張仕奇，閆 鉑，蔡亞東

（吉林建筑大學土木工程學院，吉林 長春 130118）

0 引言

隨著我國城市化發(fā)展進程不斷加快，隨之而來的是城市人口數(shù)量的不斷增加，高層建筑的發(fā)展成為了解決未來城市人口爆發(fā)的重要條件，目前我國對高層建筑的設計依然停留在以日照，綠化，防火等影響因素來決定建筑的布局[1]，對建筑群風環(huán)境的影響考慮不周，而惡劣的風環(huán)境不僅會造成污染氣體難以排放，還會威脅行人的生命安全。例如1965 年英國渡橋冷卻塔倒塌事故的原因就是因為忽略了群塔風環(huán)境的效應[2]，導致了場間風速瞬間增大，加之設計冷卻塔時未考慮風環(huán)境的影響，設計的鋼筋數(shù)量無法承受瞬時的風壓，導致冷卻塔坍塌。然而在高層建筑密集的城市中心，風環(huán)境的情況會更加的復雜，很容易形成不利風環(huán)境，因此對建筑周圍風環(huán)境的研究具有實際意義。

近年來，國內(nèi)外的學者對風環(huán)境的研究大致分為兩個方向，一是對既有的建筑群進行風環(huán)境的分析，提出改善風環(huán)境的可行方案；二是對各種建筑布局進行風環(huán)境的分析，為建筑規(guī)劃設計提供可視化的數(shù)據(jù)，對建筑群的風環(huán)境進行優(yōu)化[3]。目前對風環(huán)境的研究手段有風洞試驗、現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬3 種方法，隨著計算機性能的不斷提高，數(shù)值模擬的優(yōu)勢越發(fā)明顯。

目前國內(nèi)外應用CFD（計算流體力學）技術對風環(huán)境進行了諸多研究，Allgrini Jonas 等人通過改變建筑高度的方式，運用CFD 模擬探討了建筑形態(tài)對其周圍風環(huán)境的影響，結果表明高度變化對周邊氣候有明顯的影響[4]。孟晗等[5]研究了不同建筑群開口角度對周圍風環(huán)境的影響，宋文鵑等[6]研究了對于不同高差的2 棟并列高層建筑風環(huán)境的影響，馬劍等[7]采用RNG 模型對由6 個矩形截面高層建筑組成的8 種不同布局形式的建筑群在人行高度處對風速比做了模擬分析。王輝等人基于Reynolds 時均方程，采用SST 湍流模型，以點式高層建筑群風環(huán)境為研究對象，分析了6 種平面布局下人行高度處的風場分布，結果表明前排布置單棟建筑時可減小行人高度處風速[8]。岳夢迪在其碩士論文中對板式建筑的不同形態(tài)和布局進行了風環(huán)境模擬，以北京市氣候為基準，探討了板式高層住宅人行區(qū)域風環(huán)境的優(yōu)化方法，得出各類要素對風環(huán)境的影響規(guī)律[9]。上述的研究大多是從建筑的形態(tài)和布局兩方面來探討行人高度處風環(huán)境的優(yōu)劣，而對于建筑之間間距的變化，以及風向?qū)ㄖ車L環(huán)境影響的研究卻很少。

1 研究內(nèi)容

本文采用ANSYS FLUENT 軟件分別對單、雙棟板式建筑物進行了數(shù)值模擬，在對雙棟建筑模擬中改變了并排2 棟建筑的間距，通過間距的變化探討雙棟建筑風環(huán)境，隨后改變來流處的風向角，通過風向角的改變探討風環(huán)境的優(yōu)劣。建筑模型使用ICEM CFD 軟件建立，其尺寸為長度L=50 m，寬度W=20 m，高度H=60 m。計算域尺寸為來流方向距離建筑5 L，出流方向距離建筑10 L，計算域兩側距離建筑5 L，高度為5 H。具體模型見圖1～圖2。

