嚴(yán)寒地區(qū)住宅小區(qū)室外風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值模擬

嚴(yán)寒地區(qū)住宅小區(qū)室外風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值模擬分析摘要：室外氣流運(yùn)動(dòng)與建筑群規(guī)劃的“和諧”設(shè)計(jì)，成為建筑系統(tǒng)節(jié)能和可持續(xù)的生態(tài)建筑的重要方法之一。利用數(shù)值模擬的方法，可以得出住宅小區(qū)的室外的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及污染物分布的詳細(xì)情況，對(duì)改善人居內(nèi)外環(huán)境意義深遠(yuǎn)。本文針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)住宅小區(qū)，綜合分析室外風(fēng)環(huán)境的影響因素，建立了室外風(fēng)環(huán)境的物理和數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用專(zhuān)業(yè)CFD軟件FLUENT對(duì)此特定的流動(dòng)物理問(wèn)題，采用適合于它的數(shù)值解法，得到三維速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，在計(jì)算速度，穩(wěn)定性和精度等各方面達(dá)到最佳。研究表明，使用數(shù)值模擬方法對(duì)住宅小區(qū)的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)和探討，不僅對(duì)利用建筑布局改善室外環(huán)境有顯著的作用，而且在組織良好的室內(nèi)通風(fēng)方面也具有一定意義。關(guān)鍵字：住宅小區(qū)風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬FLUENT1引言隨著我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)低能耗住宅建筑的發(fā)展，住宅室內(nèi)通風(fēng)換氣問(wèn)題已不容忽視。一般情況下，室內(nèi)自然通風(fēng)的形成，既有熱壓通風(fēng)的因素，也有風(fēng)壓通風(fēng)的原因，從自然通風(fēng)改善室內(nèi)空氣品質(zhì)角度來(lái)看，風(fēng)壓通風(fēng)對(duì)室內(nèi)氣候條件的效果比較顯著，故應(yīng)首先考慮如何組織建筑物室外的風(fēng)壓通風(fēng)來(lái)改善室內(nèi)熱環(huán)境。2室外風(fēng)場(chǎng)的物理模型和CFD數(shù)值模擬2.1物理模型哈爾濱市位于嚴(yán)寒地區(qū)，冬季持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，且室內(nèi)空氣質(zhì)量與室外環(huán)境相差較大，故節(jié)能住宅建筑的通風(fēng)關(guān)鍵在冬季，本文以哈爾濱地區(qū)氣象參數(shù)中冬季的主導(dǎo)風(fēng)向和風(fēng)速為依據(jù)，以哈爾濱市泰海小區(qū)44號(hào)樓及其周?chē)?棟建筑物作為室外風(fēng)場(chǎng)模擬對(duì)象，分析住宅小區(qū)室外風(fēng)場(chǎng)的氣流流動(dòng)情況。模擬建筑物及其周?chē)臈潣蔷鶠楦叨葹?2m的建筑物，如圖1，圖中相應(yīng)地給出各建筑物在泰海小區(qū)中的位置及其建筑物布局。為建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)物理模型作以下假設(shè)和簡(jiǎn)化：（1）建筑物外氣流分布取決于來(lái)風(fēng)風(fēng)速以及風(fēng)向，建筑尺寸及形狀，以及建筑物開(kāi)口大小和位置。若開(kāi)口尺寸小于建筑物立面面積的1/6，三棟建筑可簡(jiǎn)化為混凝土塊。（2）室外氣流為風(fēng)速梯度分布的低速流范圍，據(jù)Boussinesq假設(shè)，空氣一般為粘性不可壓縮流體。一次簡(jiǎn)化為穩(wěn)態(tài)的紊流氣流流動(dòng)，考慮到計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)備(RAM256M，CPUPⅣ2.4GHz)有限，僅分析最大風(fēng)速的穩(wěn)態(tài)紊流情況。