小區(qū)風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬

1、小區(qū)風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬1、背景介紹隨著生活水平的日益提高，物質(zhì)文明和精神文明需求的不斷增加，人們對生活質(zhì)量的要求也越來越高了。且隨著“綠色生態(tài)住宅小區(qū)”口號的提出，人們越來越強調(diào)居住者的健康性和舒適性、資源的節(jié)約性、環(huán)境質(zhì)量優(yōu)越性等，因此創(chuàng)造一個舒適的居住環(huán)境是人們提高生活水平的需要，是社會不斷進步、科技不斷發(fā)展的必然。住宅小區(qū)內(nèi)建筑較多，布局多樣，組團之間及建筑之間的相互干擾，會在建筑物附近形成強烈變化的、復(fù)雜的風(fēng)環(huán)境，一旦遇到大風(fēng)天氣，強大的亂流、渦旋再加上變化莫測的升降氣流將會形成一些安全隱患，殃及行人，對布置高層建筑的小區(qū)尤為注意。案例：1972年，英國Portsmouth市一位老太太在一

2、座16層大廈的拐角處，被強風(fēng)刮倒，顱骨摔裂致死 ；1982年1月5日，在美國紐約曼哈頓，一位37歲的女經(jīng)濟學(xué)家行走在世界貿(mào)易中心雙塔附近的一棟54層的超高層建筑前的廣場上時，被突然刮來的強風(fēng)吹倒而受傷。為此她以“由于建筑設(shè)計和施工幾種典型布局住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬研究上的缺點”而造成了“人力無法管理的風(fēng)道”為由，向紐約最高法院對該建筑的設(shè)計人、施工者、建筑所有人、租借人，甚至包括相鄰的世界貿(mào)易中心大廈的有關(guān)人員都提出了控告心。諸如此類的問題在我們身邊也時有發(fā)生。2、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀在國外，小區(qū)室外風(fēng)環(huán)境問題早已成為公眾關(guān)注的問題。在美國、日本、英國和澳大利亞等發(fā)達國家，在對住宅小區(qū)作規(guī)劃之前通

3、常要進行模型試驗或數(shù)值計算，以求找到盡量精確的設(shè)計參數(shù)來進行城市或住宅小區(qū)規(guī)劃，以改善其空氣質(zhì)量與小區(qū)室外的環(huán)境狀況，而非僅依靠定性的方法與原則來進行設(shè)計。在國內(nèi)，近年來隨著我國各中心城市的人口集中和城市規(guī)模擴大，住宅小區(qū)室外的風(fēng)環(huán)境涉及到行人的安全和舒適、小區(qū)氣候、居民健康、綠色建筑與節(jié)能、污染物的擴散與空氣自凈等問題，因此對住宅小區(qū)室外風(fēng)環(huán)境的研究越發(fā)顯得重要，已經(jīng)有一些國內(nèi)的專家做過這方面的研究。國內(nèi)研究案例舉例： 華南理工大學(xué)對江南新苑住宅小區(qū)單體自然通風(fēng)進行了數(shù)值分析。 李曉峰等人研究了圍和式住宅小區(qū)的微氣候，提出：對于不利于自然通風(fēng)的圍合式樓群，采用合理的建筑構(gòu)造和開口位置可以達到

4、強化通風(fēng)和降低區(qū)域溫差的良好效果。 林波榮等人使用Phoenics軟件對傳統(tǒng)四合院居民風(fēng)環(huán)境進行過數(shù)值模擬，通過分析比較，討論了院落進深、面寬、樓層高度等建筑細節(jié)對四合院民宅周圍及院內(nèi)風(fēng)環(huán)境的影響。3.3.小區(qū)風(fēng)環(huán)境的研究方法小區(qū)風(fēng)環(huán)境的研究方法現(xiàn)場實測風(fēng)洞模型試驗法計算機數(shù)值模擬現(xiàn)場測試方法：現(xiàn)場實測是風(fēng)環(huán)境研究中最直接最有效的方法。缺點突出：1.限制性大：它無法在建筑物建造前進行，也就無法為建筑的設(shè)計提供參考。2.代價昂貴、費時費力。但是實測的數(shù)據(jù)極有參考價值，它可以檢驗?zāi)Ｐ驮囼灧椒ê屠碚摲治鰷蚀_與否。風(fēng)洞模型試驗法：當(dāng)前風(fēng)環(huán)境領(lǐng)域使用的主要方法，它是通過制作實際建筑物的縮尺模型在大氣邊界

