海島超高層建筑風(fēng)環(huán)境的數(shù)值模擬研究

1、海島超高層建筑風(fēng)環(huán)境的數(shù)值模擬研究 摘要：隨著海島城市高層建筑興建量的與日俱增，由此而產(chǎn)生的風(fēng)環(huán)境已不可輕視。本文主要選用k-湍流模型，應(yīng)用CFD數(shù)值方法模擬高層建筑的風(fēng)環(huán)境分布情況，從而分析風(fēng)環(huán)境對(duì)建筑的影響和建筑對(duì)人的舒適感的影響?？偨Y(jié)一套符合海島超高層建筑風(fēng)環(huán)境的預(yù)估及評(píng)價(jià)方法，為今后的高層、超高層建筑的設(shè)計(jì)施工及現(xiàn)有建筑的環(huán)境改善措施等提供一個(gè)有效的參考平臺(tái)。關(guān)鍵詞：高層建筑；風(fēng)環(huán)境；數(shù)值模擬；舒適感 0 引言近年來(lái)，建筑風(fēng)環(huán)境已經(jīng)和熱環(huán)境、聲環(huán)境、光環(huán)境一樣，越來(lái)越多的引起了人們的重視。風(fēng)是構(gòu)成建筑室外環(huán)境的重要因素之一，隨著海島城市超高層建筑的逐漸增多，建筑風(fēng)環(huán)境已成為了影響人對(duì)環(huán)

2、境舒適感的一個(gè)重要因素。室內(nèi)外的風(fēng)環(huán)境分布不僅影響建筑周圍的氣流運(yùn)動(dòng)，而且會(huì)在不同建筑之間形成風(fēng)渦流等等，因此創(chuàng)造海島地區(qū)良好的城市風(fēng)環(huán)境，避免造成建筑附近的局部風(fēng)害是勢(shì)在必行的。1 數(shù)值模擬1.1物理模型建立和網(wǎng)格劃分本設(shè)計(jì)采用Fluent前處理軟件Gambit建立三維的建筑風(fēng)環(huán)境幾何模型。在幾何模型建立的過程中，盡量簡(jiǎn)化建筑模型，忽略一些對(duì)流場(chǎng)影響不大，卻大大增加模擬難度額細(xì)節(jié)部分，方便網(wǎng)格的生成。 網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞直接影響模擬結(jié)果的精度、可靠性以及模擬過程的穩(wěn)定性和收斂性。按照建筑形狀將建筑計(jì)算區(qū)域的模型采用結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建筑局部區(qū)域的網(wǎng)格劃分軟件可以進(jìn)行自適應(yīng)加密，本建

3、筑模型劃分總網(wǎng)格數(shù)為585883個(gè)。 建立建筑物理模型和網(wǎng)格劃分圖如圖1、圖2所示： 圖1 模擬建筑的物理模型 圖2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分圖1.2數(shù)學(xué)模型建立風(fēng)繞建筑周圍氣流流動(dòng)按三維不可壓縮湍流流體的定常流動(dòng)計(jì)算，湍流模式選用k-方程模型。建筑物繞流運(yùn)動(dòng)滿足連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律和組分守恒定律。描述建筑模型的湍流偏微分方程組如下：（1） 連續(xù)性方程：（2）動(dòng)量方程：（3）能量方程：（4）組分方程：1.3邊界條件的確定 CFD數(shù)值計(jì)算式在有限區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的，因此需要對(duì)計(jì)算區(qū)域的邊界設(shè)置邊界條件。本設(shè)計(jì)中涉及的基本方程有連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及標(biāo)準(zhǔn)湍流模型k-方程。模擬計(jì)算的工作壓力為建

4、筑的室外大氣壓1001.5pa，不考慮重力的影響。建筑周圍計(jì)算空間設(shè)為fluid，流體為air。根據(jù)海島平均風(fēng)速設(shè)定進(jìn)風(fēng)口的出流速度為4m/s，平均溫度為270C，即送風(fēng)溫度為300K。設(shè)置出風(fēng)口的出流率為1。建筑本體設(shè)為solid，即為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。2 模擬計(jì)算和結(jié)果分析2.1 建筑簡(jiǎn)化模型的不同主導(dǎo)風(fēng)向室內(nèi)外2m處壓力場(chǎng)模擬平面和剖面云圖對(duì)比：東向主導(dǎo)風(fēng)向作用：圖3 2m處室內(nèi)外壓力平面分布云圖 圖4 2m處室內(nèi)外壓力剖面分布云圖南向主導(dǎo)風(fēng)向作用： 圖5 2m處室內(nèi)外壓力平面分布云圖 圖6 2m處室內(nèi)外壓力剖面分布云圖從圖3和圖5可以看出，東向主導(dǎo)風(fēng)所引起的建筑周圍風(fēng)向分布比較均勻，風(fēng)壓

