行高度z=1.5 m為典型水平界面，考察計(jì)算區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速和風(fēng)壓分布情況，對(duì)冬季、夏季和春季三種工況下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析。

表1 三種不同工況所采用的數(shù)據(jù)

4.1 戶外行人區(qū)風(fēng)速控制性指標(biāo)

根據(jù)文獻(xiàn)[5]可知，當(dāng)室外風(fēng)速達(dá)到10 m/s以上時(shí)，室外行人開(kāi)始行動(dòng)不便，撐傘困難。本文取10 m/s的風(fēng)速為不對(duì)室外行人行動(dòng)產(chǎn)生不便的上限值。但是由于文獻(xiàn)[5]中給出的風(fēng)速是針對(duì)距地面10 m高度處的，按照式(5)換算可以得到人行高度處的不對(duì)室外行人行動(dòng)產(chǎn)生不便的上限風(fēng)速值為7.3 m/s。同時(shí)參考Visser于1980年對(duì)室外熱舒適進(jìn)行研究時(shí)提出的行人舒適感與風(fēng)速之間的關(guān)系[6]：當(dāng)距地面1.5 m高度處風(fēng)速小于或等于5 m/s時(shí)，室外行人感覺(jué)舒適；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到5～10 m/s之間時(shí)，室外行人開(kāi)始感覺(jué)不舒適，行動(dòng)受影響；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到 10～15 m/s之間時(shí)，戶外行人已經(jīng)很不舒適。因此，本文選取5 m/s為人行高度處室外行人感到舒適的理想上限風(fēng)速值，7.3 m/s為不對(duì)室外行人行動(dòng)產(chǎn)生不便的警戒上限風(fēng)速值。行人活動(dòng)頻繁的區(qū)域以理想上限值為標(biāo)準(zhǔn)，一般區(qū)域可用警戒上限值[7]。

4.2 春季工況

圖2為春季1.5 m人行高度處風(fēng)速云圖，可以看出春季校園建筑物周邊風(fēng)環(huán)境總體來(lái)說(shuō)較為理想，絕大部分地區(qū)風(fēng)速小于5 m/s，行人感覺(jué)舒適。極少數(shù)地區(qū)風(fēng)速偏大，主要集中在迎風(fēng)面的第一排建筑周圍，最明顯的是逸夫樓和文理樓之間的街道及其以北的廣場(chǎng)風(fēng)速較大，其中最高風(fēng)速位于逸夫樓的拐角周圍，可達(dá)9.5 m/s，行人在該區(qū)域行走感覺(jué)極其不舒適，行走困難應(yīng)增加綠化以隔離行人同時(shí)減弱風(fēng)速。同時(shí)工科樓和逸夫樓之間的街道、唐島灣餐廳以北、研究生公寓與文理樓之間的空地存在高于7.3 m/s的較大風(fēng)速，對(duì)行人活動(dòng)產(chǎn)生障礙性影響。學(xué)校已經(jīng)在該片空地進(jìn)行了一定的綠化，種植了大量的樹(shù)木削弱了該影響。還有一些區(qū)域，如玉蘭苑餐廳的東西兩側(cè)、講堂群的東側(cè)、圖書(shū)館南側(cè)的廣場(chǎng)，存在5～7.3 m/s的風(fēng)速，雖然不會(huì)影響行走，但卻造成了一定程度的不舒適，且該區(qū)域是學(xué)生就餐和上課必經(jīng)區(qū)域，人行活動(dòng)頻繁區(qū)域，因此需要采取一定的措施如種植行道樹(shù)等使風(fēng)速降到理想上限值5 m/s以下。

