趙福云 黃志榮 劉寶成 瑾徐穎

湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

0 前言

近年來，隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市中的人口和建筑物數(shù)量急劇增加。城市中密集的人口聚集和工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了大量的廢熱，導(dǎo)致了城市地區(qū)的溫度要遠(yuǎn)高于其它地方，從而在城市上空區(qū)域形成“熱島效應(yīng)”[1] 。熱島效應(yīng)會(huì)使大量的廢熱籠罩在城市上空，從而導(dǎo)致極端天氣的出現(xiàn)，最終影響城市居民的生命健康[2]。

我國是一個(gè)國土資源十分遼闊的國家，但山地，丘陵等復(fù)雜地形居多，國內(nèi)有許多城市都屬于山地城市，如重慶、貴陽和香港等。復(fù)雜的山地地形盡管對(duì)城市建設(shè)帶來的諸多困難，但其所形成的山坡風(fēng)對(duì)改善城市的風(fēng)環(huán)境卻帶來了很多的好處。由山坡處吹來的冷空氣不僅可以給城市進(jìn)行降溫來緩解熱島效應(yīng)，同時(shí)還可以帶走城市中污染物，改善城市中的空氣質(zhì)量[3]。

本研究擬在大量科研工作者的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算流體力學(xué) (CFD) 的方法對(duì)理想山地城市街區(qū)內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和空氣齡分布進(jìn)行了模擬，通過改變山坡角度和建筑高度來探究山坡風(fēng)對(duì)城市街區(qū)內(nèi)通風(fēng)狀況的影響。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

本文為探究山坡風(fēng)對(duì)城市街區(qū)內(nèi)通風(fēng)狀況的影響，主要參考了 Zhiwen Luo 等[4]的模型來進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并結(jié)合具體情況，將所研究的參考模型簡化為了理想狀態(tài)下的物理模型。圖1 所示為二維理想山地城市模型，城市街區(qū)由10 個(gè)相同的建筑陣列模型組成，其中建筑高為H，建筑寬度B=30 m，建筑之間的距離W=20 m。城市街區(qū)左側(cè)與山坡的距離為30 m，山坡長度為L，高度為S，山坡角度為θ。

圖1 山地城市模型

根據(jù)山地城市模型的尺寸構(gòu)建計(jì)算域模型，以山坡坡頂以上為來流風(fēng)入流邊界，以距離山地城市右端150 m 處為出流邊界，整個(gè)計(jì)算域模型的尺寸為(S+100)m×(L+660)m，其中L為定值，S為可變值。環(huán)境中的山坡風(fēng)以不同的山坡角度從左至右依次流經(jīng)城市街區(qū)，以模擬真實(shí)的大氣環(huán)境[5]。采用 ICEM 軟件對(duì)計(jì)算域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為提高數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本研究采用疏密網(wǎng)格，在建筑物壁面和地面附近采用精細(xì)網(wǎng)格，遠(yuǎn)離建筑物和地面的區(qū)域采用稀疏網(wǎng)格。最小網(wǎng)格尺寸為 0.003 m，最大網(wǎng)格尺寸為0.012 m，網(wǎng)格增長率為1.2。

1.2 數(shù)學(xué)模型

本次的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)假定空氣為不可壓縮的穩(wěn)態(tài)等溫流體，采用雷諾時(shí)均 N-S 方程和 RNG 模型方程求解二維穩(wěn)態(tài)下的溫度場(chǎng)[6]。所有的控制方程采用有限體積法進(jìn)行離散化，為了降低數(shù)值解的震蕩獲得較精確的解，對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)均采用采用二階迎風(fēng)格式[7-8]，利用 SIMPLE 算法來迭代求解壓力 -速度耦合方程，各項(xiàng)收斂殘差均設(shè)置為10 -6 。

1.3 邊界條件

采用 FLUENT 軟件對(duì)計(jì)算域模型進(jìn)行邊界條件設(shè)定，本次數(shù)值模擬是基于無背景風(fēng)狀態(tài)下的研究，故計(jì)算 域左側(cè)采用速度為零的入流邊界（velocity-inlet），計(jì)算域上側(cè)和右側(cè)采用壓力為零的出流邊界（pressure-outlet），計(jì)算域下側(cè)，建筑表面和山坡表面均采用無滑移邊界（wall）。在地面，建筑表面和山坡表面分別設(shè)置熱流密度為0、3 0 kW/m2、3 00 kW/m2。

