楊 瑛，胡嘉懿，沈 煉，2，汪 闊，孫 昱，許赤士

(1. 長沙理工大學(xué)橋梁工程安全控制技術(shù)與裝備湖南省工程技術(shù)研究中心，湖南長沙 410076； 2. 長沙學(xué)院土木工程學(xué)院，湖南長沙 410012； 3. 湖南省建筑設(shè)計院集團股份有限公司，湖南長沙 410208)

0 引 言

城市風(fēng)環(huán)境是評估小區(qū)人居舒適性的重要指標，近年來漸漸成為研究熱點，得到了廣泛關(guān)注[1-3]。隨著城市化進程不斷推進，熱島效應(yīng)愈加明顯，由城市局部溫差引起的熱對流不容忽視，如夏季建筑表面溫度可高達50 ℃，而目前溫度對實際小區(qū)風(fēng)環(huán)境的具體影響尚不明確，對其展開深入研究具有重要的現(xiàn)實意義。

溫度作用下風(fēng)場研究的主要手段有數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗，何仲陽等[4]采用k-ε湍流模型分析了地表溫差對流場的影響，發(fā)現(xiàn)在平坦地區(qū)，溫度對低風(fēng)速流場影響較大；Cheng等[5]通過大渦模擬(LES)考察了大氣熱分層下城市街道峽谷的流動特征，揭示了大氣熱分層對街道峽谷流場的分布規(guī)律；Li等[6-8]通過LES研究了地面加熱對城市街道峽谷內(nèi)的流場分布，發(fā)現(xiàn)地面加熱能加快街道峽谷內(nèi)流量、湍流和污染物的擴散。通過上述研究發(fā)現(xiàn)，當前研究主要集中在街道峽谷和地形流場的機理分析，而對實際小區(qū)的針對性分析還非常缺乏。同時，數(shù)值模擬由于其計算參數(shù)的不確定性，往往需要風(fēng)洞試驗對其進行驗證。Chaudhry等[9]利用風(fēng)洞試驗和CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的手段研究了漸近加熱對空氣非均勻流場的影響，發(fā)現(xiàn)逐漸升溫會使測試區(qū)的速度降低；Uehara等[10]利用風(fēng)洞試驗研究了大氣熱分層對城市街道內(nèi)流場影響，發(fā)現(xiàn)大氣熱分層超過某一特定值時街道峽谷內(nèi)風(fēng)速幾乎為0；Allegrini等[11-12]通過風(fēng)洞試驗揭示了浮力對城市街道峽谷流場的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在低雷諾數(shù)時街道峽谷內(nèi)速度增幅較大；Kovar-Panskus等[13]利用風(fēng)洞試驗研究了迎風(fēng)面受熱對街道峽谷內(nèi)氣流擴散的影響，發(fā)現(xiàn)迎風(fēng)面理查遜數(shù)Rb<1時慣性力是影響街道峽谷內(nèi)空氣流動的主要因素；歐陽琰等[14]采用風(fēng)洞對小區(qū)的流場和污染物擴散進行研究，發(fā)現(xiàn)污染物濃度受來流風(fēng)速的影響；Hajra等[15-16]通過試驗發(fā)現(xiàn)下游建筑高度是影響污染物擴散的主要參數(shù)。與數(shù)值模擬一樣，當前考慮熱力效應(yīng)下的流場風(fēng)洞試驗研究主要集中在街道峽谷、大氣分層等領(lǐng)域，這些研究結(jié)論為熱力條件下的風(fēng)場分析提供了寶貴試驗參數(shù)，但不足的是當前風(fēng)洞試驗研究并沒有將熱力效應(yīng)直接運用到實際小區(qū)的風(fēng)環(huán)境模擬，特別是對不同熱力強度下實際小區(qū)流場相關(guān)性與舒適度影響的定量分析還未見其報道。

