（流體力學(xué)專業(yè)論文）高層建筑群風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬研究.pdf

上海大學(xué)上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所碩士學(xué)位論文 摘要 近年來 隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展 城市規(guī)模的不斷擴(kuò)展 高層建筑大量建 設(shè) 與此同時(shí)高層建筑群風(fēng)環(huán)境的問題的日益突出 引起了人們的普遍關(guān)注 由 于高層建筑群的成員建筑物之間的互相干擾 使得建筑物周圍風(fēng)環(huán)境狀況較之單 個(gè)建筑物的情形要復(fù)雜的多 本論文研究了高層建筑周圍產(chǎn)生的不良風(fēng)環(huán)境問題 主要工作如下 第一 二部分 對(duì)國外在有關(guān)風(fēng)環(huán)境問題的研究情況進(jìn)行了闡述 對(duì)高層建 筑風(fēng)環(huán)境牽涉的各個(gè)方面情況進(jìn)行了分類和概括 這些研究方面包括 風(fēng)舒適性 準(zhǔn)則制定 用于評(píng)價(jià)當(dāng)?shù)仫L(fēng)環(huán)境的風(fēng)氣象資料的收集 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)步驟的制定 數(shù) 值模擬的方法 以及風(fēng)環(huán)境的預(yù)估控制 而這些方面的研究對(duì)于制定適合我國國 情的風(fēng)環(huán)境預(yù)估控制規(guī)程也是必需具備的條件 第三部分 應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k s 模式模型 數(shù)值模擬了建筑群風(fēng)場 得到了平均 速度 湍流度的等值分布曲線 并與我們前面的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了比較 取得了較好的 結(jié)果 數(shù)值模擬采用2 2 正交布置的不同截面形狀的建筑群進(jìn)行模擬 1 1 方形建 筑物尺寸為1 8 0 h 高 4 5 w 寬 x 4 5 d 深 m 2 長方體形建筑物尺寸為 1 8 0 h 高 9 0 w 長 4 5 d 寬 m 建筑間距共取兩種工況 分別為1 5 倍 2 5 倍的建筑寬度 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)合相關(guān)的文獻(xiàn)資料可以建立一些基于建 筑物尺度與流場關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?用于對(duì)一些實(shí)際的建筑布局形態(tài)進(jìn)行風(fēng)環(huán)境的 初步預(yù)估 第四部分 對(duì)浦東陸家嘴地區(qū)的部分高層建筑的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了實(shí)測及數(shù)值模 擬 實(shí)地測量采用的儀器是手提式三杯風(fēng)速儀 測量季節(jié)選為冬季 測量數(shù)據(jù)與 數(shù)值模擬結(jié)果作了對(duì)比 發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)測較為接近 同時(shí)根據(jù)模擬數(shù) 據(jù)對(duì)當(dāng)?shù)仫L(fēng)環(huán)境做了簡略的評(píng)價(jià) 最后對(duì)高層建筑風(fēng)環(huán)境的預(yù)防和補(bǔ)救措施進(jìn)行 了概括闡述 其中涉及到的一些概念和方法對(duì)于城市規(guī)劃部門 建筑師及房產(chǎn)開 發(fā)商將具有 定的參考價(jià)值 關(guān)鍵詞 高層建筑物 數(shù)值模擬 風(fēng)環(huán)境 繞流 上海大學(xué)上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t m o r ea n dm o r eo f h i g hb u i l d i n g sh a v eb e e nb u i l ti no u rc o u n t r y i t l ld e v e l o p i n g t h ee c o n o m i c sa n dt h e c i t yr e c e n t l y a l o to fw i n de n v i r o n m e n t p r o b l e m s a r e e n c o u n t e r e d p e o p l ef o c u so n t h ep r o b l e m sa b o u tt h ef l o wf i e l da r o u n dt h eb u i l d i n g s b e c a u s eo f t h ed i s t u r b a n c eo f t h e b u i l d i n g sn e a r b y t h ew i n de n v i r o n m e n to f t h eg r o u p b u i l d i n g sa r em o r ec o m p l i c a t e dt h a nt h es i n g l eo n e s t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ew i n d e n v i r o n m e n t p r o b l e m sa r o u n dt h eg r o u ph i g hb u i l d i n g s p a r ti i hi t p r e s e n t sr e c e n tr e s e a r c hf i n d i n g so fw i n de n v i r o n m e n tp r o b l e m s a r o u n dh i g hb u i l d i n g s i ta t t e m p t st oc l a s s i f ya n dg e n e r a l i z er e l e v a n ti n f o r m a t i o no f w i n de n v i r o n m e n t p r o b l e m s a r o u n d h i g hb u i l d i n g s i no r d e rt o c o n s t i t u t et h e k n o w l e d g eb a s eo fw i n do r d i n a c e f i r e di n c h i n a i n c l u d i n ga c c e p t a b i l i t yc r i t e r i a w e a t h e rd a t a w i n dp r o c e d u r e n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de t c p a r ti i i t h ew i n df i e l do f h i g hb u i l d i n gw a sc o m p u t e dn u m e r i c a l l yb y k 一占 m o d e l t h ed i s t r i b u t i o no fm e a nw i n ds p e e da n dr m sw i n ds p e e df o ra 1 1c a s e a sc o n t o u r m a p sa n dc u r r e n tf i n d i n g s al 1s c