2 模擬可行性驗證

2.1 網(wǎng)格劃分

為了證明本文模擬所得數(shù)據(jù)的可行性，通過與CAARC 標準高層建筑模型的風洞試驗數(shù)據(jù)作對比驗證模擬的精確[10]，該風洞試驗是在湖南大學教育部建筑安全與節(jié)能重點實驗室的HD-3 大氣邊界層風洞所做，試驗模型選用有機玻璃板制作，縮尺比為1：300，通過本文模擬的足尺模型所得測點的平均風壓系數(shù)對比試驗所得的相同測點的平均風壓系數(shù)來驗證模擬的可行性。風洞試驗數(shù)據(jù)來源于文獻[10]。CAARC 模型是幾何尺寸為30.48 m×45.72 m×183.88 m 的矩形截面建筑，其表面光滑平整。計算域尺寸為503 m×776 m×919 m，為了減少計算時間，在進行網(wǎng)格劃分時只對建筑表面進行加密處理，整體網(wǎng)格采用非結構化四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元數(shù)量為1 666 099，最小網(wǎng)格質(zhì)量0.35，符合流體計算要求，網(wǎng)格的具體劃分見圖3。

2.2 邊界條件設定

入口邊界條件：入口處采用速度入口邊界（Velocity-inlet）， 入口處風速采用指數(shù)律分布其速度表達式為其中地面粗糙度α 為0.3，參考高度zref取8 m，參考高度處風速vref取12 m/s。

出口邊界條件：采用自由出口（Outflow）。

建筑物表面及計算域的兩側和頂部：采用無滑移壁面。

計算域底面：采用對稱邊界（Symmetry）。

2.3 模擬結果

在進行數(shù)值模擬的過程中，分別采用了標準kε 湍流模型和SSTk-ω 模型進行數(shù)值模擬，建立了9個測點與風洞試驗數(shù)據(jù)進行對比，測點的坐標分別為 p1（0，22.68，122.59），p2（0，13.176，122.59），p3（0，4.572，122.59），p4（3.048，0，122.59），p5（15.24，0，122.59），p6（27.432，0，122.59），p7（30.48，4.572，122.59），p8（30.48，13.716，122.59），p9（30.48，22.86，122.59）。測點的詳細布置見圖 4，最終所得各測點的平均風壓系數(shù)如圖5 所示。從所得數(shù)據(jù)來看，迎風面的3 個測點對比試驗數(shù)據(jù)吻合度較差，2 種模型的平均風壓系數(shù)均低于試驗所得的數(shù)據(jù)，而側面和背風面測點較試驗數(shù)據(jù)相比較為吻合，其中標準k-ε 模型與風洞試驗數(shù)據(jù)的最大誤差在p1 測點，最大誤差為30%，而SSTk-ω 模型的最大誤差為20%，所以選擇SSTk-ω 模型作為后續(xù)模擬的湍流模型更為合適。

3 模擬流程

計算模擬可分為3 個過程，分別是前處理、求解過程和后處理。前處理過程包括幾何建模、網(wǎng)格劃分、設定邊界條件、選用湍流模型4 個步驟。其中幾何建模部分不再贅述，詳見本文第一小節(jié)。網(wǎng)格采用非結構四面體網(wǎng)格對模型進行劃分。邊界條件設定如下，入口處邊界采用速度入口（Velocity-inlet），風速分布采用指數(shù)律分布，其中風速表達式為取 0.3，參考高度 zref取 5 m，參考高度處風速vref采用長春市年平均風速3.9 m/s，湍動能表達式為 k=1.5（v·I）2，湍流耗散律表達式為 ε=C其中 Cμ=0.09，湍流積分尺度 l=100（z/30）0.5，湍流頻率出口條件選用自由出口（Outflow），建筑表面和計算域兩側采用無滑移壁面條件，其他邊界采用對稱邊界（Symmetry）。湍流模型采用SSTk-ω 模型；入口處邊界條件采用UDF 編譯[11]。