針對當前研究的不足，本文將借助大尺寸風(fēng)洞，對實際小區(qū)在不同熱力條件下的平均風(fēng)、雷諾應(yīng)力、相關(guān)性與舒適度等指標進行深入分析，定量揭示熱力效應(yīng)對流場的影響，相關(guān)研究結(jié)論可為城市規(guī)劃與小區(qū)建筑布局提供參考。

1 風(fēng)洞試驗

1.1 大氣邊界層風(fēng)洞

本試驗在長沙理工大學(xué)風(fēng)工程與風(fēng)環(huán)境研究中心進行，風(fēng)洞如圖1所示，其試驗段尺寸為21 m(長)×10 m(寬)×3 m(高)，轉(zhuǎn)盤直徑為5.0 m，風(fēng)速范圍為1.0～18.0 m·s-1，采用變角度葉片控制技術(shù)，保證了低速流場品質(zhì)，同時配備了三維移側(cè)架，可在風(fēng)洞內(nèi)監(jiān)測模型任意位置風(fēng)速。

1.2 風(fēng)速測量儀器

試驗過程中，人行高度位置處風(fēng)速采用歐文探針測量，探針結(jié)構(gòu)如圖2所示。探頭直徑為15 mm，在探頭中心開槽，槽中心穿插一根直徑1 mm中空鋼針(A端)，開槽處下端布置另一根直徑1 mm的中空鋼針(B端)。根據(jù)歐文探針原理可知，風(fēng)速與A、B端的壓差呈正比關(guān)系，即

(1)

式中：pA、pB分別為探頭兩端的風(fēng)壓；a、b為探頭的標定系數(shù)；u為A端的風(fēng)速。

豎向風(fēng)速測量采用澳大利亞TFI公司的Cobra探頭(眼鏡蛇風(fēng)速儀)，該探頭能夠同時測量三向壓力或風(fēng)速時程，采樣頻率為512 Hz，采樣時間為1 min。

1.3 加熱裝置

在風(fēng)洞模型前鋪設(shè)電阻絲電熱板，模擬地面溫度，利用控溫數(shù)顯加熱開關(guān)設(shè)定目標溫度，其中，加熱開關(guān)可調(diào)范圍為0～60 ℃，測溫精度為±1 ℃，最大功率為180 W·m-2。

1.4 試驗?zāi)Ｐ团c測點布置

建筑模型的設(shè)計與加工遵循相似準則，縮尺比為1∶200，如圖3(a)所示。試驗前將模型放置于風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤上，模型直徑為3.0 m，模型阻塞比約為2%，左右兩側(cè)均留有3 m空間，確保試驗過程中風(fēng)洞壁面對流場的影響。試驗過程中布置了110個歐文探針，并在典型位置監(jiān)測風(fēng)剖面，監(jiān)測位置如圖3(b)所示。

試驗時采用均勻風(fēng)和B類地表風(fēng)兩種入口來流條件，B類風(fēng)場參照規(guī)范[17]模擬的風(fēng)剖面和湍流度剖面，如圖4所示。試驗過程中模擬了8個風(fēng)向角，間隔45°，風(fēng)向角通過旋轉(zhuǎn)模型角度實現(xiàn)。

1.5 試驗工況

近地面流場會因為溫度分布不均勻產(chǎn)生浮力，而理查遜數(shù)可用來評估浮力對流場的影響。大氣湍流理論中，理查遜數(shù)Rb是湍流運動抵抗重力所做功與雷諾應(yīng)力產(chǎn)生平均動能轉(zhuǎn)變成脈動動能的比值，理查遜數(shù)越大，表示浮力的影響越重要。假設(shè)高度h0處溫度與地面溫度差值為ΔT，高度h0處的風(fēng)速為u0，g為重力加速度，T0為環(huán)境溫度，理查遜數(shù)Rb可表示為

(2)

