摘要: 室外气流运动与建筑群规划的“和谐”设计,成为建筑系统节能和可持续的生态建筑的重要 方法 之一。利用数值模拟的方法,可以得出住宅小区的室外的速度场、温度场及污染物分布的详细情况,对改善人居内外环境意义深远。本文针对严寒地区住宅小区,综合 分析 室外风环境的 影响 因素,建立了室外风环境的物理和数学模型, 应用 专业CFD软件FLUENT对此特定的流动物理 问题 ,采用适合于它的数值解法,得到三维速度场和压力场,在 计算 速度,稳定性和精度等各方面达到最佳。 研究 表明,使用数值模拟方法对住宅小区的风环境进行评价和探讨,不仅对利用建筑布局改善室外环境有显著的作用,而且在组织良好的室内通风方面也具有一定意义。 关键词: 住宅小区 风场 数值模拟 FLUENT1 引言 随着我国严寒地区低能耗住宅建筑的 发展 ,住宅室内通风换气问题已不容忽视。一般情况下,室内 自然 通风的形成,既有热压通风的因素,也有风压通风的原因,从自然通风改善室内空气品质角度来看,风压通风对室内气候条件的效果比较显著,故应首先考虑如何组织建筑物室外的风压通风来改善室内热环境。2 室外风场的物理模型和CFD数值模拟 2.1 物理模型 哈尔滨市位于严寒地区,冬季持续时间长,且室内空气质量与室外环境相差较大,故节能住宅建筑的通风关键在冬季,本文以哈尔滨地区气象参数中冬季的主导风向和风速为依据,以哈尔滨市泰海小区44号楼及其周围4栋建筑物作为室外风场模拟对象,分析住宅小区室外风场的气流流动情况。模拟建筑物及其周围四栋楼均为高度为22 m 的建筑物,如图1,图中相应地给出各建筑物在泰海小区中的位置及其建筑物布局。为建立数学模型,对物理模型作以下假设和简化:(1)建筑物外气流分布取决于来风风速以及风向,建筑尺寸及形状,以及建筑物开口大小和位置。若开口尺寸小于建筑物立面面积的1/6,三栋建筑可简化为混凝土块。(2)室外气流为风速梯度分布的低速流范围,据Boussinesq假设,空气一般为粘性不可压缩流体。一次简化为稳态的紊流气流流动,考虑到计算机的硬件设备(RAM256M,CPUPⅣ2.4GHz)有限,仅分析最大风速的稳态紊流情况。2.2 CFD数值模拟 FLUENT软件设计基于“CFD计算机软件群的概念”,针对每一种流动的物理问题的特点,采用适合于它的数值解法,从而高效率的解决各个领域的复杂流动的计算问题。FLUENT中提供了下列可供选取的湍流模型:Spalart-Allmaras模型、标准 k-ε 模型、RNG(重组化群) k-  ε 模型、可实现 k-  ε 模型、雷诺应力模型(RSM)和大涡模拟模型(LES)。湍流模型选取取决于诸多因素,如流动物理机理、特定类型问题以往的经验、精度级别的要求、现有的计算机资源和模拟所用时间等。对于住宅小区这样具有较大的建筑物尺寸和较高的风速的特定条件,室外流动的Re从50.000到100.000变化,为完全发展流动,因此,采用标准 k-  ε 湍流模型。参见前人对计算模拟区域的经验设定,室外流动模型模拟区域如下:当所着重模拟的建筑物外表尺寸为1时,模拟区域为上风侧为建筑物长度的3倍,下风侧为建筑物长度的12倍,两侧宽度为建筑物的3倍,高度为建筑物高度的4倍。几何建模和网格划分采用FLUENT的前置处理器-GAMBIT。建筑物室外风场的来流为哈尔滨地区冬季主导风:风向西南,平均风速为按10米高处风速3.8   计算的沿高度递增的梯度风速。上空面、地面及建筑物表面按光滑壁面设定。方程求解中压力与速度的耦合采用压力耦合的半隐方法(SIMPLE),除压力采用二阶迎风格式进行离散外,其他如动量、紊流脉动动能和紊流脉动动能耗散率均采用一阶迎风格式进行离散。

 