a l em o d e lo far e p r e s e n t a t i v e b u i i d i n gb l o c k sw i t hd i f f e r e n tc r o s ss e c t i o nw a sc o n s t r u c t e d c o n s i s t i n g o f2 b y 2 g r i d o fu n i f o r m b u i l d i n gb l o c k s 1 1 8 0 m x4 5 mx4 5 m 2 1 8 0 m x 9 0 m x 4 5 m w i t hi 5a n d2 5m u i t i p l e so f 4 5 m s e p a r a t i o nb r e a t h a n dt h ew i n d d i r e c t i o nt ot h ef r o n tf a c eo ft h et e s tb u i l d i n gb l o c k sw i t h0a n d4 5d e g r e e s o m e g e n e r i cm o d e l se s t a b l i s h e dw i t ht h ee m p i r i c a lr e l a t i o n sb e t w e e nw i n d c o n d i t i o n sa n db u i l d i n gc o n f i g u r a t i o n sc a nb ea p p l i e df o rt h ep r e l i m i n a r y e s t i m a t i o no fw i n de n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n si n b u i l t u pr e g i o n s p a r ti v t h e a p p l i c a t i o n s t u d i e si nt h i st h e s i sa r er e l a t e dt ot h er e s u l to f f u l l s c a l em e a s u r e m e n t sa tt h eb a s eo f h i g h r i s eb u i l d i n g sl o c a t e di nas h a n g h a ic b d a n dt h e c o m p a r i s o n w i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ef u l l s c a l em e a s u r e m e n t sa r e c a r r i e do u tu s i n gam o b i l et h r e e c u pa n e m o m e t e rw i t haw i n dv a n ef o rt h em a j o rw i n d d i r e c t i o ni nw i n t e r s e v e r a ll i m i t e dc o m p a r i s o n so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n d f u l l s c a l ed a t aa r eg i v e n i ti sf o u n dt h a tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dg e n e r a l l y g i v e sar e l i a b l ep r e d i c t i o no f f u l l s c a l ew i n dc o n d i t i o n sn e a rt h eh i g h r i s e b u i l d i n g s b r i e fc o m f o r ta s s e s s m e n to ft h el o c a lw i n dc o n d i t i o n sa r o u n dt h eb u i l d i n g sw a st a k e n 上海大學(xué)上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所碩士學(xué)位論文 b ym e a s u r e m e n t so f t h ev e l o c i t yr a t i o w h i c hc o m p a r e dw i t ht o c a lw i n ds p e e df o r d i r e c t i o no fi n t e r e s t a tt h ee n do ft h e s i sg e n e r a l i z es o m em i t i g a t i o na n dr e m e d i a l m e t h o d sa n d p r o c e d u r e s w h i c hw i l ld o g o o d t ot h e c i t yp l a n n i n gd e p a r t m e n t a r c h i t e c t u r ea n dr e a le s t a t ed e v e l o p e r k e yw o r d s h i g hb u i l d i n g s n u m e r i c a l s i m u l a t i o n w i n de n v i r o n m e n t f l o w a r o u n d o v e r 第一章概述 1 1 研究背景 第一章概述 隨著人1 3 的日益增多和建筑科學(xué)技術(shù)日新月異的進(jìn)步 以及城市建設(shè)節(jié)約用 地的需要 高層建筑和超高層建筑都得到了飛速的發(fā)展 從1 8 8 5 年美國芝加哥 家庭保險(xiǎn)公司 目前公認(rèn)的世界上第一幢有現(xiàn)代意義的高層建筑的建成到現(xiàn) 在 高層建筑的發(fā)展已經(jīng)走過了一百多個(gè)年頭 而真正高層建筑的大量興起還是 近二 三十年間 一方面 隨著鋼鐵 機(jī)械 電氣及電梯工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步 在技 術(shù)上為高層建筑的進(jìn)一步發(fā)展提供了可能性 另一方面 伴隨著城市用地的進(jìn)一 步緊張 發(fā)展商不斷要求提高建筑容積率 造成目前城市中的建筑越來越高 密 度越來越大 而由高層建筑引發(fā)的建筑風(fēng)環(huán)境問題已引起廣泛的注意 人 自然 建筑 城市一直是緊密相關(guān)的概念 而風(fēng)與它們都有關(guān)系 風(fēng)是 構(gòu)成環(huán)境 尤其是室外環(huán)境的重要因素之一 在城市中 近地風(fēng)的特性非常復(fù)雜 它不僅依賴于建筑物本身的外形 尺寸和某些建筑物特征 如開口 通道等 而 且依賴于周圍建筑物的相對(duì)位置 外形以及四周地形的粗糙程度 隨著建筑物的 增高 布局的密集 近地面大氣層對(duì)建筑的影響也越來越明顯 在近地面大氣層 內(nèi) 空氣的流動(dòng)是很容易突變的 在某一點(diǎn)上的風(fēng)向和風(fēng)速 短時(shí)間內(nèi)可能會(huì)有 很大的變動(dòng) 理論上認(rèn)為是一種湍流現(xiàn)象 在高大建筑物周圍變化更為劇烈 往 往會(huì)引起局部地區(qū)風(fēng)速的增大和紊亂 產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣流變化 引起風(fēng)環(huán)境的惡化 在一般的氣象條件下 都市風(fēng)影響著城市建筑環(huán)境的小氣候 而高層和超高 層建筑的問世 產(chǎn)生了尖銳突出的再生風(fēng)環(huán)境和二次風(fēng)環(huán)境 成為城市環(huán)境公害 的一個(gè)重要方面 高層建筑周圍強(qiáng)烈的湍流會(huì)對(duì)行人產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響 直接影響 到風(fēng)環(huán)境的舒適感 在高層建筑林立的 山谷 之中 經(jīng)?？