為了有效地獲取地面加熱對流場的影響，利用理查遜數(shù)Rb表征熱力效應(yīng)，采用不同Rb數(shù)對空風(fēng)洞進行了詳細分析，通過眼鏡蛇風(fēng)速儀測得風(fēng)速發(fā)現(xiàn)，測量高度超過0.5 m以后，溫度對風(fēng)速影響幾乎可以忽略，因此本文h0取0.5 m，環(huán)境溫度T0取20 ℃，均勻流u0為1.2 m·s-1。試驗過程中，利用歐文探針捕捉人行高度2 m位置的平均風(fēng)速，并利用Cobra風(fēng)速儀對典型位置風(fēng)剖面進行了詳細監(jiān)測，監(jiān)測風(fēng)剖面如圖5所示。試驗過程中，通過改變加熱板的溫度，得到了5種工況下的Rb數(shù)[18]，分別為0、-0.07、-0.17、-0.28和-0.38，采用3次溫度測量的平均值作為最終試驗值，以確保試驗精度。

2 熱力效應(yīng)下空流場分布機理

為揭示溫度場對流場的影響規(guī)律，采用平均風(fēng)進行風(fēng)洞試驗研究。對上述5種不同工況進行試驗，獲取不同工況下測點的風(fēng)速時程。同時，對不同Rb數(shù)作用下測點順風(fēng)向速度分布以及雷諾剪切應(yīng)力分布進行詳細分析，其結(jié)論如下所述。

2.1 平均風(fēng)

2.2 雷諾剪切應(yīng)力

3 熱力效應(yīng)下的小區(qū)流場分布

3.1 整體風(fēng)速分布

研究顯示，當雷諾數(shù)達到臨界值后，流場的分布不隨入口風(fēng)速的變化而變化，即在對應(yīng)某一風(fēng)向下建筑物周圍流場是相對固定的，定義風(fēng)速比MVR為

(3)

式中：ui為i號測點行人高度風(fēng)速。

通過風(fēng)洞試驗得到了在不同風(fēng)向角下該小區(qū)人行高度風(fēng)速分布，本文僅展示主導(dǎo)風(fēng)向在Rb=0、Rb=-0.17和Rb=-0.38下的人行高度風(fēng)速云圖，圖9和圖10分別為平均來流和B類入口來流作用下人行高度風(fēng)速云圖。從圖9、10發(fā)現(xiàn)，兩種來流作用下的小區(qū)流場分布大致相同，均形成了很明顯的“峽谷效應(yīng)”，主要原因是小區(qū)建筑物與山體之間間距很小，出現(xiàn)了局部強風(fēng)，而在建筑物背風(fēng)面出現(xiàn)大量低風(fēng)速區(qū)。

為分析熱力效應(yīng)對小區(qū)風(fēng)環(huán)境的影響，對不同工況作用下風(fēng)環(huán)境進行對比分析，如圖11所示，其中落在45°線兩側(cè)區(qū)域測點表示溫度對該測點的影響程度大，落在45°線上測點表示溫度影響程度較小。從圖11發(fā)現(xiàn)，在主導(dǎo)風(fēng)下，風(fēng)速比在0.6以下的測點受到Rb的影響程度相對較大，風(fēng)速比在0.6以上溫度對風(fēng)速的影響較小。引入均方根系數(shù)，對圖11中平均風(fēng)速進行誤差分析，發(fā)現(xiàn)均方根系數(shù)分別為0.623和0.635，說明兩種溫度效應(yīng)對人行高度風(fēng)環(huán)境總體影響較小。

3.2 風(fēng)剖面

3.3 雷諾應(yīng)力剖面

3.4 相關(guān)性

速度的相關(guān)性能夠提供與湍流尺度有關(guān)的空間信息，并且兩點速度的空間相關(guān)性已經(jīng)在既往研究中被廣泛討論[19-21]，對于空間任意一點與參考點的速度相關(guān)性可以表示為

(4)

式中：(xref，yref，zref)為參考點的空間坐標；〈·〉為時間平均的過程；σui為速度分量標準差；R(x,y,z)的取值范圍為[-1，1]，相關(guān)性系數(shù)的正負表示兩者相關(guān)的方向，相關(guān)性系數(shù)絕對值的大小表示兩者相關(guān)程度的強弱。