1.4 工況設(shè)定

本次數(shù)值模擬針對(duì)不同山坡角度和不同建筑高度的變化，共設(shè)定了6 組實(shí)驗(yàn)工況，工況參數(shù)設(shè)置如表1 所示。工況1～3 為保持建筑物高度不變，通過改變山坡角度來考察山坡風(fēng)對(duì)山地城市內(nèi)通風(fēng)狀況的影響。工況 4～6 為保持山坡角度不變，通過改變建筑高度來考察山坡風(fēng)對(duì)山地城市內(nèi)通風(fēng)狀況的影響。

表1 不同工況的山坡角度與建筑高度

1.5 模型驗(yàn)證

獨(dú)立的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)不能證明其結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，需要通過與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的擬合對(duì)比來進(jìn)行輔助驗(yàn)證[9]。圖 2 所示為山地城市街區(qū)中央峽谷的中心處沿y方向的無量綱速度U/Uref和無量綱溫度θ與Uehara 等[10]的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的擬合對(duì)比?？梢钥闯鲈趛/H＜1 的范圍內(nèi)，數(shù)值模擬的無量綱速度U/Uref與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，但在y/H＞1 的范圍內(nèi)，兩者存在一定程度的偏差，數(shù)值模擬的無量綱速度U/Uref要大于風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，其原因是數(shù)值模型高估了U/Uref的最高點(diǎn)，在建筑物上空氣流動(dòng)不可測(cè)所造成的偏差。無量綱溫度θ的數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)吻合，本次數(shù)值模擬程序完全滿足了準(zhǔn)確性和可靠性的要求。

圖2 模擬實(shí)驗(yàn)與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

2 結(jié)果與討論

2.1 峽谷內(nèi)的氣流形態(tài)和溫度分布

圖3 所示為全部工況的流線圖和溫度云圖。在工況1，2 和3 中的街谷內(nèi)均為多渦流動(dòng)，在街區(qū)前端上方則出現(xiàn)較大的渦流流動(dòng)，這是由于建筑街區(qū)與山坡之間存在較大的熱量差別，導(dǎo)致山坡處的冷空氣在流經(jīng)建筑街區(qū)時(shí)與街區(qū)上方的熱空氣混合從而形成大尺度的渦流流動(dòng)。當(dāng)山坡角度較低時(shí)，街谷內(nèi)的渦流流動(dòng)較弱，隨著山坡角度的增加，街區(qū)前端上方的渦流向豎直方向上增大，街區(qū)峽谷內(nèi)的渦流流動(dòng)明顯增強(qiáng)。從溫度云圖中可以看出，由于建筑的阻擋和重力作用，在第一個(gè)建筑迎風(fēng)面形成了溫度較低的冷空氣堆積區(qū)，而繞過迎風(fēng)建筑的冷空氣在建筑街區(qū)上空形成了一個(gè)低溫覆蓋區(qū)域。當(dāng)山坡角度較低時(shí)，街區(qū)峽谷第一個(gè)建筑迎風(fēng)面處的冷空氣堆積區(qū)較弱，街谷內(nèi)部有較多熱量堆積。隨著山坡角度的增加，冷空氣堆積區(qū)形成的低溫覆蓋層有明顯的增多，對(duì)街谷起到了很好的降溫效果，同時(shí)山坡風(fēng)在重力作用下大大增強(qiáng)了對(duì)街谷的沖刷作用，也帶走了街谷內(nèi)大量的熱量。在工況4、5 和6 中，當(dāng)建筑物高度較低時(shí)，街區(qū)峽谷內(nèi)主要以順時(shí)針方向的單渦流動(dòng)為主，街區(qū)前端上方同樣存在較大的渦流流動(dòng)，隨著建筑物高度的增加，街區(qū)前端上空的渦流呈現(xiàn)逐漸減弱趨勢(shì)，而街區(qū)峽谷內(nèi)則形成上大下小的多渦流結(jié)構(gòu)，在街谷上側(cè)為順時(shí)針的渦流，街谷下側(cè)為逆時(shí)針的渦流。這是因?yàn)閸{谷內(nèi)的渦流流速較小，隨著建筑物高度的增加，氣流所受的風(fēng)阻作用增大，單渦流動(dòng)減弱，逐漸分化成多個(gè)渦流。當(dāng)建筑高度H=50 m 時(shí)，在街谷下方的反向渦流逐漸減弱，在街谷背風(fēng)側(cè)底部拐角處形成了較小的渦流。從云圖中可以看出當(dāng)建筑物高度較低時(shí)，街谷內(nèi)部的單渦流動(dòng)很好地帶走了街谷內(nèi)的熱量，街谷內(nèi)部無多余熱量的堆積。但隨著建筑物高度的增加，在街谷內(nèi)卻出現(xiàn)了大量的熱量堆積，這是由于建筑高度的增加導(dǎo)致了峽谷內(nèi)出現(xiàn)了多渦流動(dòng)，峽谷下方的反向渦流阻礙了街谷底部的熱量被正向渦流帶出街谷，所以街谷內(nèi)存在熱量堆積。街區(qū)末端峽谷的熱量堆積明顯比街區(qū)前端嚴(yán)重同樣是由于街區(qū)上方的低溫覆蓋層減弱所造成的。