求解過程包括對求解器的設置，算法的選擇，離散格式的選取[12]，在本文模擬中選用SEMPLEC算法求解，離散格式均用二階迎風格式，殘差曲線降至1·e-4后視為計算收斂。后處理過程較為簡單，不做過多贅述。

4 計算結果及分析

4.1 對單、雙棟建筑風環(huán)境比較分析

在進行風環(huán)境的分析時我們需要考慮2 個影響因素，既行人高度處的人體舒適度和污染物的排放2 個角度，行人高度通常指的是1.5 m 高度處，運用風速比的概念對風環(huán)境進行評估和分析，風速比表示為該區(qū)域處的平均風速與入口處吹來的風速的比值，通常當風速比＞2 時我們認為該區(qū)域的風速過大，從行人舒適度角度來說該區(qū)域風環(huán)境不夠理想，而當風速比＜0.5 時，我們認定該區(qū)域為靜風區(qū)，由于風速過小導致污染氣體無法排放。首先對單棟建筑 1.5 m 高度處進行分析，見圖 6（a）及圖 6（c），從圖6（a）中我們可以看到在建筑迎風面的兩側形成了大面積的風速突變區(qū)域，最大風速比達到了2.5，從人體舒適度角度來說十分不利。在建筑物的背風面形成了大面積的風速比為1.0 的風影區(qū)，背風面的兩側形成了風速比＜0.5 的靜風區(qū)，不利于污染氣體的排放。在建筑的四周形成了小面積的靜風區(qū)。從圖6（c）中可以看出背風面的風影區(qū)以旋渦的形式存在，兩側的風速突變區(qū)域是因為當風從正面吹向建筑時，由于高層建筑的阻擋，產(chǎn)生了逆風，而逆風是向四周吹回，在建筑的兩角處，由于來流的風不斷吹來，與建筑阻擋形成的逆風疊加形成了風速突變的情形，這也是為什么在建筑正面的前方約30 m 的位置會形成風速較小的風影區(qū)的原因，同樣是因為疊加原理，只不過風是矢量分布，從正面吹回的逆風與來流處的風相互抵消，形成了小風速的區(qū)域。

對比并排雙棟建筑來看，雙棟建筑的場間最大風速與單棟建筑相比沒有明顯的變化，說明風速的大小與建筑遮擋面積的大小無關。如圖6（b）所示，雙棟建筑在迎風面的兩側和兩棟建筑的廊道之間為最大風速所在區(qū)域，而2 棟建筑的背風面均形成了大面積的靜風區(qū)，分析圖6（d）來看，由于建筑之間形成的狹管效應，狹管效應是指由于2 棟建筑相鄰布置，當風通過廊道時，由于間距較近，導致邊墻處的風匯到一起形成的高風速現(xiàn)象，因為這種現(xiàn)象，通過廊道的風無法改變方向，也就無法與背風側的風產(chǎn)生回流，所以從圖6（d）中看，雙棟建筑的背風側沒有形成漩渦，導致背風側的通風效果極差，十分不利于污染物的排放。這種狹管效應與建筑的間距、風向息息相關。

4.2 對并排建筑間距變化的分析

從圖7 中分析來看，兩建筑間距的改變對背風面靜風區(qū)面積影響很大，當建筑間距為10 m 時背風面靜風區(qū)面積最大，隨著建筑間距的增加，靜風區(qū)的面積減小，當建筑間距增加到一定程度時，背風面靜風區(qū)區(qū)域面積會增大，從圖7（c）可以看出兩樓間距為18 m 的工況背風面靜風區(qū)面積最小。