2.2CFD數(shù)值模擬FLUENT軟件設(shè)計(jì)基于“CFD計(jì)算機(jī)軟件群的概念”，針對(duì)每一種流動(dòng)的物理問(wèn)題的特點(diǎn)，采用適合于它的數(shù)值解法，從而高效率的解決各個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜流動(dòng)的計(jì)算問(wèn)題。FLUENT中提供了下列可供選取的湍流模型：Spalart-Allmaras模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNG（重組化群）k-ε模型、可實(shí)現(xiàn)k-ε模型、雷諾應(yīng)力模型（RSM）和大渦模擬模型（LES）。湍流模型選取取決于諸多因素，如流動(dòng)物理機(jī)理、特定類(lèi)型問(wèn)題以往的經(jīng)驗(yàn)、精度級(jí)別的要求、現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)資源和模擬所用時(shí)間等。對(duì)于住宅小區(qū)這樣具有較大的建筑物尺寸和較高的風(fēng)速的特定條件，室外流動(dòng)的Re從50.000到100.000變化，為完全發(fā)展流動(dòng)，因此，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。參見(jiàn)前人對(duì)計(jì)算模擬區(qū)域的經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，室外流動(dòng)模型模擬區(qū)域如下：當(dāng)所著重模擬的建筑物外表尺寸為1時(shí)，模擬區(qū)域?yàn)樯巷L(fēng)側(cè)為建筑物長(zhǎng)度的3倍，下風(fēng)側(cè)為建筑物長(zhǎng)度的12倍，兩側(cè)寬度為建筑物的3倍，高度為建筑物高度的4倍。幾何建模和網(wǎng)格劃分采用FLUENT的前置處理器－GAMBIT。建筑物室外風(fēng)場(chǎng)的來(lái)流為哈爾濱地區(qū)冬季主導(dǎo)風(fēng)：風(fēng)向西南，平均風(fēng)速為按10米高處風(fēng)速3.8計(jì)算的沿高度遞增的梯度風(fēng)速。上空面、地面及建筑物表面按光滑壁面設(shè)定。方程求解中壓力與速度的耦合采用壓力耦合的半隱方法（SIMPLE），除壓力采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散外，其他如動(dòng)量、紊流脈動(dòng)動(dòng)能和紊流脈動(dòng)動(dòng)能耗散率均采用一階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。圖1哈爾濱泰海小區(qū)44號(hào)樓及其周?chē)?棟建筑物平面圖3結(jié)果分析與討論3.1室外風(fēng)速矢量場(chǎng)分析為了研究建筑物周?chē)煌虿煌叨忍幍氖彝鈿饬髁鲃?dòng)情況，分別計(jì)算了位于44號(hào)樓中的兩個(gè)算例：（1）平面高度5.94m（以地面為基準(zhǔn)的送風(fēng)高度）；（2）平面高度19.94m。由圖2中的速度矢量分布來(lái)看，在西南風(fēng)向的影響下，建筑物群的西南向建筑物處于迎風(fēng)側(cè)，而東北向建筑處于背風(fēng)側(cè)。在建筑物群外側(cè)的西北角和東南角以及建筑物群的入口處，速度梯度達(dá)到最大值；并在建筑物群背風(fēng)側(cè)的西北角和東南角產(chǎn)生背風(fēng)渦流區(qū)。毯建筑物群外側(cè)作，速度沿南向測(cè)建筑物的變化室規(guī)律為：由西誦向東逐漸增大碼，在建筑物的總拐角處達(dá)到最脹大值；速度沿?zé)嵛飨蚪ㄖ兓氁?guī)律為：由南浸向北逐漸增大蓋，在建筑物的卡拐角處達(dá)到最翁大值。沿西南妨向建筑物的速剪度絕對(duì)值較大備，速度方向變洪化不大?；迷诮ㄖ锶和饷眰?cè)，速度沿北陳向建筑物的變皮化規(guī)律為持：萄4鳳0叢號(hào)樓側(cè)，速度淹由西向東速度結(jié)先變小后變大之，在建筑物拐骨角處均達(dá)到最眼大值，速度方技向發(fā)散生聰180羽°減變化喘；鑄4盈2滔號(hào)樓側(cè)，速度紛大小始終由西程向東增大，且什速度大小和方鹽向變化較平緩桌。速度沿東向之建筑物的變化達(dá)為：由北向南漆速度大小稍有屋增加，速度方碑向基本不變。