图1 哈尔滨泰海小区44号楼及其周围4栋建筑物平面图3 结果分析与讨论 3.1 室外风速矢量场分析 为了研究建筑物周围不同朝向不同高度处的室外气流流动情况,分别计算了位于44号楼中的两个算例:(1)平面高度5.94m(以地面为基准的送风高度);(2)平面高度19.94m。由图2中的速度矢量分布来看,在西南风向的影响下,建筑物群的西南向建筑物处于迎风侧,而东北向建筑处于背风侧。在建筑物群外侧的西北角和东南角以及建筑物群的入口处,速度梯度达到最大值;并在建筑物群背风侧的西北角和东南角产生背风涡流区。建筑物群外侧,速度沿南向建筑物的变化 规律 为:由西向东逐渐增大,在建筑物的拐角处达到最大值;速度沿西向建筑变化规律为:由南向北逐渐增大,在建筑物的拐角处达到最大值。沿西南向建筑物的速度绝对值较大,速度方向变化不大。在建筑物群外侧,速度沿北向建筑物的变化规律为:40号楼侧,速度由西向东速度先变小后变大,在建筑物拐角处均达到最大值,速度方向发生180°变化;42号楼侧,速度大小始终由西向东增大,且速度大小和方向变化较平缓。速度沿东向建筑物的变化为:由北向南速度大小稍有增加,速度方向基本不变。
 
算例1:平面高度5.94m  算例2:平面高度19.94m
 
图2 44号楼及其周围4栋建筑物室外风场速度矢量图及等动压线图
 
注:图中网格为■的位置分别是44号楼3单元202、702户南、北向房间位置。在建筑群内,速度大小变化较小,但方向沿围护结构变化很大。因此,在左右两个马蹄形建筑群内形成了两个强度相似,但旋转方向相反的旋涡。由此可见,在建筑物群外侧拐角等锐缘处,来流的速度大小和方向都发生剧烈变化,且在建筑物群背风侧形成的涡流区内,速度梯度大,风向不稳定。在建筑物群内,易形成强度较小的旋涡区。3.2 室外风场沿建筑物表面风压 分析  建筑物处于大气流场中,由于建筑物形状和空气粘性等因素的 影响 ,使气流速度在建筑物的前后发生变化而引起压强的变化。当风吹响建筑物正面时,因受到建筑物表面的阻挡而在迎风面上产生正压区,气流再向上偏转同时绕过建筑物各侧面及背面,在这些面上产生负压区。因此,当建筑物围护结构存在开口时,由于压差作用,室内就会形成 自然 通风。建筑物周围的压力分布通常由无因次风压系数描述,及建筑物外表面某点的风压与建筑物同高度出来流风压之比。在对44号楼三单元不同平面高度的风压系数及风压值的 计算 结果中,如表1所示。建筑物迎风面的风压系数及风压均随着建筑物高度的增加而增加,且风压从1.6   变化到17.77   增幅较大;而建筑物背风面则处于很弱的负压作用下,风压系数及风压均相对较小,风压作用很弱。对于西向建筑物,由于其同样具有迎风面与背风面风压差大,风压系数变化明显的特征,因此,风压系数及风压变化 规律 同上。由此,对于处于建筑物群迎风侧的建筑物,沿建筑物垂直方向上的风压系数和风压值具有风压差大,风压系数变化明显的特点,因而建筑物高处的通风效果较好。而沿建筑物水平方向上,尽管存在相对不同的风压系数和风压值,但变化规律由对速度场的分析可知,亦存在一定变化规律,即:通风方向均为由建筑物群外侧到建筑物群内侧,且通风效果强。对于建筑物群背风侧的东向和北向建筑物,结合速度矢量分布和风压分布,采取对个别点的采样分析计算可知:由于建筑物两侧速度绝对值小,方向变化复杂,风压系数和风压沿水平和垂直方向变化均不大,因此,背风面的东北向建筑物具有通风强度较弱,通风方向复杂,规律性不明显等特点。