5、層風(fēng)洞中進行的，通過必要的手段產(chǎn)生類似于實際建筑周圍的風(fēng)場，然后通過布置在模型表面及其周圍的試驗儀器測量風(fēng)速，風(fēng)壓以及結(jié)構(gòu)的響應(yīng)等相關(guān)數(shù)據(jù)。風(fēng)環(huán)境中的風(fēng)洞試驗方法已經(jīng)有了近50年的歷史，理論和技術(shù)上都比較成熟。它的缺點是模型制作費時費力，試驗周期比較長，而且縮尺度模型將會帶來一系列的物理量的相似問題，如風(fēng)速，雷諾數(shù)等參數(shù)，而它們在風(fēng)洞試驗中卻無法同時得到滿足，另外在測點布置，同步測壓等一系列問題上也有很多不足有待解決。計算機數(shù)值模擬：在計算機上對建筑物周圍風(fēng)流動所遵循的動力學(xué)方程進行數(shù)值求解，通常稱為計算流體力學(xué)(簡稱CFD，Computation Fluid Dynamics)，從而仿真實際

6、的風(fēng)環(huán)境。利用CFD模擬方法可以方便地仿真不同自然條件下的風(fēng)環(huán)境。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，這往往可通過先驗性的研究解決，即對同類流動采用合適的數(shù)學(xué)物理模型進行模擬，并和試驗對比確定其可靠性，然后將經(jīng)過驗證的程序用于類似的小區(qū)氣流流動模擬，從而保證模擬結(jié)果的相對可靠性。4.4.湍流的數(shù)值模擬湍流的數(shù)值模擬（1 1）數(shù)值模擬方法：）數(shù)值模擬方法： 直接數(shù)值模擬方法(Direct Numerical Simulation) “所謂的DNS模擬方法就是直接求解瞬時的 湍流控制方程” 非直接數(shù)值模擬方法 “對湍流作某種程度的近似和簡化處理”大渦模擬(LES) Reyno

7、lds平均法(RANS)直接數(shù)值模擬直接數(shù)值模擬(DNS)(DNS)方法是直接求解方法是直接求解瞬時的瞬時的N-SN-S方程組，以獲得流體流動的方程組，以獲得流體流動的信息。在理論上用信息。在理論上用DNSDNS方法求解控制方法求解控制方程組是可行的，但湍流運動十分復(fù)方程組是可行的，但湍流運動十分復(fù)雜雜, ,對計算速度和內(nèi)存空間要求非常高。對計算速度和內(nèi)存空間要求非常高。大渦模擬方法(LES)是把湍流的大渦和小渦分開處理，將大尺度渦旋運用N-S方程直接進行數(shù)值模擬，對小尺度渦運用湍流模型來計算。要實現(xiàn)LES有兩個關(guān)鍵工作：1建立濾波函數(shù)分解大尺度渦和小尺度渦，2建立描述小尺度渦對大尺度渦影響的

8、附加應(yīng)力 項，被稱為亞格子尺度應(yīng)力。但是，該方法對計算機內(nèi)存和CPU速度的要求很高。ReynoldsReynolds平均法平均法(RANS)(RANS)：瞬時的：瞬時的N-SN-S方程的非線性使方程的非線性使得用解析方法精確地描述湍流的全部參數(shù)極為困難，得用解析方法精確地描述湍流的全部參數(shù)極為困難，從應(yīng)用性看重要的是湍流所引起的平均流場的變化，從應(yīng)用性看重要的是湍流所引起的平均流場的變化，RANSRANS就是將瞬態(tài)的脈動量通過某種模型在時均化方就是將瞬態(tài)的脈動量通過某種模型在時均化方程中體現(xiàn)出來。程中體現(xiàn)出來。2. 2.湍流模型湍流模型 標(biāo)準標(biāo)準 k-(standard k-) k-(standard k-)湍流模型湍流模型 RNG kRNG k模型模型 雷諾應(yīng)力方程模型雷諾應(yīng)力方程模型(RSM)(RSM)3. 3.微分方程的離散求解微分方程的離散求解目前，在數(shù)值計算方法中存在三種離散方法：有限差分法，有限元法和有限容積法。其中有限容積法是在CFD領(lǐng)域得到了廣泛使用的方法，通過將計算區(qū)域劃分為離散的控制體，再在控制體上對各個控制