梢钥吹脚e步為艱 迎風(fēng)前進(jìn)的行人們 在美國紐約著名的華爾街金融中心區(qū) 由于地價(jià)昂貴 高層 建筑緊密相鄰 由此引發(fā)的大樓風(fēng)終年不散 對(duì)周圍的環(huán)境舒適性造成嚴(yán)重的影 響 每當(dāng)城市遇到惡劣的風(fēng)氣象條件 如臺(tái)風(fēng) 颶風(fēng)時(shí) 這種風(fēng)環(huán)境影響將轉(zhuǎn)為 帶有破壞性的災(zāi)害 它會(huì)使建筑外墻的幕墻玻璃或窗扇受到破壞 瞬時(shí)改變風(fēng)向 或突然提高風(fēng)速的大樓風(fēng) 還將使人行動(dòng)不穩(wěn) 甚至釀成重大事故 其中 最引 人注意的報(bào)道是1 9 7 2 年英國p o r t s m o u t h 市有一位老太太在一座1 6 層的大廈拐角 處被風(fēng)吹倒而死亡川 在1 9 8 2 年1 月5 日 在美國紐約曼哈頓島世界貿(mào)易中心 雙塔附近的一瞳5 4 層超高層建筑前的廣場上 3 7 歲的女性羅絲 斯皮爾波蓋爾 正在行定時(shí) 被突然刮來的強(qiáng)風(fēng)吹倒而受傷 為此她以 由于建筑設(shè)計(jì)和施工上 第一章概述 的缺點(diǎn) 而造成了 人力無法管理的風(fēng)隧道 為由 向紐約最高法院對(duì)該建筑的 設(shè)計(jì)人 施工者 建筑所有人 租借人 甚至包括相鄰大廈的有關(guān)人員都提出了 控告 并要求支付6 5 0 萬美元的賠償捌2 1 諸如此類由于風(fēng)環(huán)境出問題的例子很 多 現(xiàn)在 高層建筑及其群體所引起的周圍風(fēng)環(huán)境問題 己成為高層建筑設(shè)計(jì)必 須首先考慮的問題之一 不良風(fēng)環(huán)境的影響 人 造成人們活動(dòng)的障礙 有不舒適 寒冷的感覺 行走不穩(wěn) 摔倒 手持物易脫手 建筑物 廣告牌吹壞 玻璃破碎 門窗開關(guān)困難 屋頂掀翻 建筑的給排氣 通風(fēng)性能不好 強(qiáng)風(fēng)造成的建筑尖銳噪音或擠軋聲等噪音 自行車 車騎不快 費(fèi)勁 不易控制 其他 植物傾倒 受傷害 晾曬在外的物品易被吹掉 商店等的陳列品翻倒 飛散 灰塵 垃圾飛散 影響環(huán)境 風(fēng)大時(shí)氣溫下降 無風(fēng)時(shí)悶熱異常等對(duì)環(huán)境溫度產(chǎn)生的影響 大量的事例 不斷發(fā)生的糾紛 訴訟都在提醒著有關(guān)政府部門 規(guī)劃師 建 筑師和風(fēng)工程學(xué)家 風(fēng)環(huán)境和再生風(fēng)環(huán)境已是不可回避的尖銳問題 必須從立法 規(guī)劃 設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn) 理論諸方面進(jìn)行深入研究 從而提出必要的對(duì)策 而近些年 來國內(nèi)外對(duì)這一領(lǐng)域的研究也已開展起來 近2 0 年來 由于亞洲特別是環(huán)太平洋西岸地區(qū)經(jīng)濟(jì)飛躍和持續(xù)的發(fā)展 這 一地區(qū)內(nèi)很多城市普遍進(jìn)行更新和改造 大量的高層 超高層建筑應(yīng)運(yùn)而生 然 而 由于對(duì)室外風(fēng)環(huán)境的預(yù)測不夠重視和缺乏有效的技術(shù)手段 設(shè)計(jì)者們一般是 把注意力過多的集中在了總平面的功能布置 美觀設(shè)計(jì)及空間利用上 而很少考 慮高層 高密度建筑群中空氣氣流流動(dòng)情況對(duì)人以及污染物擴(kuò)散等的影響 事實(shí) 第一章概述 上 良好的室外環(huán)境 不僅意味著在冬季盛行風(fēng)風(fēng)速太大時(shí)不會(huì)在建筑群內(nèi)出現(xiàn) 人們舉步為艱的情況 還應(yīng)該是在炎熱夏季能利于室內(nèi)自然通風(fēng)的進(jìn)行 即避免 在過多的地方形成旋渦和死角 非典時(shí)期病毒的迅速蔓延 有很多就是由于通 風(fēng)不暢導(dǎo)致病毒的滯留引起的 但在國內(nèi) 相應(yīng)建筑風(fēng)環(huán)境的研究和管理還未引 起足夠的重視 就我國的 風(fēng)環(huán)境 研究而言 可以說是剛剛處于起步階段 一些重點(diǎn)工程 的設(shè)計(jì)中也進(jìn)行過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn) 但其主要的目的都是利用空氣動(dòng)力學(xué)的手段 對(duì)這 些建筑或構(gòu)造物所引起的風(fēng)載和風(fēng)振問題進(jìn)行研究 從而為結(jié)構(gòu)上的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提 供更為安全可靠的數(shù)據(jù) 當(dāng)前許多高層建筑也不是由地震載荷而是由風(fēng)載荷來決 定結(jié)構(gòu)骨架 至于從環(huán)境科學(xué)的角度 科學(xué)地預(yù)測和評(píng)價(jià)新建筑對(duì)于周圍環(huán)境在 風(fēng)環(huán)境方面的影響 還沒有見到過這方面的報(bào)導(dǎo) 肆虐的 非典 也給我們敲響 了警鐘 使我們看到 關(guān)注和改善建筑群風(fēng)環(huán)境 杜絕和防止風(fēng)環(huán)境污染 已經(jīng) 不僅是為了提高人們的生活質(zhì)量的問題 而且直接關(guān)系廣大人民群眾的身體健康 和生命安全 所以我們必須從觀念上不斷的提高認(rèn)識(shí) 從而找出正確的對(duì)策和解 決的辦法來 伴隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們環(huán)保意識(shí)和健康舒適理念的提高 住區(qū)環(huán)境質(zhì) 量越來越受到更多人的重視 對(duì)住區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 必將成為小區(qū)和城市 規(guī)劃的重要環(huán)節(jié) 為此 為了營造健康舒適的居住微環(huán)境 就需要在規(guī)劃設(shè)計(jì)階 段對(duì)建筑進(jìn)行風(fēng)環(huán)境作出預(yù)測評(píng)價(jià) 以指導(dǎo) 優(yōu)化建筑群的規(guī)劃設(shè)計(jì) 1 2 建筑物周圍風(fēng)環(huán)境的空氣動(dòng)力學(xué)性質(zhì) 1 2 一l 自然風(fēng)的性質(zhì)與建筑物周圍的風(fēng)環(huán)境 在大氣邊界層中的自然風(fēng) 由于受到處于風(fēng)場中建筑鈍體的阻擋 使得在建 筑物的周圍區(qū)域風(fēng)場產(chǎn)生很大的變化 實(shí)際的建筑鈍體本身具有各種復(fù)雜的三維 幾何體形狀 而處于大氣邊界層中的自然風(fēng)來流本身沿鉛直高度有不同的風(fēng)速 這些都造成了建筑物周邊的氣流在空間和時(shí)間上都具有非常復(fù)雜的非定常流性 狀 建筑物的存在改變了其周圍的氣流分布 造成局部擾動(dòng) 由此而引起速度場 和壓力場的變化 發(fā)生空氣動(dòng)力學(xué)畸變 建筑物對(duì)上游的氣流具有阻擋作用 在 下游形成下洗現(xiàn)象 使周圍的流場變得非常復(fù)雜 尤其是隨著城市建筑密度的增 