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建筑架空及風向對行人區風環境的影響預測

  • 作者:
  • 中國暖通空調網
  • 發布時間:
  • 2019-12-09

劉建麟1,2,牛建磊1,3,張宇峰2

(1. 香港理工大學屋宇設備工程學系,香港  2. 華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室,廣州 510640  3. School of Architecture, Design and Planning, The University of Sydney, Sydney, Australia)

摘   要:來流風向與建筑設計對建筑小區內的微氣候有重要影響。建筑架空作為亞熱帶常見的設計之一,已被證明于高密度城市里可改善建筑周圍行人區的低風速境況。然而,該設計對局部風環境的影響程度并未深入量化分析。本文通過計算流體CFD,探究四種不同架空高度及三種風向對行人區風環境的影響程度。CFD模擬選用DES模型,并將CFD預測與風洞試驗進對比,兩者相關系數為0.96。結果表明,建筑側面高風速區隨架空高度與建筑高度比h/H的增大而呈縮小趨勢。當來流方向與建筑成90°時,架空下行人區的風速顯著偏低,這不利于改善亞熱帶城區夏季風環境和行人熱舒適。

關鍵詞:城市微氣候環境;建筑架空設計;DES (detached eddy simulation) 模型;行人區風環境

基金項目:華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室開放基金資助項目“亞熱帶城市小區室外風環境和熱舒適實測及空間相關分析研究”(2016ZB04)。

       0   引言

       隨著建設宜居城市理念的普及,城鎮居民渴望生活在更為舒適的城市微氣候環境中來參與戶外游憩活動,如散步,太極和廣場舞等,這在行人高度區更為重要。建筑物的架空設計,可營造出一層開放空間任由自然風通過,并為二層居住區隔絕熱濕,該設計形式被廣泛用于我國華南地區及東南亞國家的亞熱帶城市中。在研究上,Niu等[1]通過夏季調查發現,建筑架空設計在高密度的中心城區能起到良好的局部遮陽和通風作用,并能有效調節其周邊的熱舒適性。然而在冬季,由于城市主導風向的改變,該架空建筑周圍的熱舒適性也會發生變化[2]。近期,Liu等[3]和Du等[4]針對某架空設計進行一系列的數值模擬試驗分析,得出該設計可作為一種有效方式用于改善建筑周圍行人高度的局部微氣候環境。然而,當架空高度和來流風向改變時,該設計對行人區域局部流場和熱舒適性的影響程度并未得到深入量化地研究。計算流體動力學(CFD)作為研究建筑環境的有效手段常用于城市微氣候環境的預測,其核心在于湍流模型的合理選取。近年來,比雷諾時均方法(RANS)更為精確的湍流模型逐漸被研究者用于建筑物繞流的預測中,包括非穩態雷諾模型(unsteady-RANS,URANS),大渦模擬(large eddy simulation, LES)以及復合前兩者預測模式的detached eddy simulation(DES)。然而,在應用上,LES需要遠高于RANS模型的計算所需內存及計算時間,故而在室外微氣候環境的實際預測工程中還未廣泛應用[5]。DES作為一種復合模型,其優勢在于同時具備了LES的預測準確性和RANS的省時性[3]。文中將選取DES模型用于模擬分析。本文選取亞熱帶城市中典型單棟架空建筑為例,利用CFD方法(選用DES湍流模型)探究四種不同建筑架空高度及三種來流風向對行人區風環境的影響程度。

1   CFD模擬設置

       1.1   DES模型設置

       DES作為復合URANS和LES的湍流模型,源于Spalart等[6]提出的S-A湍流模型方程。該方程被改進為非穩態模式并將原有的長度尺度d定義為新的長度尺度d?,d?=min(d, Cdes Δ),其中,Δ是網格在x、y和z三向上的最大長度,即Δ=max(Δx, Δy, Δz)[6]。在DES中,當d<Δ開啟URANS模式,反之d>Δ則選用LES模式。在DES的研究中,最初建立的DES模型中發現了可能導致錯誤的預測情況,即出現模擬應力損失。該現象的成因是當選用LES模式時,在厚邊界層區和狹窄的渦分離區,若設置網格密度不足以準確求解該處的雷諾應力時將給出錯誤預測[6]。因此,Spalart等[6]將標準DES模型修正為DDES模型(Delayed Detached Eddy Simulation)用于解決求解邊界層區域流場出現的問題。類似地,在DDES中,新的尺度變量d?不僅依賴于網格尺度本身還依賴于流態特性,這使得在大氣邊界層區維持URANS模式(或推遲啟動LES模式)。

