楊會(huì)　湯達(dá)明　朱輝　吳世先

(1　桂林航天工業(yè)學(xué)院　能源與建筑環(huán)境學(xué)院，廣西　桂林　541004；2　人民解放軍1510工程建設(shè)指揮部，北京　100036)

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樹(shù)冠對(duì)建筑流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬及評(píng)價(jià)*

楊會(huì)**1湯達(dá)明2朱輝1吳世先1

(1桂林航天工業(yè)學(xué)院能源與建筑環(huán)境學(xué)院，廣西桂林541004；2人民解放軍1510工程建設(shè)指揮部，北京100036)

利用計(jì)算流體軟件(CFD)對(duì)二維建筑模型進(jìn)行數(shù)值模擬，采用附加UDF源項(xiàng)法模擬樹(shù)冠的多孔介質(zhì)特性，對(duì)建筑迎風(fēng)面種植樹(shù)木前后的流場(chǎng)變化進(jìn)行分析，并且將不同情況下建筑周?chē)鷫毫?chǎng)分布及平均風(fēng)速進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：由于建筑的阻擋作用，建筑迎風(fēng)面和背風(fēng)面分別會(huì)形成較大的正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)，并在建筑下游區(qū)域會(huì)形成一個(gè)較大的尾渦；建筑前栽種樹(shù)木后，樹(shù)木對(duì)建筑周?chē)鲌?chǎng)有較大的影響，當(dāng)樹(shù)冠與建筑相距0.25～0.5倍建筑高度時(shí)，樹(shù)冠會(huì)減弱建筑表面的風(fēng)速，而當(dāng)樹(shù)冠與建筑間距增大到2倍建筑高度時(shí)，樹(shù)冠的存在反而增加了建筑表面空氣流速。

數(shù)值模擬；建筑；樹(shù)冠；源項(xiàng)

建筑是建筑物與構(gòu)筑物的總稱(chēng)，是人們?yōu)榱藵M足社會(huì)生活需要，利用所掌握的物質(zhì)技術(shù)手段，并運(yùn)用一定的科學(xué)規(guī)律、風(fēng)水理念和美學(xué)法則創(chuàng)造的人工環(huán)境。研究建筑外部的流場(chǎng)特性，對(duì)于研究整個(gè)街區(qū)乃至城市區(qū)域都有一定意義[1]。風(fēng)在自然界中起到調(diào)節(jié)空氣的作用，風(fēng)速過(guò)大可以把大樹(shù)連根拔起，埋沒(méi)房屋和毀壞建筑物，給人民的生產(chǎn)、生活帶來(lái)極大危害。而樹(shù)能降低風(fēng)速，對(duì)建筑物周?chē)牧鲌?chǎng)產(chǎn)生一定的影響，從而改善城市風(fēng)環(huán)境。Riccardo Buccolieri等人[2]通過(guò)數(shù)值模擬及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了樹(shù)冠對(duì)城市局部風(fēng)環(huán)境及污染物氣體擴(kuò)散的影響。Wei Li等人[3]通過(guò)附加源項(xiàng)法修改動(dòng)量方程并模擬了防風(fēng)柵對(duì)城市風(fēng)環(huán)境及建筑局部風(fēng)環(huán)境的影響。Riccardo Buccolieri等人[4]采用實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方式探究了樹(shù)冠稠密度、樹(shù)冠與建筑的相對(duì)位置及布局等因素對(duì)街谷局部風(fēng)環(huán)境以及街道汽車(chē)尾氣的擴(kuò)散的影響。