此外，建筑物周圍最大風速比隨著建筑間距的改變沒有變化，均為2.5，且最大風速突變區(qū)沒有明顯變化。但是建筑間的狹管效應與建筑的間距變化有關，從圖7 所有的云圖中對比分析我們可以很明顯的看到隨著建筑的間距增大，建筑廊道之間最大風速風影區(qū)面積減小，當建筑間距達到18 m 時最小。而當建筑間距超過18 m 后，雙棟建筑的雙體遮擋效應明顯變?nèi)酰? 棟建筑的風速分布與單體建筑的風速分布相似，所以從圖7（d）和圖7（e）中我們可以看到建筑間距為22 m 和26 m 的建筑之間的最大風速區(qū)域變大，因此，從人體舒適度的角度來考慮建筑間距的布置在14 m 和18 m 之間風環(huán)境最為理想。

4.3 對雙棟建筑不同風向角風環(huán)境分析

根據(jù)上一小節(jié)的結果我們可以知道，建筑間距在14 m～18 m 之間最為理想，因此在做風向角模擬時我們將建筑間距選為18 m。如圖8 所示，當風向角為15 °和30 °時，建筑周圍的最大風速達到了7.99 m/s，最大風速比達到了3.0，最大風速區(qū)域均出現(xiàn)在兩建筑的廊道之間，這種風的分布對行人的安全造成了極其不利的影響，風向角超過30 °后，隨著風向角度的增加，場間最大風速比減小，當風向角達到75 °時，最大風速比為2.0。從背風面風影區(qū)角度來看，風向角越大，背風面的靜風區(qū)面積越小，但是當風向角達到了90 °后，建筑的兩側及廊道中間形成了大面積的靜風區(qū)。從行人安全的角度來考慮，風向角在 15 °～45 °之間十分不利，在 60 °～90 °之間對行人來說是相對舒適安全的。從污染物排放角度來看，風向角在0 °～45 °之間背風面一側的靜風區(qū)面積較大，不利于空氣流通，在75 °～90 °之間對建筑的兩側以及通道處污染氣體的排放十分不利，所以，當風向角在60 °～75 °之間時，對建筑周圍污染氣體的排放最為合適。綜合來看，在布置并排建筑時應當根據(jù)當?shù)仄骄L的流動情況盡量將建筑布置在風向角為60 °～75 °之間的位置。

5 結論

根據(jù)本文模擬所得結果及分析，我們可以得出如下4 個結論。

1）通過對比CAARC 高層標準建筑風洞試驗數(shù)據(jù)，我們可以得出在進行建筑風場模擬湍流模型的選擇時，SST 模型要比標準模型的誤差小。

2）單棟建筑與并排雙棟建筑的風環(huán)境在迎風面一側相類似，均在建筑的兩側形成了風速突變區(qū)域，且在迎風面前約30 m 處形成了小面積的靜風區(qū)，在背風面一側雙棟建筑形成了大面積的靜風區(qū)，而單棟建筑形成了大面積的風速比＞1 的風旋渦，可以得出結論雙棟建筑背風側的通風效果較差。在雙棟建筑的兩建筑中間形成了狹管效應，風速過大，對行人安全不利。

3）通過改變兩建筑的間距，我們可以得出建筑間距的變化對兩建筑間廊道及背風側的風環(huán)境有一定影響，對于兩建筑間的狹管效應，間距過小和過大都會產(chǎn)生較差的影響，對于背風側靜風區(qū)面積，隨著間距的增加，靜風區(qū)面積減小，但增大到一定程度時雙體遮擋效果不再明顯，最終得出建筑的間距在14 m～18 m 范圍內(nèi)風環(huán)境最為理想，設計師在設計時可以考慮按此間距布置。

4）風向角的改變對建筑風環(huán)境的影響較大，風向角在15 °～30 °之間時兩建筑中間的廊道風速最大，風速比達到了3.0，對于行人安全極其不利。風向角在75 °～90 °之間時建筑兩側的靜風區(qū)面積較大，不利于污染物的排放，綜合結果來看，當風向角處于60 °左右時風環(huán)境最優(yōu)，因此在規(guī)劃并排建筑布局時，根據(jù)當?shù)厍闆r盡量將建筑布置在處于風向角60 °左右的位置，這樣既能符合行人舒適度指標又能滿足污染物排放要求。