5、可以均勻的分布在受力建筑的表面，不易對(duì)建筑造成大的損害，人對(duì)環(huán)境的舒適性感覺較好。而南向主導(dǎo)風(fēng)所帶來(lái)的風(fēng)壓主要分布在迎風(fēng)建筑面上，而背風(fēng)面的建筑幾乎不受強(qiáng)壓損害，這樣往往會(huì)造成迎風(fēng)建筑的嚴(yán)重?fù)p害，人對(duì)周圍環(huán)境的舒適感相對(duì)較差。因此在建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)盡量使建筑與當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)風(fēng)向垂直布置，以減少建筑物的損害，滿足人對(duì)環(huán)境的舒適感要求。2.2 建筑不同主導(dǎo)風(fēng)向的速度和溫度分布變化情況下圖分別為東向主導(dǎo)風(fēng)和南向主導(dǎo)風(fēng)下建筑物周圍的速度和溫度分布平面云圖：圖7 東向主導(dǎo)風(fēng)2m處速度分布云圖 圖8 南向主導(dǎo)風(fēng)2m處速度分布云圖 圖9 東向主導(dǎo)風(fēng)2m處溫度分布云圖 圖10 南向主導(dǎo)風(fēng)2m處溫度分布云圖 從圖7和圖

6、8可以看出，2m處東向主導(dǎo)風(fēng)容易導(dǎo)致建筑背風(fēng)區(qū)形成較大的渦流區(qū)，在建筑物外部往往造成局部不良的風(fēng)環(huán)境：如卷起灰塵、紙屑及雜物并堆積于背風(fēng)區(qū)；掀起屋頂覆蓋物、破壞圍護(hù)結(jié)構(gòu)、幕墻玻璃、門窗等等，對(duì)建筑物周圍的行人及交通安全構(gòu)成威脅。此外還會(huì)使居住著心理上倍感不適，同時(shí)也會(huì)影響行人對(duì)環(huán)境的舒適感。從圖8來(lái)看，南向主導(dǎo)風(fēng)容易導(dǎo)致迎風(fēng)面建筑物表面風(fēng)壓增大，同時(shí)也會(huì)增大建筑物表面的風(fēng)壓系數(shù)，同時(shí)可以引起背風(fēng)區(qū)建筑物形成較小的渦流區(qū)，對(duì)滿足人對(duì)環(huán)境的舒適感要求起到了很好的改善作用。從圖9和圖10可以看出，2m處東向主導(dǎo)風(fēng)使建筑周圍溫度不均勻性成分層布置，但整個(gè)建筑群的溫度分布基本相似。2m處南向主導(dǎo)風(fēng)容易導(dǎo)

7、致不同建筑間溫度分布不均勻，迎風(fēng)面的建筑溫度要高于背風(fēng)區(qū)的建筑，建筑對(duì)人的舒適性影響則要比東向主導(dǎo)風(fēng)建筑對(duì)人的舒適性影響大得多。因此在建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)綜合考慮建筑物周圍不同外環(huán)境的影響，從而使建筑物達(dá)到合理健康的布局。3 總結(jié)通過利用FLUENT軟件對(duì)模擬建筑進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了建筑室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境的氣流方向、速度、溫度和渦流等方面的量化信息。分析對(duì)比了不同主導(dǎo)風(fēng)向建筑表面壓力、溫度和速度的分布情況，總結(jié)了建筑風(fēng)環(huán)境的主要影響因素，為設(shè)計(jì)施工者在規(guī)劃建筑時(shí)提供了一個(gè)良好的參考平臺(tái)。參考文獻(xiàn)1 袁秀嶺，于小平，付強(qiáng).高層建筑風(fēng)環(huán)境探析J.北京中航技術(shù)國(guó)際工程公司. 工業(yè)建筑.2007.2 秦彤，艾曉秋，翟永梅. 基于數(shù)值風(fēng)場(chǎng)的高層建筑對(duì)臨近底層建筑群影響分析J.災(zāi)害學(xué).2010（10）.3溫昕宇.室外風(fēng)環(huán)境CFD模擬在小區(qū)規(guī)劃建設(shè)中的應(yīng)用J.環(huán)境科學(xué).科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào).2010.4黃榮.高樓風(fēng)環(huán)境影響評(píng)價(jià)淺析J.大眾科技.2010.5張愛社，張陵，周進(jìn)雄.兩個(gè)相鄰建筑物周圍風(fēng)環(huán)境的數(shù)值模擬J計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào).2003.6王輝，陳永福，唐錦春.群體建筑風(fēng)環(huán)境的數(shù)值模擬及分析J.力學(xué)與實(shí)踐.2006(2).7