由于樹(shù)冠的樹(shù)葉形式的多樣性及樹(shù)葉數(shù)量巨大，直接模擬具有葉片尺度特征的樹(shù)冠內(nèi)部流場(chǎng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)目前尚存諸多計(jì)算手段上的困難，不同形狀的樹(shù)冠對(duì)流場(chǎng)的影響也有所不同，對(duì)樹(shù)冠所作簡(jiǎn)化越多，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果誤差也會(huì)偏大。Kenneth Haggkvist[5]將樹(shù)冠簡(jiǎn)化為2.5 m高，阻力系數(shù)為0.3，葉面積密度為2.1 m-1的長(zhǎng)方形來(lái)研究二維樹(shù)冠內(nèi)外的流場(chǎng)分布；同樣地，Irvine等和Gash[6]也分別把三維樹(shù)冠簡(jiǎn)化為二維長(zhǎng)方形區(qū)域來(lái)研究森林邊界處流場(chǎng)分布。國(guó)內(nèi)學(xué)者多有單獨(dú)研究樹(shù)冠或者街谷，但是在樹(shù)冠對(duì)建筑風(fēng)環(huán)境的改善作用的研究上有所欠缺。因此在前人的基礎(chǔ)上，本文考慮將三維復(fù)雜的樹(shù)冠結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，采用CFD軟件分別對(duì)單棟建筑迎風(fēng)面栽種樹(shù)木和無(wú)樹(shù)木兩類(lèi)情形進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，將樹(shù)冠簡(jiǎn)化為多孔區(qū)域，輔助于樹(shù)冠動(dòng)量源項(xiàng)、k源項(xiàng)和ε源項(xiàng)，并通過(guò)改變樹(shù)冠與建筑間距的方式研究樹(shù)冠對(duì)建筑周?chē)L(fēng)環(huán)境的改善作用。

1　方法

1.1模型及邊界條件

利用計(jì)算流體軟件對(duì)二維建筑模型外流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)建筑迎風(fēng)面種植樹(shù)木前后的流場(chǎng)變化進(jìn)行分析，而且通過(guò)改變樹(shù)冠與建筑之間的距離來(lái)考慮樹(shù)木對(duì)建筑外流場(chǎng)的影響。圖1為模型簡(jiǎn)化示意圖，樹(shù)冠高度根據(jù)桂林市街道常見(jiàn)樹(shù)冠高度定為h1=10 m，樹(shù)冠直徑取6 m；建筑高度取6層總高h(yuǎn)2=24 m，建筑寬度取18 m；樹(shù)冠前流域L1=10h2，建筑后流域長(zhǎng)L2=20h2，可保證入口邊界和出口邊界處流動(dòng)的充分發(fā)展，流域高度H=20h2，可忽略流域高度對(duì)流場(chǎng)求解結(jié)果的影響；樹(shù)冠與建筑間距d/h2=0.25、0.5、1、2，以此考慮樹(shù)冠與建筑相對(duì)位置對(duì)建筑外流場(chǎng)的影響。

視整個(gè)二維樹(shù)冠內(nèi)部為多孔區(qū)域(porous)，并添加動(dòng)量源項(xiàng)及k-ε源項(xiàng)。地面設(shè)置為無(wú)滑移粗糙壁面，流域頂部設(shè)為滑移邊界條件。為了研究樹(shù)冠內(nèi)外流場(chǎng)分布，考慮入口速度經(jīng)過(guò)充分發(fā)展，參考MeleseEndalew[7]的研究，本節(jié)通過(guò)UDF給定一個(gè)對(duì)數(shù)速度入口分布：

u(z)=u*/κ×ln((y+z0)/z0)

(1)

其中摩擦速度u*取0.2 m/s，可保證主流區(qū)風(fēng)速為2.6 m/s(桂林市年最多風(fēng)向風(fēng)速的平均值)，κ為馮卡門(mén)常數(shù)(κ=0.41)，z0為樹(shù)冠表面粗糙度(z0=0.0025 m)。

圖1　模型簡(jiǎn)化示意圖

1.2數(shù)值方法

本節(jié)采用Fluent軟件求解流動(dòng)區(qū)域的N.S.方程。為簡(jiǎn)化分析，現(xiàn)對(duì)問(wèn)題做出如下基本假設(shè)：(1)流體流動(dòng)為不可壓縮、無(wú)旋、定常二維流；(2)大氣環(huán)境為中性，且忽略Coriolis力，其中Coriolis力是對(duì)旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)由于慣性相對(duì)于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運(yùn)動(dòng)的偏移的一種描述，源于物體運(yùn)動(dòng)所具有的慣性。