       1.2   建筑模型參數、邊界條件及數值方法

       本文采用Xia等[7]的風洞試驗中單棟架空建筑模型為例。該試驗測試了風流繞過單棟架空建筑時行人高度區的流場分布。圖1(a)給出了該架空建筑示意圖,左一為單棟架空建筑,原型尺度為25m(D)×75m(W)×50m(H),含有的架空設計包括3根結構支柱,每根為8m×8m×3.5m,相鄰兩根支柱間距為17.5m。試驗模型與建筑原型間比例為1:200。左二是本文所選取的三種來流方向與建筑間角,分別為0°、45°和90°。圖1(b)給出了豎直方向上風洞及CFD中無量綱來流風速廓線(u(z)/ur=(z/zr)0.2)及湍流強度分布(I(z))對比,其中在參考高度zr=150m(原型尺度)下的來流參考風速ur為10m/s。風洞試驗中,來流位于建筑高度及其相應風速的雷諾數Re為8.2×104,該值大于Meroney[8]的推薦值1.5×104,從而確保了風洞試驗結果與雷諾數間的獨立性。Irwin探頭被置于水平行人區高度(相對高度z/H=0.04)用于流場測試。文中選用30個位于建筑架空周圍的測點用于湍流模型的有效性驗證。

(a)架空建筑模型,來流風向與建筑間角

(b)入口風速及湍流強度廓線

圖1   建筑模型及來流風廓線

表1   CFD算例描述

       表1給出了本次研究中各算例的建筑架空參數及來流風向設置。結合實際調查,建筑架空高度與建筑高度比(h/H)的范圍設定為0.06~0.10。風向選取三組典型風向進行建筑微氣候分析。在CFD模擬中,計算空間尺寸設為13.5H×11.5H×6H。該計算空間的壁面距建筑模型的寬和高滿足室外風工程模擬導則COST Action 732的推薦值,其橫截面比為2.2%也低于推薦值3%[9]。該計算空間采用結構網格(圖2)進行劃分,根據Spalart針對DES網格假設[10]和作者前期的網格研究[11],為獲取精確的流場結果并滿足計算網格經濟性,在單棟建筑繞流問題中,建筑的迎風面可用較為粗糙的網格(近壁面第一節點y+約為5),建筑側面、頂面及背風面需采用較細的網格進行劃分(y+約為2)。用于DDES模擬設置最小網格尺度為0.0005m,各算例的網格總數列于表1中。其中,參考算例2為354萬網格、y+值2.53和計算CFL數1.42。作者在文獻[12]中對所采用網格的獨立性進行了檢驗,現有算例中所用網格總數滿足當前計算機性能的經濟性要求。

(a) (b) (c)

圖2   網格劃分:來流風向與建筑物分別呈(a)0°及(b)45°(c)算例5的三維網格視圖

       入口的邊界條件根據風洞試驗[7]來流廓線給出,計算的湍動能及擴散率分別為k=1.5(u(z)I(z))2和ε =Cµ0.5kdu/dz。在非穩態的DDES模擬中,來流的湍流脈動特性用渦街法(vortex method)在入口處隨機生成190個渦來模擬。計算空間的側壁和頂部邊界設為零梯度條件,地面及建筑壁面設為無滑移邊界,出口設為自由出流且保證無回流。計算中所有算例的收斂標準均為各參數達到到殘差低于10-4為止。在DES模擬中,離散方法選取PISO算法,對流項和擴散項采用中心差分格式和二階迎風格式求解。Liu和Niu針對DES模擬單棟建筑繞流問做了相關模擬參數的影響性分析,推薦采用離散時間步長為0.005s,采樣計算無量綱時長t*為288(t*=t×ub/b)即真實時間尺度下8s[11]。

       2   結果與討論

       2.1   湍流模型的有效性驗證

       以算例2作參考(圖3),將CFD模擬與風洞試驗的時間平均風速進行對比,并通過相關性分析進一步評估兩者吻合度。

圖3   湍流模型及數值方法的有效性驗證(CFD結果與風洞試驗結果對比)

       圖3中圓點表示風洞試驗結果與CFD模擬結果的對應關系,實線表示y = x,虛線分別指試驗值與CFD模擬值間為1:2和2:1關系。公式(1)~(4)用于兩組結果的相關性分析,其中,FAC2表示圓點位于1:2和2:1關系之間的百分數,百分數越高指CFD結果越接近試驗結果;模擬的偏離程度用無量綱平均偏差(MNMB)表示,其取值為[-2,+2];模擬的總平均偏差用FGE來表征,其區間為[0,2]。當MNMB或FGE取值為0時,均表示最佳預測。相關系數R可進一步評價CFD模擬結果是否與試驗結果的趨勢一致,其取值介于0和1之間。R越接近1表示CFD結果越趨近于試驗結果,反之則偏差越大。