加 建筑物之間的氣流影響也增大 建筑物與主導(dǎo)風(fēng)的角度 建筑物之間的距離 排列方式等產(chǎn)生的各種風(fēng)效應(yīng)對(duì)建筑物和周圍的環(huán)境影響很大 大多數(shù)建筑物的 形狀都是非流線形體 各個(gè)方向的氣流流經(jīng)建筑物時(shí)都將引起振動(dòng)問題 也會(huì)形 第一章概述 成氣流死區(qū) 易使附近某些空氣污染物滯流 不利于周圍的空氣環(huán)境 特別在高 密度住宅區(qū)由于人口密度大 環(huán)境相對(duì)封閉 疫病一旦進(jìn)入 具有傳染速度快 擴(kuò)散危險(xiǎn)高的特點(diǎn) 典型的例子象香港淘大花園的 非典 病毒通過下水管線和 風(fēng)道傳播擴(kuò)散3 0 0 多人 為了實(shí)際研究的方便 這里采用了通常研究鈍體空氣動(dòng) 力學(xué)流動(dòng)性質(zhì)的理想假設(shè) 即忽略小尺度的非定常性 而用定常流的觀點(diǎn)對(duì)流態(tài) 進(jìn)行定性分析 建筑物周圍的流場 在定常的觀點(diǎn)下研究 往往可以分為四個(gè)不同性質(zhì)的流 域 3 o 1 自由流區(qū) 自然來流在遭遇建筑鈍體的阻擋時(shí)產(chǎn)生偏向 并在建筑物前方 側(cè)方形 成了自由流區(qū) 它位于邊界層外部的勢流區(qū) 在理想的假設(shè)下 不考慮二次流所 產(chǎn)生的紊亂 此流域可以用b e r n o u l l i 公式進(jìn)行描述 2 分離剪切層區(qū) 一般情況下 有風(fēng)速為零的邊界層建筑物表面一直到建筑物外側(cè)自由流 域中間 有一個(gè)剪切層區(qū) 此剪切層是邊晁層從建筑物表面分離的時(shí)候 在分離 后尾流 w a k e 與自由流區(qū)之間所形成的 對(duì)于二維圓柱和矩形建筑分離點(diǎn)卻不是 一樣的 圓柱建筑周圍氣流流動(dòng) 因無角點(diǎn) 其分離點(diǎn)不固定 在不同雷諾數(shù) c r u d u d 一特征長度 礦一運(yùn)動(dòng)粘度 來流湍流度盯 i 娶 u 1 u 一平均速度 一脈動(dòng)速度 和圓柱表面粗糙度下會(huì)有不同的流型 而一般繞矩 形建筑的流動(dòng) 分離點(diǎn)總是固定在前緣角點(diǎn)處 相對(duì)圓柱來說 流動(dòng)特性對(duì)r 數(shù) 不敏感 但是在此流動(dòng)中 尾流和自由流區(qū)間發(fā)生的剪切作用會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的紊亂 3 尾流區(qū) 處于整個(gè)分離剪切層以內(nèi)的流動(dòng)區(qū)域即是尾流區(qū) 它與到達(dá)建筑物后方 的自由流相比流速較弱 并且具有明顯的環(huán)流 4 滯止區(qū) 處于建筑物迎風(fēng)表面前方的區(qū)域稱為滯止區(qū) 在這個(gè)流域的中心形成了 流的滯止點(diǎn) s t a g n a t i o np o i n t 滯止點(diǎn)上部是向上的流 下部是向下的流 并 且在迎風(fēng)面前側(cè)形成駐渦 s t a n d i n gv o r t e x 高處高能量的氣體被輸運(yùn)到下方 并隨著分離流線向側(cè)面 后面?zhèn)魉?由于自然風(fēng) 即大氣邊界層氣流 形式出現(xiàn)的建筑物具有各種形狀的前緣 具有很大的湍流度 另一方面 以鈍體 而來流湍流度和物體的形狀對(duì)流體的分 第一章概述 離 剪切層的形狀以及尾流特性都有重要的影響 上述建筑物周邊流域的性質(zhì)隨 著建筑物的具體形狀 自然風(fēng)向等性質(zhì)的變化而發(fā)生改變 流體從建筑物表面的 分離和再附著現(xiàn)象是最有代表性的一種情況 流體再附著現(xiàn)象隨著流體入射方向 與建筑物側(cè)壁面的交角以及順風(fēng)方向建筑物邊長有著密切的關(guān)系 一旦再附著現(xiàn) 象在建筑鈍體上產(chǎn)生 分離流與建筑物壁面問將產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋渦 分離流線進(jìn)一 步向外側(cè)推使分離點(diǎn)近旁自由流收斂加強(qiáng) 風(fēng)速加大 此外 當(dāng)入射風(fēng)的湍流度 增大 邊界層內(nèi)湍流摻混加劇 它將有助于使動(dòng)量高的流體輸運(yùn)到建筑鈍體表面 從而使分離推后出現(xiàn) 尾流域相應(yīng)變窄 因此 自然風(fēng)來流的性質(zhì)對(duì)建筑物流域 有很大的影響 1 2 2 建筑物周邊區(qū)域流動(dòng)與強(qiáng)風(fēng)發(fā)生的關(guān)系 建筑物周邊區(qū)域中強(qiáng)風(fēng)發(fā)生的三種情況 a 由于分離而產(chǎn)生流束收斂的自由流區(qū)域 由于邊界層分離而使自由流域收斂 風(fēng)速會(huì)明顯增大 從理論上這種現(xiàn) 象可用b e r n o u l l i 流管定理來解釋 假定無限遠(yuǎn)來流某流管面積為a s 流速為v s 至建筑物附近處面積a 流 速v 則經(jīng)過收斂的自由流速v 的大小與無限遠(yuǎn)點(diǎn)來流平均風(fēng)速v s 相比 將隨 面積比 a s a 的增大而增大 b e r n o u l l i 4 定理可由下述描述 譬 氣 譬 只 刪 其中只 只 分別是流管出口 入口的靜 k g m2 p 是空氣密度 k g s e c2 m 4 用這個(gè)關(guān)系式的話 上述的風(fēng)速比 v v s 可由下式表示 5 一篇 2 瓜 c 是流線上的靜壓系數(shù) 它在自由流線上可看成與建筑物的背壓系數(shù)c 腫大致 相等 c 礦菥e a b p 其中匕是作用于建筑背風(fēng)面的靜酃g m 2 第一章概述 所以自由流線上的風(fēng)速可用下式概略表示 乒百 但在實(shí)際問題中 自由流線上的流速不是一定的 到了后面 流體所具有的 能量會(huì)發(fā)生散逸 流速也將隨之衰減 b 建筑物開1 3 部位通過的氣流 穿堂風(fēng)造成的風(fēng)速增大 在空氣動(dòng)力學(xué)上認(rèn)為是由于建筑物迎風(fēng)面與背風(fēng)面 的壓力差所引起的 c 建筑物迎風(fēng)面下降的氣流 由于下降流而造成的風(fēng)速增大 高處高能量的空氣受到高層建筑阻擋 從上 到下在迎風(fēng)面處形成了迎風(fēng)面前部垂直方向的旋渦 也造成了此處的風(fēng)速加大 特別是與高層建筑迎風(fēng)方向相鄰接的低層建筑物與來流風(fēng)呈正交的時(shí)候 在低層 建筑物與高層建筑物之間的旋渦會(huì)更加劇烈運(yùn)動(dòng) 1 3 既往的研究 風(fēng)環(huán)境問題早在古羅馬時(shí)期就已經(jīng)受到注意了 當(dāng)時(shí)的建筑巨匠維特魯威在 他的建筑學(xué)經(jīng)典著作 建筑十書 中就已經(jīng)提到過 他當(dāng)時(shí)還向執(zhí)政官提出了有 關(guān)如何改善該問題的辦法 他建議 在建筑規(guī)劃中 城市街道的布局方向應(yīng)與當(dāng) 地冬季的主導(dǎo)風(fēng)呈正交布置 由于風(fēng)不能沿著街道空曠處行進(jìn) 因此可為行人提 供最大限度的風(fēng)遮蔽 現(xiàn)代的風(fēng)環(huán)境問題是由于高層建筑的大量興建引起的 在國外 此問題始于 6 0 年代 當(dāng)時(shí)隨著鋼鐵 機(jī)械 電氣及電梯工業(yè)技術(shù)的發(fā)展以及成熟 法令允 許建筑突破防火限高4 5 米的法律制約后 興建高層建筑成為熱潮 然而 隨著 一幢幢高層建筑的竣工完成 種種預(yù)先沒有估計(jì)到的高層建筑負(fù)面效應(yīng)也同時(shí)產(chǎn) 