城市冠層內(nèi)部建筑群風(fēng)場(chǎng)的模擬

15城市化對(duì)城市冠層內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)的影響流，轉(zhuǎn)變局地的風(fēng)場(chǎng)構(gòu)造，對(duì)居民日常生活造成影響。城市冠層內(nèi)的流場(chǎng)構(gòu)造與湍流分布受人類活動(dòng)影響最大，跟人類日常生活關(guān)增高，導(dǎo)致城市下墊面粗糙度的增大，使得城區(qū)的近地面平均風(fēng)速減小[10][83]。[84]題，也是一個(gè)需要考慮的重要因素。咎于城市內(nèi)部簡(jiǎn)單的構(gòu)造，主要的影響因素有：A，大量外形各異的街谷的存在走向大致一樣，由于狹管效應(yīng)，街谷內(nèi)就會(huì)消滅局部的強(qiáng)風(fēng)區(qū)，反之，當(dāng)來(lái)流風(fēng)得格外簡(jiǎn)單[85]數(shù)H/D來(lái)打算，即建筑物的高度H和街谷的寬度D的比值；B，當(dāng)盛行風(fēng)吹過(guò)城氣流、渦動(dòng)和繞流等現(xiàn)象，從而使得風(fēng)場(chǎng)的局地變化更為簡(jiǎn)單；C，交通工具在街道中行駛所產(chǎn)生的氣流與熱量，也會(huì)影響到街區(qū)的流場(chǎng)。風(fēng)是城市建筑物設(shè)計(jì)以及城市規(guī)劃中需要慎重考慮的氣象因素之一。城區(qū)高因而必需認(rèn)真慎重地考慮風(fēng)對(duì)構(gòu)造體的動(dòng)態(tài)載重效應(yīng)以及建筑物外墻的風(fēng)壓分筑物風(fēng)工程爭(zhēng)論的重要課題之一[30,86][42,87]。建筑物四周的流場(chǎng)構(gòu)造和流速的分布受到諸多因素的影響，包括靠近風(fēng)的特性、風(fēng)向、[70,88]堵塞作用而導(dǎo)致的下沖、渦旋、角隅流以及尾流、穿堂風(fēng)等效應(yīng)，建筑物構(gòu)造體[89]熱緩慢、空氣混濁等環(huán)境問(wèn)題[67,90]。由于經(jīng)濟(jì)的高速進(jìn)展再加以人稠地少，城市間，在空間的安排上也常常承受花園、植栽及水池、噴泉等設(shè)計(jì)的開(kāi)放空間，同勢(shì)較強(qiáng)，而使行人常常暴露在強(qiáng)風(fēng)之下，則失去了它原先設(shè)計(jì)的美意，甚至有可能會(huì)影響到它的商業(yè)業(yè)績(jī)。通常狀況下，在建筑物或構(gòu)造體四周，人們往往需要一個(gè)開(kāi)放空間或行人步筑群之間的風(fēng)場(chǎng)構(gòu)造，對(duì)建后可能導(dǎo)致的環(huán)境問(wèn)題作出科學(xué)的評(píng)價(jià)[91,92]。水洞試驗(yàn)等以及數(shù)值模擬計(jì)算[93-96][97,98]實(shí)可行的爭(zhēng)論手段之一。物理模擬試驗(yàn)邊界層特性〔2-速gradientwin。2-1不同地況下平均風(fēng)速隨高度的變化示意圖節(jié)對(duì)大氣邊界層的爭(zhēng)論僅限于中性層結(jié)的大氣邊界層。模擬邊界層高度內(nèi)湍流流場(chǎng)的各項(xiàng)重要性質(zhì)，其中包括平均風(fēng)速特性及湍流特性。定律，一為指數(shù)律〔powerla，另一則為對(duì)數(shù)律〔logarithmicla：〔1〕指數(shù)律〔powerlaw〕U(Z)

Z

(2-1)U 式中U：水平平均風(fēng)速；Z：地表上的高度；Uδ：大氣邊界層厚度，在城市下墊面狀況下，大小為400－500m；：冪指數(shù)，在現(xiàn)行工程應(yīng)為定值的指數(shù)律可適用至梯度風(fēng)高度，邊界層厚度只是指數(shù)影響，0.1－0.6之間[99,100]。〔2〕〔logarithmiclaw〕τ 層〔0<Z<Z，Z0.1〕其剪應(yīng)力值τ