在上述假設(shè)條件下，樹(shù)冠內(nèi)外流動(dòng)的連續(xù)性方程和包含源項(xiàng)的動(dòng)量方程分別為：

(2)

(3)

(4)

這里μt是湍流粘度，δij為Kroneckerδ函數(shù)(δij=1 ifi=jandδij=0 ifi≠j)，k是湍流動(dòng)能。由k和ε定義速度的比例尺?和長(zhǎng)度比例尺l為：

(5)

在k-ε湍流模型中，湍流粘度μt定義為：

(6)

上式中Cμ為無(wú)量綱經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，k和ε表達(dá)式為：

(7)

這里lm為混合長(zhǎng)度。

本文采用Launder和Spalding[8]提出的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型以及基于重整化群(Renormalization Group)的理論提出并改進(jìn)的RNGk-ε模型(具體參數(shù)見(jiàn)表1)，其控制方程與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型形式相同，但模型常數(shù)略有差異。湍動(dòng)能及其耗散速率方程分別為：

(8)

(9)

其中Sk[m2/s3]和Sε[m2/s4]分別為k源項(xiàng)和ε源項(xiàng)。

動(dòng)能產(chǎn)生量Pk[m2/s3]為：

(10)

與形狀阻力相比，粘性阻力可忽略不計(jì)。根據(jù)Sanz[9]提出并經(jīng)過(guò)Cian James Desmond[10]完善的動(dòng)量源項(xiàng)Su為：

Su=-ρCdA|u|ui

(11)

Sk和Sε分別為湍動(dòng)能k源項(xiàng)和湍動(dòng)能耗散率ε源項(xiàng) (Katul et al.[11]):

Sk=ρCdA(βp|u|3-βd|u|k)

(12)

(13)

其中βp是由于樹(shù)冠作用而引起平均動(dòng)能轉(zhuǎn)化為湍動(dòng)能而耗散掉的部分。βd可以理解為與樹(shù)冠相互作用而引起的湍動(dòng)能被耗散的部分，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表1　RNG k-ε湍流模型經(jīng)驗(yàn)常數(shù)

表2　樹(shù)冠內(nèi)動(dòng)量和湍動(dòng)常數(shù)

2　結(jié)果與討論

為了定量分析樹(shù)冠的存在以及樹(shù)冠與建筑之間的間距對(duì)建筑外流場(chǎng)的影響，本節(jié)將單棟建筑以及在建筑迎風(fēng)面栽種樹(shù)木后的5種模型的外流場(chǎng)、建筑迎風(fēng)面1 m處風(fēng)速、建筑背風(fēng)面1 m處風(fēng)速以及建筑下游尾渦中心處的風(fēng)速進(jìn)行橫向?qū)Ρ取?/p>

圖2　建筑外流場(chǎng)壓力云圖

2.1壓力場(chǎng)云圖分析

如圖2所示，為5種建筑與樹(shù)冠分布模型的壓力云圖，由于建筑的阻擋作用，吹向建筑物的氣流一部分向下運(yùn)動(dòng)，之后遇到地面阻擋后產(chǎn)生與來(lái)流方向相反的氣流，形成渦流并在建筑物迎風(fēng)面前形成氣流滯留區(qū)，形成較大區(qū)域的正壓區(qū)；另一部分向上流動(dòng)，繞過(guò)建筑物頂部逃逸。當(dāng)氣流吹過(guò)建筑物后，在建筑物背風(fēng)面產(chǎn)生較大范圍的負(fù)壓區(qū)，形成較長(zhǎng)的尾渦波動(dòng)，由于回流而生成較大渦流。樹(shù)冠枝葉的阻礙作用，空氣流速在樹(shù)冠內(nèi)部將降低，伴有明顯的速度梯度和壓力梯度，并產(chǎn)生劇烈的湍流脈動(dòng)。和單棟建筑相比，栽種樹(shù)木后對(duì)建筑上下游流場(chǎng)分布均會(huì)產(chǎn)生一定的影響。從建筑迎風(fēng)面壓力場(chǎng)分布可以看出，五種模型的正壓區(qū)均存在，位置相同，而且壓力值均在0.9 pa左右，可知樹(shù)木的栽種對(duì)建筑迎風(fēng)面影響能力有限。栽種樹(shù)木后對(duì)建筑背風(fēng)面負(fù)壓區(qū)最小負(fù)壓值影響不大，均在-3.5 pa左右；但是建筑下游尾渦的位置分布卻起了較大變化，圖2.a-e 5種模型尾渦距離建筑背風(fēng)面的距離分別為136 m、66 m、102 m、132 m、113 m，由此可以預(yù)見(jiàn)樹(shù)木的存在使建筑與尾渦的距離不同程度地縮短了。