生 隨著一系列風(fēng)害事故的發(fā)生 風(fēng)環(huán)境問題作為一項(xiàng)主要的社會(huì)問題引起了重 視 1 9 6 5 年 在倫敦召開了以 建筑構(gòu)造物及其產(chǎn)生的風(fēng)效應(yīng) 為題的國際會(huì) 議 w d b a i n e s p j 在會(huì)上提出 自然風(fēng)中的高層建筑會(huì)把高處能量高的氣流引導(dǎo)到 下方 使周邊的低層建筑受到很強(qiáng)的氣流影響 同時(shí)地面上的風(fēng)速也隨之增大 這個(gè)結(jié)論是b a i n e s 通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和實(shí)地考察后得出的 此后 運(yùn)用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對(duì) 高層建筑物周邊氣流現(xiàn)象進(jìn)行研究的工作開始發(fā)展起來 k c w h i t e l 9 6 8 年在考察高層建筑物周圍步行者所要求的舒適性條件后 對(duì) 第一章概述 在復(fù)雜的低層街區(qū)內(nèi)改造1 8 層高層建筑所引起的周邊風(fēng)環(huán)境問題進(jìn)行了實(shí)地調(diào) 查 日本的相馬 荒川1 6 等也作了相關(guān)的實(shí)測研究 他們指出了 在建筑周邊地面 上將出現(xiàn)與高層建筑樓頂相當(dāng)?shù)娘L(fēng)速 這在風(fēng)環(huán)境問題研究中較早的引入了風(fēng) 速比的概念 此后 隨著研究的進(jìn)展 對(duì)強(qiáng)風(fēng)發(fā)生的情況預(yù)測 評(píng)價(jià)及可能的改善對(duì)策等 都有了進(jìn)一步的結(jié)果 a f e 文獻(xiàn) 7 對(duì)高層建筑迎風(fēng)面前的駐渦進(jìn)行了研究 發(fā) 現(xiàn)高層建筑前方有低層建筑物存在時(shí) 旋渦運(yùn)動(dòng)將明顯加強(qiáng) 通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn) 對(duì) 高層建筑物的高h(yuǎn) 寬w 迎風(fēng)面前方的低層建筑物的高h(yuǎn) 及二者相互距離l 等參數(shù)變化進(jìn)行了進(jìn)一步考察 最后引進(jìn)了地上高度a 處的風(fēng)速u 與高層建筑 屋頂相當(dāng)風(fēng)速u h 之風(fēng)速比r h u u h 作為變量 提出了實(shí)驗(yàn)推算式 為 r 日 u u h o 2 4 a h o l h o4 w h o4 h h o8 用于描述 該風(fēng)環(huán)境現(xiàn)象 w h m e l b o u r n e 阻 也作了類似的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn) 有關(guān)的結(jié)果可參考具體的報(bào)告 同 時(shí) w h m e l b o u r n e 還對(duì)穿堂風(fēng)問題進(jìn)行了針對(duì)性研究 他以高層建筑物寬度 7 5 m 深3 0 m 穿堂風(fēng)口面積高7 5 m x 寬1 5 m 為不變量 高度h 在1 5 r r r 2 2 5 m 之 間變化進(jìn)行1 6 0 0 縮尺模型的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn) 發(fā)現(xiàn)穿堂風(fēng)速隨建筑物增高而增大 最 高可達(dá)高層建筑樓頂風(fēng)速的9 4 另外 a e e w i s e 和a d p e n w a r d e n 9 1 對(duì)由于高層建筑物角區(qū)附近分離流的 下降而造成的風(fēng)速增強(qiáng)現(xiàn)象進(jìn)行了研究 研究以相當(dāng)建筑物高度h 做為范圍半 徑 在這范圍中 地面上最大的風(fēng)速相當(dāng)于建筑樓頂風(fēng)速的9 1 或相當(dāng)于地面 高度無建筑影響風(fēng)速的1 9 6 o 0 6 倍 同樣課題的研究也同時(shí)在好幾個(gè)國家進(jìn)行 著 近年來 計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算模型的最新發(fā)展為研究高層建筑物周圍風(fēng)環(huán)境 提供了新的方法和手段 早在7 0 年代初 人們就試圖對(duì)通過非流線型建筑的繞 流進(jìn)行計(jì)算 1 0 1 但由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)水平的限制 直到7 0 年代末期才開始有了一 定的發(fā)展 l i 各國學(xué)者通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬對(duì)建筑物周圍風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了一系列的 仿真分析并與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比 結(jié)果表明 數(shù)值計(jì)算能夠較好的預(yù)測 建筑物周圍氣流流動(dòng)狀況 但對(duì)建筑群風(fēng)環(huán)境的數(shù)值模擬的具體研究很 少有見報(bào)導(dǎo) 日本的m u r a k a m i 最早用大旋渦方法 來進(jìn)行數(shù)值估算建筑物周圍的三 維空氣流場 他將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較 并對(duì)模型進(jìn)行了分折和改進(jìn) 第一章概述 v a s i l i c m e l l i n g 最早用k 一 模型將三維建筑物周圍流場的計(jì)算作為其模擬 二維流體經(jīng)過籬笆情況的延伸 h a n s o n 1 7 研究了流體繞過建筑物的情況 雖然 他并沒有對(duì)湍流進(jìn)行處理 其結(jié)果己由s u m n e i8 運(yùn)用l a w s o n 在邊界層風(fēng)洞中 所得數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證 p a t e e r s o n 悖j 做了類似的研究 他對(duì)k 一占模型進(jìn)行了修改 計(jì)算了建筑物周圍流體的速度場和壓力場 并將計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了比 較 對(duì)兩者之間的差異進(jìn)行了分析 提出了改進(jìn)意見 他的工作對(duì)準(zhǔn)確計(jì)算建筑 物周圍流場具有非好的指導(dǎo)和借鑒作用 近年來 s t a t h o p o u l o u s 2 等人對(duì)七一 模型進(jìn)行了修改 對(duì)計(jì)算矩形建筑物 周圍流體速度場和壓力場也作了有益的嘗試 在提高模擬精確度方面取得了進(jìn) 展 r o d i 川等人則對(duì)k 一占模型提出了修改 特別是對(duì)耗散方程進(jìn)行了修正 取 得了較好的模擬結(jié)果 在1 9 7 0 年至1 9 7 2 年的研究階段 風(fēng)環(huán)境課題主要的研究對(duì)象還是在駐渦與 穿堂風(fēng)等特定條件的氣流現(xiàn)象中開展著 對(duì)于角區(qū)的分離流 仍只停留在概略把 握上 直到1 9 7 2 年 在英國發(fā)生了一起在高層建筑物周邊步行的老年婦女因強(qiáng) 風(fēng)刮倒 顱骨捧裂而數(shù)日后死亡的事故 此后 以英國b r e b u i l d i n