1.安全生產(chǎn)方面。一號(hào)煤礦以預(yù)算指標(biāo)的形式分解生產(chǎn)任務(wù)與工作任務(wù)到各區(qū)隊(duì)、各部室，以書(shū)面文件公開(kāi)發(fā)布，在醒目位置張貼各部室本年度重點(diǎn)工作安排，以月考核、季考核、年考核的監(jiān)測(cè)考核體系來(lái)督促各項(xiàng)工作的順利高質(zhì)量完成；安全目標(biāo)以宣傳橫幅、LED電子屏、階段性活動(dòng)開(kāi)展的主題口號(hào)等多種形式公開(kāi)宣傳，明確目標(biāo)，鼓舞士氣。

圖2 春季工況下1.5 m人行高度處風(fēng)速云圖

4.3 夏季工況

在夏季工況下，校區(qū)建筑物周圍的風(fēng)速分布云圖以及部分區(qū)域的風(fēng)流線圖如圖3～圖5所示。

圖3 夏季工況下1.5 m人行高度處風(fēng)速云圖

圖4 研究生公寓區(qū)域流線

圖5 本科生公寓區(qū)域流線

夏季校園建筑物周圍風(fēng)速大多數(shù)位于5～7.3 m/s之間。在炎熱的夏季里，行人受到該強(qiáng)度大小的風(fēng)會(huì)感覺(jué)涼爽舒適，又不會(huì)對(duì)人正常行走造成太大干擾，環(huán)境十分適宜。風(fēng)速較大的區(qū)域同樣位于中部的廣場(chǎng)，南部的逸夫樓東西兩側(cè)的街道，建議行人盡量少在該處通行。

少數(shù)建筑物的迎風(fēng)面拐角處，如工科樓西側(cè)、研究生公寓東側(cè)、國(guó)際交流中心東側(cè)、存在大于9 m/s的大風(fēng)。這是由于建筑物作為鈍體存在于風(fēng)場(chǎng)中有阻擋作用，風(fēng)經(jīng)過(guò)建筑物前緣的直角頂點(diǎn)處時(shí)會(huì)發(fā)生劇烈分離，使得拐角處來(lái)流紊亂，風(fēng)速急劇增大?？稍谠O(shè)計(jì)建造時(shí)改變建筑物的邊角，增加一定的切角或進(jìn)行圓滑處理，從而減弱分離流的影響。

大部分建筑物的背風(fēng)面出現(xiàn)回流旋渦，風(fēng)速較低，甚至出現(xiàn)“死區(qū)”，影響散熱和對(duì)流，不利于污染物的擴(kuò)散和空氣的凈化。例如在本科生和研究生公寓的背風(fēng)面，見(jiàn)圖4和圖5，均出現(xiàn)了滯留的旋渦區(qū)，使該地區(qū)的空氣不能進(jìn)行交換, 污染氣體或其他污染物體將長(zhǎng)期滯留而使空氣質(zhì)量變壞，不利于居住在此的學(xué)生的身體健康。因此學(xué)生公寓在建造設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮常風(fēng)向?qū)ㄖ镏苓咃L(fēng)環(huán)境的影響，選取合適的建造角度。

圖6和圖7分別為冬季工況下1.5 m人行高度處速度和壓力云圖。從圖6可以看出，冬季校園建筑物周圍整體風(fēng)場(chǎng)較強(qiáng)，最高風(fēng)速值可達(dá)11 m/s以上，只有少數(shù)位于建筑物背風(fēng)面的區(qū)域由于遮擋作用風(fēng)速小于理想上限風(fēng)速值5 m/s，校園內(nèi)主要街道和行人活動(dòng)范圍風(fēng)速均高于警戒上限風(fēng)速值7.3 m/s，嚴(yán)重影響師生的出行。