表1 44号楼不同平面高度的风压系数及风压值 44号楼 房间朝向 通风器高度Z(m) 高度Z处梯度风风速V(Z)(m/s) 模拟风速(m/s) 动压P(X,Y,Z))(pa) 静压P   (Z)(pa) 风压系数Cp(X,Y,Z)  3单元102 南向 2.84 2.3 1.65 1.83 0.23 0.45  北向 2.84 2.3 -0.35 0.08 0.23 -0.05  3单元202 南向 5.94 3.09 2.44 3.99 0.4 0.55  北向 5.94 3.09 -0.47 0.15 0.4 -0.05  3单元302 南向 8.74 3.6 2.84 5.41 0.61 0.55  北向 8.74 3.6 -0.55 0.2 0.61 -0.05  3单元402 南向 11.54 4.02 3.18 6.79 0.79 0.55  北向 11.54 4.02 -0.91 0.56 0.79 -0.02  3单元502 南向 14.34 4.39 3.78 9.59 0.95 0.79  北向 14.34 4.39 -1 0.67 0.95 -0.02  3单元602 南向 17.14 4.71 5.06 17.18 1.1 1.08  北向 17.14 4.71 -1.07 0.71 1.1 -0.02  3单元702 南向 19.94 4.95 5.32 18.99 1.22 1.08  北向 19.94 4.95 -1.13 0.86 1.22 -0.02     综上所述,哈尔滨泰海小区44号楼及其周围4栋建筑物,在冬季为西南向主导风的作用下,即:风向投射线与建筑围护结构法线的交角-风向投射角为45°,综合考虑风场和涡流区的关系,认为投射角较恰当,建筑物间距(33.66 m ≈1.5H)适宜。建筑物群迎风侧的建筑物通风作用明显,通风方向稳定,且应根据以上分析合理地布置建筑物周围环境,改变建筑物周围的气流流场,创造良好的建筑物室内外通风环境。对于建筑物群背风侧的建筑物,也应通过数值模拟计算分析, 研究 前栋建筑物的阻挡状况以及周围建筑物,寻找特定环境下的通风特点,采取不同的 方法 和措施,使建筑物室内外获得良好的自然通风环境。4  总结  对于受多种因素和条件影响的住宅小区室外环境,以及 应用 广泛、功能强大的FLUENT软件,本文仅分析和应用了一小部分 内容 ,随着计算机技术的 发展 ,综合考虑室外太阳辐射、建筑周围绿化等因素将成为生态建筑环境数值研究的一个新方向,而大涡模拟、直接模拟也将会应用的越来越多,使数值模拟技术在实际工程应用中发挥重要作用。5  参考  文献  1. Yi Jiang, Qingyan Chen. Effect of fluctuating wind direction on cross natural ventilation in buildings from large eddy simulation. Building and Environment 37(2002)379-386.2. James W.Axley, Steven J Emmerich, George N.Walton. Modeling the Performance of a Naturally Ventilated Commercial Building with a Multizone Coupled  The rmal/Airflow Simulation Tool. ASHRAE 2002 HI-02-21-43. Samir S.Ayad. Computational study of nature ventilation. Journal of engineering industrial aerodynamics 82(1999)49-684. 孙一坚主编. 简明通风设计手册.  中国 建筑 工业 出版社 2000.25. 赵福云,汤广发,周安伟.住宅小区热环境数值分析-风环境的数值模拟.全国暖通空调制冷2002年学术年会论文集(下册)2002.