圖3 流線圖和溫度云圖

2.2 空氣齡的分析

空氣齡是表示空氣質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)入某流場(chǎng)到抵達(dá)流場(chǎng)中某點(diǎn)所用的時(shí)間，也可以表示為外界清潔空氣到達(dá)指定位置所用的時(shí)間[11]，是衡量流場(chǎng)內(nèi)換氣效果的重要指標(biāo)。圖 4 所示為全部工況的空氣齡分布云圖，可以看出最大空氣齡分布大部分都出現(xiàn)在街區(qū)末端峽谷內(nèi)，這是一方面由于山坡風(fēng)到達(dá)街區(qū)末端峽谷的距離較遠(yuǎn)，另一方面是由于街區(qū)末端上方的低溫覆蓋層要小于街區(qū)前端的，其垂直方向上的冷空氣進(jìn)入街谷內(nèi)要更慢。

圖4 空氣齡分布

在工況 1，2 和 3 中，當(dāng)山坡角度較小時(shí)，街谷內(nèi)的空氣齡相對(duì)較大。隨著山坡角度的增大，街谷內(nèi)的空氣齡有明顯的減小，說明增大山坡角度，山坡風(fēng)在重力的作用下更利于進(jìn)入到街谷內(nèi)。

在工況4、5 和6 中，當(dāng)建筑高度較小時(shí)，街谷內(nèi)的空氣齡都相對(duì)較小，且每個(gè)街谷內(nèi)的空氣齡分布基本相同。隨建筑高度的增加，街谷內(nèi)的空氣齡有不同程度的增大，同時(shí)空氣齡有明顯的區(qū)域分布，在街谷上側(cè)的空氣齡要遠(yuǎn)小于街谷下側(cè)，這是由于高建筑街谷內(nèi)的多渦流流動(dòng)阻礙了外界氣流進(jìn)入街谷內(nèi)部。

2.3 換氣速率分析

當(dāng)整個(gè)城市冠層內(nèi)的氣流換熱達(dá)到平衡狀態(tài)后，城市冠層內(nèi)的通風(fēng)換氣主要通過頂部的開口來實(shí)現(xiàn)[12]，此時(shí)可通過城市冠層的換氣速率來衡量街區(qū)峽谷內(nèi)的通風(fēng)狀況。換氣速率是指清潔空氣替代指定空氣的頻率，總換氣速率 ACH 由時(shí)均流動(dòng)引起的換氣率和湍流脈動(dòng)引起的換氣率ACH'兩部分組成。

圖5 換氣速率

3 結(jié)論

本文對(duì)不同山坡角度或不同建筑物高度下的山地城市街區(qū)內(nèi)的通風(fēng)狀況進(jìn)行了全面的模擬與分析，主要得到了以下結(jié)論：

1）山坡角度越大，山坡風(fēng)在重力作用下可以更好的進(jìn)入到城市街區(qū)峽谷內(nèi)，能夠有效緩解街谷內(nèi)的熱量堆積和改善城市街區(qū)的通風(fēng)狀況。例如重慶、貴陽等山地城市的街區(qū)應(yīng)規(guī)劃在一些坡度較大的山坡下游，更好的利用山坡風(fēng)將更多的冷空氣引入到建筑街區(qū)來改善熱島效應(yīng)，提高城市空氣質(zhì)量。

2）建筑高度越高，建筑對(duì)山坡風(fēng)的阻擋作用增強(qiáng)，同時(shí)多渦流流動(dòng)減緩了街谷內(nèi)的空氣交換，導(dǎo)致街谷內(nèi)的溫度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，通風(fēng)換氣速率逐漸減小。當(dāng)建筑高度達(dá)到50 m 后，街谷內(nèi)出現(xiàn)大量的熱量堆積，通風(fēng)狀況較差。

3）街區(qū)迎風(fēng)面處的冷空氣堆積區(qū)有助于改善局部范圍內(nèi)的通風(fēng)狀況，加速了街區(qū)前端峽谷內(nèi)的通風(fēng)換氣速率，使得街區(qū)前端峽谷內(nèi)的通風(fēng)狀況始終要優(yōu)于街區(qū)末端峽谷。