圖14為B類地表風(fēng)下小區(qū)整體風(fēng)速相關(guān)性系數(shù)云圖，以P1點為參考，通過分析發(fā)現(xiàn)人行高度相關(guān)性系數(shù)主要集中在0.2～0.6之間。人行高度相關(guān)性系數(shù)變化最大點出現(xiàn)在出風(fēng)口位置，如圖14橢圓區(qū)域所示，相關(guān)性系數(shù)最大變化值為0.08。由此可知，溫差對人行高度合速度影響較小，可以忽略。值得注意的是，由溫差引起的豎直分量對近地面污染物擴散具有重要影響，但當前研究中，由于受測量精度的影響，需結(jié)合數(shù)值模擬對其展開進一步研究。

3.5 熱力效應(yīng)對風(fēng)環(huán)境舒適度影響分析

目前，對建筑風(fēng)環(huán)境的評價方法主要是超越概率評估法[22]，采用超越閾值概率方法對小區(qū)風(fēng)環(huán)境評估時，需要知道建筑周邊的流場分布和當?shù)爻Ｄ甑娘L(fēng)向風(fēng)速的概率分布函數(shù)。采用Weibull雙參數(shù)分布確定各風(fēng)向角下的風(fēng)速，超越概率計算表達式為

(5)

式中：Pθi為θi風(fēng)向風(fēng)速超過風(fēng)速閾值uTHR的超越概率；Aθi為發(fā)生頻率；Cθi為尺度參數(shù)；Kθi為形狀參數(shù)。

通過分析常年逐時風(fēng)速風(fēng)向統(tǒng)計資料，得到長沙市區(qū)8個風(fēng)向角作用下的Weibull分布參數(shù)，如表1所示。表2為小區(qū)典型測點的超越概率值匯總表。

基于上述理論對小區(qū)測點進行了超越概率分析，得到各測點全風(fēng)向下行人舒適度風(fēng)速超越概率。在小區(qū)周圍建立了110個監(jiān)測點[圖3(b)]，得到小區(qū)核心區(qū)域測點的行人高度風(fēng)環(huán)境評估結(jié)果，如圖15所示。從圖15可以發(fā)現(xiàn)：隨著Rb升高，絕大部分測點超越概率適當增加，但其幅度非常小，最大值出現(xiàn)在14號點；隨著溫度的升高，其風(fēng)速超越概率值增長3.87%。因此在實踐過程中，由溫度引起的單純風(fēng)環(huán)境舒適度變化非常小，可以忽略其影響。

4 結(jié)語

(1)通過對不同熱力條件下空風(fēng)洞流場進行分析發(fā)現(xiàn)，在-0.38

(2)實際建筑小區(qū)人行高度風(fēng)環(huán)境受溫度影響整體較小，風(fēng)速比在0.6以下時測點風(fēng)速受熱力效應(yīng)影響較大，但風(fēng)速比在0.6以上時測點溫度對風(fēng)速影響效果相對較小。

(3)熱力效應(yīng)對人行高度風(fēng)場的相關(guān)性與舒適度影響較小，其最大值分別為8%和3.87%，實踐過程中可忽略其影響。

(4)試驗過程中，由于風(fēng)速相對較小，所采用的Croba探頭很難精確捕捉風(fēng)場的展向和豎直方向分量信息，同時，人行高度風(fēng)場分析過程中采用的歐文探頭也無法獲取風(fēng)速的不同分量，使得文中結(jié)論僅揭示了熱力效應(yīng)對合速度的影響。風(fēng)場豎向分量對污染物擴散具有重要作用，在后續(xù)研究中，需通過數(shù)值模擬技術(shù)進一步詳細研究溫度對風(fēng)場各分量(尤其是豎直分量)的影響。

表1 氣象觀測資料統(tǒng)計Table 1 Statistics of meteorological data

表2 小區(qū)典型測點的超越概率Table 2 Exceedance probability of typical monitoring points in community