與地外表之剪應(yīng)0 l l u力值τ

0極為接近，且其橫向之風(fēng)速重量V微小。對(duì)邊界層橫風(fēng)向的平均風(fēng)速方Z再加以整理可得luZb *l f

〔2-2〕式中u

：摩擦速度=〔τ /ρ〕0.5；f：科氏力參數(shù)；ρ：空氣密度；b：常數(shù)，0*00.0150.03之間。微氣象學(xué)爭(zhēng)論的一些結(jié)果顯示，在地表層其平均風(fēng)速剖面可以下式表示：1U(Z) u1

lnZd

〔2-3〕k * Z00.4vonKarman常數(shù)；0為地表粗糙長(zhǎng)度〔roughnesslengt；d為零值位移，通常大小為地表粗糙度的2/3～3/4。式〔2-3〕即為通常所稱之對(duì)數(shù)物理模擬試驗(yàn)的相像律在進(jìn)展物理模擬時(shí)的幾何、動(dòng)力及熱力的一般相像要求可以從檢視分析方法以下諸式：* (*U*)

i 0x*i

〔2-4〕

U* L

P* T Lg it U* i 0 02i

*U*

0 0 0T*g*j x*j

U ijk j 0

x*i

T U2 i0 0 v

u”u”* 0 i i j

〔2-5〕UL

x*x*

x*0 0 k k jT*

T* k v 2T* ”u”U* 0 0 it*

i x* C v

L

x*x*

x*i 0 po 0 0 0 k k i v U2 0 0 *

〔2-6〕U0L0C

(T) 式中：xi：i方向坐標(biāo)；t：時(shí)間；ρ：質(zhì)量密度；Ui：i方向的局部平均速度；Δ：溫度差〔與干絕熱遞減率之差；g：重力加速度；：運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)；：p熱傳導(dǎo)系數(shù)；Cθu”:i方向重量；piΦ〔〕0〔〕：無(wú)因次純量。因次參數(shù)〔括號(hào)中的量〕相等。這些要求可概述如下：〔一〕幾何相像律幾何相像是使模型與原型各方向特征長(zhǎng)度縮尺比例〔〕全都。特性長(zhǎng)度包L，邊界層的厚度δLu等，幾何相像可表示為：(L)m

(L)p

P

(L)u

m(L)uP

〔2-7〕式中〔〕〔〕代表原型。m p〔二〕動(dòng)力相像律動(dòng)力相像，是物理模擬中最重要的原則，一般有如下幾個(gè)：與科氏力〔Coriolisforce〕之比。gL〕相等。Fr代表流體中慣性力與重力之比。e雷諾數(shù)〔Reynold’se

/v0

代表流體中慣性力與黏性力之比。普朗特?cái)?shù)〔Prandtlnumber,Pr=νo/(ko/ρ0Cpo)〕相等。Pr為流體中黏滯性集中力與熱集中力之比。0埃克特?cái)?shù)〔Eckertnumber,Ec=U0慣性力與熱集中力之比?！踩尺吔鐥l件及靠近流特性相像