正算盲例姥1蝶：平面高度赤5.94m該偵鍋惰算脈例食2鼻：平面高度壓19.94m殿圖僻24幣4尋號(hào)樓及其周驟圍攝4抵棟建筑物室外架風(fēng)場(chǎng)速度矢量者圖及等動(dòng)壓線搭圖晃注：圖中網(wǎng)格貞為遇■核的位置分別擱是暗4彈4姓號(hào)返樓哥3章單吐元質(zhì)20享2曠、將70命2練戶南、北向房驚間位置。瞇在建筑群內(nèi)，餐速度大小變化部較小，但方向它沿圍護(hù)結(jié)構(gòu)變應(yīng)化很大。因此墳，在左右兩個(gè)穗馬蹄形建筑群協(xié)內(nèi)形成了兩個(gè)惜強(qiáng)度相似，但濫旋轉(zhuǎn)方向相反慰的旋渦。需由此可見(jiàn)，在需建筑物群外側(cè)緒拐角等銳緣處宴，來(lái)流的速度唉大小和方向都連發(fā)生劇烈變化學(xué)，且在建筑物虎群背風(fēng)側(cè)形成烏的渦流區(qū)內(nèi)，叛速度梯度大，剃風(fēng)向不穩(wěn)定。訓(xùn)在建筑物群內(nèi)迅，易形成強(qiáng)度獸較小的旋渦區(qū)午。米3.2荷后室外風(fēng)場(chǎng)沿建盲筑物表面風(fēng)壓扔分析悟建筑物處于大殖氣流場(chǎng)中，由書(shū)于建筑物形狀察和空氣粘性等錘因素的影響，肉使氣流速度在功建筑物的前后壞發(fā)生變化而引糟起壓強(qiáng)的變化殲。當(dāng)風(fēng)吹響建購(gòu)筑物正面時(shí)，痛因受到建筑物鞠表面的阻擋而羽在迎風(fēng)面上產(chǎn)障生正壓區(qū)，氣菊流再向上偏轉(zhuǎn)腥同時(shí)繞過(guò)建筑役物各側(cè)面及背秤面，在這些面印上產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)是。因此，當(dāng)建賭筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)暴存在開(kāi)口時(shí)，看由于壓差作用蛛，室內(nèi)就會(huì)形掀成自然通風(fēng)。臘建筑物周?chē)呐獕毫Ψ植纪ǔＰ钣蔁o(wú)因次風(fēng)壓半系數(shù)描述，及屈建筑物外表面索某點(diǎn)的風(fēng)壓與亂建筑物同高度知出來(lái)流風(fēng)壓之兇比。支在厚對(duì)真4寸4特號(hào)樓三單元不喉同平面高度的嚇風(fēng)壓系數(shù)及風(fēng)后壓值的計(jì)算結(jié)姑果中，如蓬表帽1懇所示。建筑物劃迎風(fēng)面的風(fēng)壓煩系數(shù)及風(fēng)壓均邊隨著建筑物高燈度的增加而增坊加，且風(fēng)壓姓從受1.強(qiáng)6庫(kù)變化微到系17.77有增幅較大；而相建筑物背風(fēng)面魯則處于很弱的挪負(fù)壓作用下，囑風(fēng)壓系數(shù)及風(fēng)啄壓均相對(duì)較小邊，風(fēng)壓作用很撓弱。對(duì)于西向湊建筑物，由于爛其同樣具有迎屢風(fēng)面與背風(fēng)面袖風(fēng)壓差大，風(fēng)姑壓系數(shù)變化明教顯的特征，因鉛此，風(fēng)壓系數(shù)鈔及風(fēng)壓變化規(guī)懇律同上。據(jù)由此，對(duì)于處真于建筑物群迎膀風(fēng)側(cè)的建筑物蓄，沿建筑物垂懸直方向上的風(fēng)女壓系數(shù)和風(fēng)壓紐值具有風(fēng)壓差俗大，風(fēng)壓系數(shù)脹變化明顯的特丑點(diǎn)，因而建筑溝物高處的通風(fēng)策效果較好。而狹沿建筑物水平名方向上，盡管扇存在相對(duì)不同惜的風(fēng)壓系數(shù)和梳風(fēng)壓值，但變呆化規(guī)律由對(duì)速替度場(chǎng)的分析可牙知，亦存在一洞定變化規(guī)律，吧即：通風(fēng)方向腫均為由建筑物帳群外側(cè)到建筑陵物群內(nèi)側(cè)，且勸通風(fēng)效果強(qiáng)。漲對(duì)于建筑物群帳背風(fēng)側(cè)的東向迅和北向建筑物為，結(jié)合速度矢默量分布和風(fēng)壓煎分布，采取對(duì)愁個(gè)別點(diǎn)的采樣史分析計(jì)算可知浩：由于建筑物薯兩側(cè)速度絕對(duì)化值小，方向變臣化復(fù)雜，風(fēng)壓旬系數(shù)和風(fēng)壓沿折水平和垂直方槐向變化均不大策，因此，背風(fēng)孩面的東北向建榮筑物具有通風(fēng)址強(qiáng)度較弱，通兼風(fēng)方向復(fù)雜，筑規(guī)律性不明顯宣等特點(diǎn)。