圖2　建筑迎風(fēng)面、背風(fēng)面和尾渦中心速度分布

2.2速度分布分析

取距離建筑表面1 m位置作為參考線，統(tǒng)計(jì)該參考線上高度為0-30 m范圍內(nèi)的速度分布，主要反映建筑物墻面上的風(fēng)速大小。該參數(shù)對(duì)于建筑能耗意義重大，尤其是在冬季，建筑物表面附近的風(fēng)速大小直接影響墻面與空氣的對(duì)流換熱強(qiáng)度，進(jìn)而影響建筑熱負(fù)荷，因此降低建筑物表面附近風(fēng)速可以間接降低建筑能耗。建筑物迎風(fēng)面1 m處、背風(fēng)面1 m處以及建筑下游尾渦中心0-30 m高度x方向速度分量和y方向速度分量分布見(jiàn)圖2所示。由圖2.a～b觀察得知栽種樹(shù)木對(duì)建筑迎風(fēng)面x方向速度分量影響甚微，對(duì)y方向速度分量的影響主要反映在0-0.8h2范圍內(nèi)，栽種樹(shù)木后y方向速度分量顯著增大。建筑背風(fēng)面風(fēng)速分布uwindward及尾渦中心處速度分布uvortex見(jiàn)圖2.c～f，栽種樹(shù)木后，樹(shù)木對(duì)建筑下游速度分布明顯產(chǎn)生較大的影響，主要取決于參數(shù)d/h2：當(dāng)d/h2=0.25時(shí)，uwindward和uvortex均受到抑制，這有利于降低冬季建筑熱負(fù)荷；當(dāng)d/h2=0.25、0.5時(shí)，uwindward和uvortex均相對(duì)于單棟建筑被加強(qiáng)，由此預(yù)測(cè)此時(shí)樹(shù)木不但不能降低建筑表面風(fēng)速，反而起反作用；當(dāng)0.5

3　結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)建筑迎風(fēng)面種植樹(shù)木前后的流場(chǎng)變化進(jìn)行數(shù)值模擬，并且將不同d/H值下建筑周?chē)鷫毫?chǎng)分布及平均風(fēng)速進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：由于建筑的阻擋作用，建筑迎風(fēng)面和背風(fēng)面分別會(huì)形成較大的正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)，回流在建筑下游生成較大尾渦。建筑前栽種樹(shù)木后，樹(shù)木對(duì)建筑周?chē)鲌?chǎng)的影響較大，主要取決于參數(shù)d/h2：當(dāng)樹(shù)冠與建筑相距0.25-0.5h2時(shí)，建筑表面的風(fēng)速被削弱；而當(dāng)樹(shù)冠與建筑間距增大到2倍建筑高度時(shí)，樹(shù)冠的存在反而增加了建筑表面空氣流速，此時(shí)建筑冬季熱負(fù)荷也隨之增大，不利于建筑節(jié)能。

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(責(zé)任編輯陳葵晞)

桂林航天工業(yè)學(xué)院科研課題《建筑通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)污染物生成、傳播機(jī)理與控制技術(shù)研究》(YJ1305)。

S731.2

A

2095-4859(2016)02-0168-06

**作者簡(jiǎn)介：楊會(huì)，男，湖北襄陽(yáng)人。助教，碩士。研究方向：室內(nèi)外空氣品質(zhì)與建筑節(jié)能。