2/[Cpo(ΔT)o]〕相等。Ec為流體中特性相像：地表邊界條件相像包括：地表粗糙物分布〔包含地表氣動(dòng)粗糙性質(zhì)〕地形起伏外表溫度分布邊界層湍流特性相像包括：(b)湍流頻譜相像(c)平均及脈動(dòng)溫度分布(e)溫度層結(jié)相像假設(shè)上述諸項(xiàng)相像要求能夠同時(shí)都得到滿足，則從微尺度至中尺度〔10-3~105m〕的氣流運(yùn)動(dòng)，在一組特定邊界條件下，都可以被準(zhǔn)確地模擬。但些模擬。由于強(qiáng)風(fēng)所產(chǎn)生的機(jī)械混合作用能破壞大氣中的層結(jié)現(xiàn)象，而且風(fēng)場(chǎng)環(huán)境的Fr、Pr、Ec等，可以合理地加以無(wú)視。謂微小。一般來(lái)說(shuō)，在水平距離小于十公里，垂直距離不超過(guò)一公里狀況下，此500米的，因此風(fēng)向隨高度的變化可不予以模擬。Re=107~108〔大氣邊界104時(shí)，流場(chǎng)的特性已不受雷諾數(shù)大小的影響。風(fēng)力工程試驗(yàn)〔包括大局部風(fēng)洞試驗(yàn)105~106之間，可滿足試驗(yàn)要求。再者，依Kolmogrov相像理論，當(dāng)雷諾數(shù)軸上繪出時(shí)具-5/3要特征，表示流場(chǎng)能量傳遞機(jī)制符合現(xiàn)場(chǎng)狀況。大氣邊界層的物理〔風(fēng)洞〕模擬大氣邊界層的物理模擬，通常是使用大型邊界層風(fēng)洞在其長(zhǎng)試驗(yàn)段上進(jìn)展平衡狀態(tài)。常用的方法是在風(fēng)洞底板上輔以粗糙元(roughnesselement)，讓邊界〔UniversityofWesternOntario〕的25m長(zhǎng)試驗(yàn)段的風(fēng)洞為例，鋪以2.5~10cm的方塊粗糙元〔模擬城市地表狀況，所得邊界層厚度約為90c；鋪以地毯〔鄉(xiāng)村地表狀況38c1/4001/1000。所以，一〔1或〔2〕被動(dòng)設(shè)施，如阻流板、網(wǎng)格板、角形渦流發(fā)生器等來(lái)大都憑閱歷、以試誤法來(lái)得到。最可行的方法是承受錐形擾流板〔spire〕與粗糙元搭配方法〔2-。這種方法，一般能得到令人較為滿足的平均風(fēng)速剖面及湍流特性。2-2風(fēng)洞內(nèi)產(chǎn)生模擬大氣邊界層的擾流板與粗糙元2-332.0m,3.0m2.0m，流速范圍為1.0m/s21m/s4:124目阻尼網(wǎng)(dampingscreen)。在風(fēng)洞試驗(yàn)段距進(jìn)口25.8m處設(shè)有直徑2.0m的轉(zhuǎn)盤〔turntable，可自由轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)盤的一側(cè)設(shè)有觀測(cè)室，可透過(guò)大型的加強(qiáng)落地窗戶對(duì)試驗(yàn)進(jìn)展觀測(cè)記錄〔2-。數(shù)值模式(PUMA)〔PUMAPekingUniversityModelofAtmosphericEnvironment〕能夠?qū)χ谐叨取⑿〕叨群臀⒊叨鹊拇髿猸h(huán)境進(jìn)展模市氣候模式，目前暫不考慮熱力作用。，北京大學(xué)環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室環(huán)境風(fēng)洞剖面圖，北京大學(xué)環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室環(huán)境風(fēng)洞外觀圖湍流平均方程N(yùn)avier-Stokes方程為：uxi0i

〔2-8〕u

u 1p i (R)

〔2-9〕t jxj

x x iji jux方向上的平均速度重量i=1,2,，p為空氣i iRij

uui

是由于湍流運(yùn)動(dòng)而作用空氣塊上的應(yīng)力。Reynolds應(yīng)力表達(dá)式應(yīng)力R按常用的湍流閉合假定，可表示成為ijR 2kij 3 ij

2KSij

u

〔2-10〕Sij

ij

2x

x

K可用湍 j i流淌能k和湍流淌能耗散率，表示成為：KCk2 〔2-11〕其中C為閉合系數(shù)。k-ε模式k和ε分別由以下方程給出：ku

R

ui

K k

〔2-12〕t jxj

ijxj

x x2ki k 2k u

K tujxj

c R1k ij

xixj

xk i

c 2

〔2-13〕其中半閱歷的系數(shù)假定為，c0.09 c11.44 c21.921.0邊界條件

1.3xu(z)u (z/10) 〔2-14〕10其中u 為10m高處風(fēng)速，冪指數(shù)為穩(wěn)定度和粗糙度的函數(shù)，一般來(lái)說(shuō)，依靠10于風(fēng)洞試驗(yàn)的調(diào)試結(jié)果給出，但在城市中性條件下，可取0.24。在出流邊界，取自由流邊條件

0,0

〔2-15〕x x x x在鈍