暢表乞14回4號(hào)號(hào)樓不同平面值高度的風(fēng)壓系孩數(shù)及風(fēng)壓蝕值范蹄4截4告號(hào)樓掩房間朝向傾通風(fēng)器高陸度沈Z(m)備高穿度析Z溝處梯度風(fēng)風(fēng)陵速隱V(Z)(m投/s)掘模擬風(fēng)卸速藍(lán)(柏m/s)鄙動(dòng)樹(shù)壓雪P(X,Y,甲Z))(pa驕)么靜商壓敲P牛(紫Z)(pa)際風(fēng)壓系腔數(shù)按Cp(X,Y佩,Z)效3笑單豐元愛(ài)102耽南向藝2.84叢2.3潤(rùn)1.65底1.83惜0.23粥0.45鴉北向討2.84塑2.3植-0.35為0.08恢0.23襖-0.05棄3第單崗元錯(cuò)202公南向量5.94升3.09閉2.44旅3.99昂0.4頑0.55賊北向強(qiáng)5.94紙3.09騙-0.47霞0.15唱0.4施-0.05砍3冷單街元葛302顧南向殿8.74教3.6醉2.84筆5.41淺0.61培0.55師北向嶼8.74堆3.6星-0.55道0.2匪0.61捎-0.05舒3嘴單歐元索402鴨南向府11.54斧4.02竟3.18丘6.79紫0.79謹(jǐn)0.55派北向倒11.54吉4.02湯-0.91伸0.56狀0.79偷-0.02稅3悅單宜元近502緊南向樂(lè)14.34次4.39漿3.78貸9.59鬼0.95遠(yuǎn)0.79愁北向再14.34之4.39混-1床0.67放0.95嶺-0.02愁3拋單蹤元既602電南向藍(lán)17.14堡4.71痰5.06月17.18申1.1硬1.08泰北向瞎17.14腥4.71泄-1.07屠0.71素1.1豈-0.02蛾3情單聯(lián)元摘702站南向摩19.94濫4.95鑼5.32逆18.99約1.22賓1.08遙北向雅19.94或4.95盤(pán)-1.13猾0.86嶄1.22拍-0.02話綜上所述，哈革爾濱泰海小膊區(qū)說(shuō)4跨4顆號(hào)樓及其周豆圍她4濟(jì)棟建筑物，在昌冬季為西南向菊主導(dǎo)風(fēng)的作用嶺下，即：風(fēng)向譜投射線與建筑碼圍護(hù)結(jié)構(gòu)法線勤的交角－風(fēng)向麻投射角碎為趁45感°宴，綜合考慮風(fēng)河場(chǎng)和渦流區(qū)的醫(yī)關(guān)系，認(rèn)為投鋤射角較恰當(dāng)，呼建筑物間距（蒸33.66擺m案≈臨1.5憤H請(qǐng)）適宜。建筑有物群迎風(fēng)側(cè)的咽建筑物通風(fēng)作籌用明顯，通風(fēng)經(jīng)方向穩(wěn)定，且脹應(yīng)根據(jù)以上分跨析合理地布置簽建筑物周?chē)h(huán)剩境，改變建筑存物周?chē)臍饬鲃诹鲌?chǎng)，創(chuàng)造良絮好的建筑物室宜內(nèi)外通風(fēng)環(huán)境子。對(duì)于建筑物休群背風(fēng)側(cè)的建資筑物，也應(yīng)通災(zāi)過(guò)數(shù)值模擬計(jì)紡算分析，研究摸前棟建筑物的陽(yáng)阻擋狀況以及時(shí)周?chē)ㄖ铮ふ姨囟ōh(huán)境母下的通風(fēng)特點(diǎn)孝，采取不同的鐮方法和措施，泰使建筑物室內(nèi)銷(xiāo)外獲得良好的抱自然通風(fēng)環(huán)境策。4總結(jié)李對(duì)于受多種因準(zhǔn)素和條件影響朽的住宅小區(qū)室葛外環(huán)境，以及殖應(yīng)用廣泛、功音能強(qiáng)大秋的斤FLUEN女T網(wǎng)軟件，本文僅慧分析和應(yīng)用了牧一小部分內(nèi)容購(gòu)，隨著計(jì)算機(jī)污技術(shù)的發(fā)展，久綜合考慮室外朝太陽(yáng)輻射、建虎筑周?chē)G化等序因素將成為生終態(tài)建筑環(huán)境數(shù)柱值研究的一個(gè)守新方向，而大夠渦模擬、直接河模擬也將會(huì)應(yīng)知用的越來(lái)越多藏，使數(shù)值模擬著技術(shù)在實(shí)際工訓(xùn)程應(yīng)用中發(fā)揮臣重要作用。5參考文獻(xiàn)形1槽．哥YiJi脊ang,Q僑ingyan駛Chen.散Effec啊toff膽luctua賀tingw勿inddi講rectio敢nonc大rossn潑atural豪venti哈lation丟inbu機(jī)ilding招sfrom儉large森eddy耳simula院tion.言Buildi奧ngand暢Envir細(xì)onment奉37(20辯02)379清-386.距2.Jam衰esW.A勇xley,作Steven逝JEmm壯erich,顏Georg離eN.Wa拴lton.算Modeli浸ngthe崖Perfo盼rmance污ofa關(guān)Natura掙llyVe版ntilat摟ed質(zhì)Commer辱cial及腰Buildi愈ng裝with墊aMult核izone殲Couple槳dTher康mal/Ai箭rflow瓣Simula騙tionT刑ool.A雖SHRAE按2002H復(fù)I-揪02-21-殲4紛3.Sam拉irS.A碰yad.C春