g r e s e a r c h e s t a b l i s h m e n t 為中心 以研究建筑物周圍氣流問題的工作開始開展起來 l 3 1 風(fēng)環(huán)境研究視點(diǎn) 建筑風(fēng)環(huán)境問題從概念上來講由三個(gè)主體組成 即風(fēng)一人一建筑鈍體 這 三者之間相互作用構(gòu)成不同方面的幾對(duì)矛盾 使得要研究建筑風(fēng)環(huán)境需要從以下 幾個(gè)方面入手 1 風(fēng)與人之間的關(guān)系 它屬于風(fēng)環(huán)境心理學(xué)領(lǐng)域 表現(xiàn)為各種風(fēng)環(huán)境狀 況對(duì)人的行為及進(jìn)一步在心理上產(chǎn)生的影響 典型的研究問題有 a 風(fēng)環(huán)境中的哪些指標(biāo)會(huì)影響人對(duì)環(huán)境的舒適感 風(fēng)速 湍流度等其他物 理因素 b 各種指標(biāo)的大小與人的不舒適反應(yīng)程度的關(guān)系 e 各種指標(biāo)的重要程度次序和適用范圍 2 人與建筑的關(guān)系 這是一個(gè)非常古老的領(lǐng)域 已經(jīng)發(fā)展成目前非常成 熟的建筑學(xué) 在風(fēng)環(huán)境研究中它主要體現(xiàn)在 如何使得被建筑功能定義的人群活 動(dòng)空間避開惡劣的建筑風(fēng)環(huán)境空間 同時(shí)又不影響建筑物使用功能的本身 甚至 通過合理的措施根本消除當(dāng)?shù)仫L(fēng)環(huán)境可能產(chǎn)生的問題 第一章概述 典型的研究問題有 a 有哪些措施可以滿足人們建筑功能的使用要求 同時(shí)改善風(fēng)環(huán)境狀況 b 建筑物周圍哪些區(qū)域是人流頻繁使用的及如何保證或改善這些區(qū)域的 風(fēng)環(huán)境條件 3 風(fēng)與建筑鈍體之間的關(guān)系 主要研究各種形狀 各種布置方式的建筑 鈍體和鈍體群在不同風(fēng)向情況下所產(chǎn)生的風(fēng)環(huán)境流場狀況 特剮研究哪些情況會(huì) 造成惡劣風(fēng)環(huán)境 以及這些惡劣風(fēng)環(huán)境區(qū)域的具體發(fā)生位置 典型的研究問題有 a 不同截面形狀的建筑物對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響 b 惡劣風(fēng)環(huán)境區(qū)域位置與建筑物尺度的關(guān)系 c 建筑群體布置方式對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響 1 3 2 舒適性準(zhǔn)則研究 為了定量的定義環(huán)境舒適或不舒適的概念 要求 1 建立各種行人區(qū)不舒適度與造成不舒適度的風(fēng)速之間的關(guān)系 2 對(duì)這些風(fēng)速 規(guī)定最大可按受風(fēng)的發(fā)生頻度 a 風(fēng)速與行人區(qū)的不舒適 記u 為離地約2 m 高度處1 0 分鐘至1 小時(shí)的平均風(fēng)速 通過觀察對(duì)人的作用 及人在頂風(fēng)活動(dòng)時(shí)的忍受程度 可得出下列不同風(fēng)速u 引起的不舒適度f 2 2 j u 5 m s u 1 0 m s u 2 0 m s 開始感到不舒適 明顯地感到不愉快 危險(xiǎn) 各種強(qiáng)度風(fēng) 按經(jīng)典的b e a u f o r t 蒲福風(fēng)力級(jí)定義 的作用 比較詳盡的描述于 下表中 l a w s o nt v a n dp e n w a r d e na d 在 t h ee f i e c t so f w i n do r lp e o p l ei nt h e v i c i n i t yo fb u i l d i n g s 2 3 給出了在各種日照 環(huán)境溫度 衣著以及風(fēng)速條件下 行人步行舒適性的初步資料 文獻(xiàn) 2 4 l 2 5 所報(bào)道的實(shí)驗(yàn)認(rèn)為 行人舒適性不僅是平均風(fēng)速u 的函數(shù) 也是 風(fēng)的陣發(fā)性的函數(shù) 因此 原理上可用有效風(fēng)速 研究風(fēng)對(duì)人的影響 該有效 風(fēng)速的定義為 第一章概述 u 卜學(xué) 式中 u 是平均風(fēng)速 p 2 2 是縱向脈動(dòng)風(fēng)速的均方根 k 是反映脈動(dòng)作用劇烈 程度的常數(shù) 根據(jù)文獻(xiàn)1 2 4 的結(jié)果 這一常數(shù)的適當(dāng)值為k a 3 0 風(fēng)效應(yīng)一覽表 蒲福風(fēng)級(jí)風(fēng)的描述 風(fēng)速 m s 1風(fēng)效應(yīng)的描述 0靜風(fēng)小于0 4感覺不到風(fēng) 1軟風(fēng)o 4 1 5感覺不到風(fēng) 2輕風(fēng)1 6 3 3臉部感覺有風(fēng) 3微風(fēng)3 4 5 4風(fēng)展旗幟 吹動(dòng)頭發(fā) 飄動(dòng)衣服 4和風(fēng)5 5 7 9風(fēng)揚(yáng)起灰塵 干土和紙片 吹亂頭發(fā) 5清勁風(fēng)8 o 一1 0 7 身體感覺到風(fēng)力 雪被吹向空中 是地面 上適宜風(fēng)的限度 6強(qiáng)風(fēng)1 3 9 一1 7 1撐傘困難 頭發(fā)吹直 難以平穩(wěn)行走 風(fēng) 聲聽起來不舒服 形成雪暴 7 疾風(fēng) 1 3 9 1 7 1行走時(shí)有不方便感 8大風(fēng)1 7 2 2 0 7 通常進(jìn)行受阻 在陣風(fēng)下保持平衡非常困難 9烈風(fēng)2 0 8 2 4 4陣風(fēng)將人吹倒 但也有人采用k 1 5 2 6 j 或k l o l 按照文獻(xiàn) 由風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)與對(duì)行人舉止 的觀察 可提出下列風(fēng)速u 對(duì)應(yīng)于k 3 0 與名 種不舒適度之間的關(guān)系 u e 6 m s u e 9 m s u 1 5 m s u e 2 0 m s 開始感到不舒適 影響動(dòng)作 影響步履的控制 危險(xiǎn) 日本在一座大型風(fēng)洞里以及在一幢高聳建筑底層 對(duì)2 0 0 0 多行人的步行動(dòng)作 進(jìn)行了連續(xù)觀察 導(dǎo)出下列建議準(zhǔn)則 u 3 5 m s行動(dòng)不受影響 5 m s u 1 5m s行動(dòng)受影響 1 0 m s u 3 1 5m s行動(dòng)受到嚴(yán)重影響 1 5 m s u 3 2 0r n s危險(xiǎn) 式中u 3 為3 秒內(nèi)平均風(fēng)速 2 8 如文獻(xiàn)所指出 這一準(zhǔn)則等同于文獻(xiàn) 2 6 中的準(zhǔn)則 第一章概述 或略微嚴(yán)格一些 如果行人突然暴露在強(qiáng)風(fēng)中 例如氣流的空間分布非常不均勻的區(qū)域 那么 行人對(duì)這種強(qiáng)風(fēng)的適應(yīng)能力將受到不利的影響 文獻(xiàn) 2 5 1 中指出 如果在小于2 m 的距離內(nèi) 平均風(fēng)速變化達(dá)7 0 則風(fēng)對(duì)人們的作用將比以上所建議的更嚴(yán)重 b 舒適性準(zhǔn)則制定 舒適性準(zhǔn)則的制定可以歸結(jié)為以下兩個(gè)問題的解答 1 導(dǎo)致行人產(chǎn)生不舒 適感和不安全的極限風(fēng)速是多少2 當(dāng)這種極限風(fēng)速發(fā)生的頻度超過多少時(shí) 該 風(fēng)環(huán)境被認(rèn)為是不合格的 