圖6 冬季工況下1.5 m人行高度處風(fēng)速云圖

圖7 冬季工況下1.5 m人行高度處壓力云圖

強(qiáng)風(fēng)主要集中在兩大塊區(qū)域。一個(gè)位于校園中部，包括整個(gè)廣場(chǎng)區(qū)域并向南北兩側(cè)延伸，貫穿整個(gè)校園，由于沒(méi)有建筑物遮擋，給北邊來(lái)風(fēng)提供了一條通路，使其迅速發(fā)展并逐漸增大。另一大范圍的大風(fēng)區(qū)域位于西側(cè)兩組本科生公寓群之間的狹長(zhǎng)街道，由于峽谷效應(yīng)的影響，風(fēng)流經(jīng)建筑物之間的狹長(zhǎng)地帶時(shí)風(fēng)速迅速增大，這兩部分區(qū)域是校園師生通行的主干道，應(yīng)加強(qiáng)綠化。建筑物的拐角處，如體育館東西兩側(cè)，研究生公寓東側(cè)，國(guó)際交流中心東側(cè)，存在大于10 m/s的大風(fēng)，給行人行走造成極大不便，甚至安全隱患。師生避免經(jīng)過(guò)該區(qū)域，并給該區(qū)域的公共設(shè)施加固，防止其被吹散，砸傷行人。圖7表明校園北部、南部及東部區(qū)域建筑物迎風(fēng)面和背風(fēng)面均存在風(fēng)壓極高或極低的情況，可能會(huì)造成明顯的冷風(fēng)滲透現(xiàn)象。因此需要注意門窗加固，增強(qiáng)建筑的密封性能，同時(shí)建議在此類建筑物北側(cè)區(qū)域種植行道樹(shù)等景觀綠化植物形成擋風(fēng)構(gòu)筑物。

5 結(jié)論

(1)本文對(duì)石油大學(xué)青島校區(qū)建筑物群的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬, 結(jié)果表明校區(qū)的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境在春季時(shí)較為理想，夏季存在空氣不流通的問(wèn)題，冬季大部分區(qū)域風(fēng)力較大，環(huán)境惡劣，校內(nèi)師生盡量避免外出，在大風(fēng)天氣里還需注意緊閉門窗，做好安全措施。

(2)校園建筑群的布局對(duì)校區(qū)內(nèi)風(fēng)場(chǎng)有很大的影響，建筑物的拐角處和建筑群之間的狹長(zhǎng)街道是最易出現(xiàn)大風(fēng)的區(qū)域。在進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)時(shí)，應(yīng)考慮季節(jié)的主導(dǎo)風(fēng)向和氣候特點(diǎn)，選取合適的建造角度和排列間距，優(yōu)化建設(shè)方案來(lái)獲得良好的風(fēng)環(huán)境。

(3)本文模擬結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合，充分說(shuō)明利用數(shù)值模擬方法可以快速、高效地分析建筑布置方案與局部風(fēng)環(huán)境之間的關(guān)系, 從中總結(jié)出創(chuàng)造舒適風(fēng)環(huán)境的建筑設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，為設(shè)計(jì)可持續(xù)發(fā)展的建筑提供指導(dǎo)。

致謝：中國(guó)石油大學(xué)(華東)規(guī)劃建設(shè)處技術(shù)科李健老師提供了校園建筑圖紙。

[1] [1] Muralami S, Mochida A. Three-dimensional numerical simulation of turbulence flow around buildings using the k-( turbulence model[J] . Building and Environment, 1989, 24(5):283-303

[2] GB 50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]

[3] 陶文銓. 數(shù)值傳熱學(xué)[M] . 西安：西安交通大學(xué)出版社，1988

[4] 顏梅，徐勤愛(ài)，邵滋和. 青島百年氣壓與風(fēng)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)特征分析[J]. 海洋預(yù)報(bào)，2003, 20(8):14-15

[5] 凱文·林奇. 總體設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999

[6] ISBN4-8189-0459-7C3052 P4450 E-1996，AIJ Recommendations for Loads on Buildings[S]

[7] 王英童. 中新生態(tài)城城市風(fēng)環(huán)境生態(tài)指標(biāo)評(píng)測(cè)體系研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2010：15-17

中國(guó)石油大學(xué)(華東)2013年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃(20131030)

梁夢(mèng)吟(1994～)，女，本科生。

TU-023

A

[定稿日期]2014-11-04