文獻(xiàn)1 1 建議以下的簡單準(zhǔn)則 基于對(duì)建筑環(huán)境中近地風(fēng)效應(yīng)研究的大量數(shù)據(jù) 如果在行人區(qū) 估計(jì)平均風(fēng)速u 1 0 4 4 0 1 時(shí) 流動(dòng)已進(jìn)入湍流充分 v 發(fā)展階段 流動(dòng)特征與r e 無關(guān) 實(shí)際建筑物周圍大氣流動(dòng)的r e 都很大 因此 當(dāng)模型r e 數(shù)大于臨界雷諾數(shù)時(shí) 模型與原型的相應(yīng)點(diǎn)的流動(dòng)狀態(tài)相近 關(guān)于湍流特性相似問題亦應(yīng)考慮 因?yàn)闊o論是整體風(fēng)環(huán)境還是局部風(fēng)環(huán)境都 與風(fēng)場的湍流特性有很大關(guān)系 流動(dòng)的湍流特性相似 則要求模型與原型的湍流 第二章風(fēng)環(huán)境研究方法簡介 能譜相似 這當(dāng)然是難以做到的 一般在研究中 往往要求模型與原型的湍流度 分布相似 熱相似 熱力相似條件通常用r i c h a r d s o n 數(shù)表示 r i 數(shù)主要表征模擬邊界層與真實(shí) 大氣邊界層的熱力相似關(guān)系 根據(jù)以往的實(shí)際觀察數(shù)據(jù)表明 在城市上空約5 0 0 m 以下的大氣邊界層中研究建筑鈍體的風(fēng)場特性時(shí) 熱力因素可以忽略 2 1 2 大氣邊界層的模擬 一般而言 風(fēng)受到地面上各種粗糙元 草 莊稼 森林 房屋建筑等等 產(chǎn) 生的摩阻作用而使風(fēng)的能量減少因而風(fēng)速減小 減小的程度隨離地面的高度的 增加而降低 形成上大下小的風(fēng)速剖面 這一層受地球表面摩擦阻力影響的大氣 層稱為大氣邊界層 城市建筑均處于大氣邊界層中 因此進(jìn)行建筑風(fēng)環(huán)境模擬研 究必須模擬真實(shí)的大氣邊界層 不同的地面條件產(chǎn)生的大氣邊界層具有不同的特 征 大氣邊界層特征主要包括平均風(fēng)速剖面 湍流結(jié)構(gòu)和溫度層結(jié)等幾個(gè)方面 在實(shí)際的建筑風(fēng)環(huán)境風(fēng)洞研究時(shí) 往往視研究的目的的不同 采取不同的模擬策 略 一般只需要根據(jù)所在地的地貌類型依照建筑風(fēng)規(guī)范來選擇合適的風(fēng)速廓線指 數(shù) 國際上人工形成中性大氣邊界層的模擬方法主要分為被動(dòng)方法和主動(dòng)方法兩 類 4 前者的原理是在風(fēng)洞中用一定的裝置對(duì)氣流截面沿高度產(chǎn)生不同程度的堵 塞 引起速度剪切層 將氣流中少部分的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為湍流的脈動(dòng)能量 此類方法 可模擬大氣邊界層的風(fēng)速剖面和湍流度剖面 并且較為經(jīng)濟(jì)簡便 目前為大多數(shù) 風(fēng)工程學(xué)者廣泛采用 后者原理是對(duì)風(fēng)洞中的主氣流可控制的主動(dòng)擾動(dòng)方法 為 湍流提供額外的能量 此類方法可以模擬風(fēng)速剖面和湍流結(jié)構(gòu) 有的甚至還可以 模擬湍流場尺度 2 1 3 測點(diǎn)選擇 測點(diǎn)高度往往以實(shí)際行人區(qū)2 m 高度按比例縮小而得 測點(diǎn)位置往往由風(fēng)工 程師根據(jù)鈍體繞流的機(jī)理來選擇較易出現(xiàn)惡劣風(fēng)環(huán)境的點(diǎn) 并且要綜合考慮不同 主導(dǎo)風(fēng)向可能出現(xiàn)的測點(diǎn)區(qū)域 此外在模擬區(qū)另需選擇一個(gè)不易受樓群干擾的點(diǎn) 做為參考風(fēng)速點(diǎn) 該點(diǎn)有的是選最高建筑的頂部 有的是選模型區(qū)中的開曠地 2 1 4 數(shù)據(jù)采集 通常分成8 一1 6 個(gè)風(fēng)向 與人舒適度 安全性有關(guān)的流動(dòng)參數(shù)有 平均風(fēng)速 湍流脈動(dòng) 風(fēng)向 與此 對(duì)應(yīng)在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中 不同地點(diǎn)的平均風(fēng)速值是最基本的測試數(shù)據(jù) 這些風(fēng)的特性 參數(shù)將隨時(shí)間和空間有不同程度的變化 因此測量需要考慮長程時(shí)間和整個(gè)易發(fā) 2 0 第二章風(fēng)環(huán)境研究方法簡介 生問題的區(qū)域 行人區(qū)高度就整個(gè)大氣邊界層尺度而言是很低的 這個(gè)層的平均風(fēng)速很小 而相對(duì)湍流度和剪切應(yīng)力較大 根據(jù)人體敏感度分析 往往是低頻湍流 2 3 秒 陣風(fēng) 對(duì)行人的舒適度和安全性有重要作用 因此合適的實(shí)驗(yàn)儀器必須滿足上述 要求 同時(shí)又考慮通常實(shí)驗(yàn)要求的低費(fèi)用 高精度 敏感性和穩(wěn)定性等因素 對(duì)風(fēng)環(huán)境的測量技術(shù)通常分為定量 定性分析 點(diǎn)測量和面測量技術(shù) 典型 的點(diǎn)測量儀器有 熱線測速儀和p i v 技術(shù) 壓力傳感器 畢托管 激光測速儀等 面測量儀器通常采用風(fēng)蝕技術(shù) 流動(dòng)顯示等 2 一卜5 數(shù)據(jù)分析 實(shí)驗(yàn)記錄 4 2 記錄中應(yīng)包括 模擬大氣邊界層特征參數(shù) 包括冪指數(shù) 邊界層高度 湍流度隨高度的分布 功率譜 實(shí)驗(yàn)?zāi)M區(qū)域的地圖和照片 標(biāo)準(zhǔn)的測點(diǎn)位置 誤差在o 5 米范圍內(nèi) 所測得到平均速度 湍流度和峰值速度的表格 所使用的評(píng)價(jià)指標(biāo)速度 如等效風(fēng)速等 注意事項(xiàng) 選取若干個(gè)參考點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)做結(jié)果對(duì)比 規(guī)范的風(fēng)環(huán)境預(yù)估辦法 2 一卜6 預(yù)估和評(píng)價(jià) 通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)可以知道不同來流風(fēng)條件下建筑物的風(fēng)環(huán)境狀況 結(jié)合當(dāng)?shù)仫L(fēng) 氣象數(shù)據(jù) 就可對(duì)建筑風(fēng)環(huán)境進(jìn)行預(yù)估 這樣就可知道 對(duì)應(yīng)某個(gè)區(qū)域 大于某 個(gè)風(fēng)速極限的風(fēng)發(fā)生的頻度是多少 再根據(jù)此比較當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)舒適性準(zhǔn)則 而對(duì) 風(fēng)環(huán)境作出評(píng)價(jià) 2 3 數(shù)值模擬 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬是在計(jì)算機(jī)上對(duì)建筑物周圍風(fēng)流動(dòng)所遵循的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行 數(shù)值求解 通常稱為計(jì)算流體力學(xué)c f d 從而仿真實(shí)際的風(fēng)環(huán)境 由于近年來計(jì) 算機(jī)運(yùn)算速度和存儲(chǔ)能力的大大提高 對(duì)建筑風(fēng)環(huán)境這樣的大型 復(fù)雜問題可以 在較短時(shí)間 2 0 一5 0 天 內(nèi)完成數(shù)值模擬 并且可借助計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)將模擬結(jié) 果形象地表示出來 使得模擬結(jié)果直觀 易于理解 同時(shí) 由于計(jì)算機(jī)模擬不受 第二章風(fēng)環(huán)境研究方法簡介 實(shí)際條件的限制 因此不論實(shí)際建筑群布局形式如何 建筑物形狀是否規(guī)則等 都可以對(duì)其周圍風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬 獲得詳盡的信息 利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法還 可以方便地仿真不同自然條件下的風(fēng)環(huán)境 只需在計(jì)算機(jī)程序中改變相應(yīng)的邊界 條件即可 如對(duì)于上海地區(qū) 若要對(duì)某小區(qū)的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行預(yù)測 往往要考慮北風(fēng) 西北風(fēng) 南風(fēng)等主導(dǎo)風(fēng)向下的情況 用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法只需分別定義不同來 流風(fēng)向和風(fēng)速就可以方便地對(duì)不同條件下室外的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行仿真研究 當(dāng)然 數(shù) 值模擬方法最大的缺陷在于其可靠性 即仿真結(jié)果的可信程度 這需要率定和驗(yàn) 證 即對(duì)同類流動(dòng)采用合適的數(shù)學(xué)物理模型進(jìn)行模擬 并和實(shí)驗(yàn)對(duì)比確定其可靠 性 然后將經(jīng)過驗(yàn)證的程序用于類似的建筑群氣流流動(dòng)模擬 從而保證模擬結(jié)果 的相對(duì)可靠性 近年來 各國學(xué)者不斷利用算機(jī)數(shù)值模擬 對(duì)建筑周圍的風(fēng)環(huán)境 進(jìn)行仿真分析并與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 結(jié)果表明 數(shù)值計(jì)算能夠較好預(yù)測建筑物 周圍氣流流動(dòng)情況 隨著建筑師和規(guī)劃師對(duì)建筑群風(fēng)環(huán)境的曰益重視 對(duì)建筑群風(fēng)環(huán)境進(jìn)行預(yù)測 仿真已逐漸成為規(guī)劃設(shè)計(jì)中重要環(huán)節(jié) 以下介紹了當(dāng)前最為流行的預(yù)測建筑群風(fēng) 環(huán)境的幾種方法 并著重比較了各自的特點(diǎn) 鑒于數(shù)值模擬方法價(jià)廉 快速 信 息多 不受條件限制等優(yōu)點(diǎn) 本文采用了基于數(shù)值模擬方法的建筑群風(fēng)環(huán)境優(yōu)化 設(shè)計(jì)的思路 1 直接數(shù)值模擬f d n s 刪 這是代價(jià)最昂貴的一種方法 因此在實(shí)際中較少使用 在d n s 模型中 對(duì) 整個(gè)湍流的運(yùn)動(dòng)范圍 從大尺度到耗散尺度 求解n s 方程組 計(jì)算中需要估算 選擇最小離散誤差 這些方程組描述了湍流波動(dòng)特性的所有細(xì)節(jié) d n s 模型的 優(yōu)點(diǎn)在于清楚的定義了所有重要參數(shù)的條件 在理論上用數(shù)值方法解這些方程組 是可行的 由于典型的最小耗散旋渦尺度是1 r a m 所以網(wǎng)格尺寸也應(yīng)該在同一 數(shù)量級(jí)上 這使得網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)目過大 以至于連小建筑物也無法處理 盡管d n s 模型對(duì)于研究湍流及湍流模型方面具有很大潛力 但目前也只能 用于低雷諾數(shù)的情況 對(duì)于實(shí)際所感興趣的高雷諾數(shù)情況 數(shù)值模擬湍流譜消散 范圍內(nèi)的問題可能需要很多年才能完全解決 2 大旋渦模擬 l e s 大旋渦模擬是建立在容積平均n s 方程組基礎(chǔ)上的 在工程領(lǐng)域內(nèi)可應(yīng)用 于所有流體 l e s 的目的是計(jì)算三維與時(shí)間有關(guān)的大尺度運(yùn)動(dòng)f 它引起初始傳 輸 同時(shí)對(duì)小尺度或子網(wǎng)格尺度運(yùn)動(dòng)簡單建模 參數(shù)化 l e s 模型中 通過網(wǎng) 格容積平均 計(jì)算域被分為可解域 也就是大尺度域 剩余域 子網(wǎng)格域 即小 旋渦域 第二章風(fēng)環(huán)境研究方法簡介 所有尺度大于網(wǎng)格尺寸的運(yùn)動(dòng)都是可解的 包括周期蔓延旋渦 這種模擬不 能區(qū)分旋渦引起的波動(dòng) 網(wǎng)格尺寸越細(xì) 運(yùn)動(dòng)尺度便可分解得越細(xì) 不可分解的 小尺度運(yùn)動(dòng)對(duì)于可分解的大尺度運(yùn)動(dòng)的影響需要建模進(jìn)行研究 最早用大旋渦方法來進(jìn)行數(shù)值估算的是d e a r d o r f f 在他的文章中 l e s 方 法被應(yīng)用于水洞 后來引伸到對(duì)流邊界層 這個(gè)方法可以在任何時(shí)刻 凍結(jié) 流 體而產(chǎn)生整個(gè)流場速度 壓力和各種湍流統(tǒng)計(jì)量 l e s 方法的最大缺點(diǎn)是當(dāng)它應(yīng)用于非均勻流動(dòng) 如建筑物周圍的流動(dòng)時(shí) 就 需要非常大的c p u 時(shí)間 而對(duì)于非流線形物體 精確的l e s 結(jié)果需要非常細(xì)的 網(wǎng)格和大的計(jì)算域 3 雷諾應(yīng)力模擬 r s m 刪 雷諾應(yīng)力模型通過分別對(duì)雷諾應(yīng)力和湍流能量耗散解對(duì)流方程來計(jì)算傳輸 效應(yīng) l a u n d e r 指出數(shù)值計(jì)算復(fù)雜流動(dòng)最令人滿意和有效的湍流模型是那些以雷 諾應(yīng)力近似方程解為基礎(chǔ)的模型 這類方程最早由r o t t 提出 l a u n d e r f 4 4 貝u 對(duì) 三維流體提出了通用方法 r s m 是一種二階矩閉合模型 以雷諾應(yīng)力估算傳輸 方程和任何標(biāo)量通量為基礎(chǔ) 共有七個(gè)方程 其中對(duì)雷諾應(yīng)力方程有六個(gè)方程 還有一個(gè)耗散方程 r s m 模型只限于應(yīng)用于大雷諾數(shù)情況 它最初的注意力集 中在對(duì)應(yīng)力和應(yīng)變波動(dòng)之間的校正給出較好的估計(jì) 由于壁面法則的局限性 r s m 的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的差異比較大 4 k 一占模型 在旋渦粘性模型中 通過下式將雷諾應(yīng)力與時(shí)均速度的梯度聯(lián)系起來 一瓦硝c 等 睪一弘 k 是湍流動(dòng)能 旋渦粘性 隨時(shí)空的變化由湍流模型決定 一階閉合中y 由 長度尺度直接表述 在更為通用的湍流模型中 假設(shè)雷諾應(yīng)力與主流線的應(yīng)變率 成正比 比例因子y 由對(duì)湍流動(dòng)能和耗散占兩個(gè)傳輸方程的求解得到 k 一占模型是雙方程模型的一種 湍流的動(dòng)能和長度尺度都由傳輸方程所決 定 對(duì)長度尺度方程的演繹可通過對(duì)n