       式中:P和M分別為預測值和試驗值,指數i = 1,…, N,N為總的試驗點個數。通過計算式(1)~ (4),FAC2= 0.92、MNMB= -0.09、FGE= 0.22 和 R= 0.96。結果表明,在采用DDES模型及前文的數值方法進行模擬預測下,來流風向為0°時的CFD模擬與風洞的時均風速吻合度高,該模型與數值方法可用于后續模擬分析。

       2.2   架空高度對行人區風環境影響

       圖4給出在不同架空高度下行人區的無量綱風速場分布。以圖4(b)為例,各算例均能準確描繪自然風繞過單棟架空建筑應呈現的基本流態,包括:建筑迎風面的低風速區 (uxy /ur < 0.30)、建筑兩側和架空下方的局部高風速區(> 0.75)和建筑背風面的空氣動力學陰影區 (呈低風速)。同時,風能夠自由流過建筑物架空下方,并放大其局部風速。對比圖4中各圖的風速分布,得出建筑物兩側的局部高風速區,隨著架空高度的增加呈現高速區域 (橙色) 面積縮減趨勢。然而在一定設計高度范圍內(h/H=0.06~0.10),僅靠改變建筑架空設計的高度,對建筑物迎風面及建筑物背風面主要區域的速度分布并無較大影響。

圖4   建筑架空設計高度(h/H)對周邊行人區域高度下無量綱時均風場的影響

       2.3   來流風向對行人區風環境影響

       圖5和圖4(b)分別給出在不同的來流風向下,同一架空建筑周圍行人區域的無量綱時均風速場分布。當風向與建筑間角為0°及45°時,建筑兩側仍可見局部高風速區域。同時,對比圖4(b)和圖5(a)中建筑背風面的空氣動力學陰影區,可知其形狀變化明顯但面積變化較小。當風向與建筑間角為90° 時(圖5(b)所示),建筑兩側高風速區域消失,且空氣動力學陰影區域面積顯著減小。在圖4(b)和圖5中,原架空下方支柱間的局部風速擴大區隨著來流風向從0°、45° 到90°,呈現逐漸減小直至消失的現象,其無量綱平均風速也由0.70降至0.65,最終達到0.10。由此可見,來流風向與建筑間角對架空設計用于改善建筑周圍風環境影響顯著。在實際設計中,建筑架空雖能有效地改善亞熱帶地區局部低風速環境和局部熱舒適,但當地主導來流風向與建筑間的角度關系也應根據熱舒適設計需求做進一步考慮。

圖5   來流風向與建筑間角對周邊行人區域高度下無量綱時均風場的影響

       3   結論

       在亞熱帶城市小區中,采用DES模型探究了四種不同建筑架空高度和來流風向對架空建筑周圍微氣候環境及其熱舒適性的影響。結果表明:(1) 湍流模型DES能準確預測出架空建筑周圍的風環境,與風洞試驗結果吻合度高,計算相關系數為0.96;(2) 在相對設計高度h/H = 0.06 ~ 0.10內,僅改變架空高度對建筑物迎風面及背風面主要區域的平均風速分布并無較大影響;(3)來流風向與建筑間角對架空設計用于改善建筑周圍風環境影響顯著,并且在架空下方支柱間的局部風速擴大區隨著來流風向從0°、45° 到90°,呈現逐漸減小直至消失的現象,其無量綱平均風速也由0.70降至0.65,最終達到0.10。本文給出 DES模型用于建筑架空高度設計參數和風向對行人風環境影響的參考,對未來城市通風和微氣候設計有指導意義。文中雖采用DES模型對瞬態流場進行模擬計算,但限于篇幅,并未對流場的湍流特性及其對建筑周圍瞬時熱舒適性做深入分析。同時,設計建筑架空時除應考慮高度外,結構支柱的長寬和形狀也值得探究,這都將在后續研究中進一步討論。

參考文獻

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       [12] LIU J, Design for outdoor thermal comfort : on-site monitoring and modeling of airflow in building surroundings [D], Hong Kong: Department of Building Services Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, 2017.

注:本文收錄于《建筑環境與能源》2017年5月刊總第5期《2017全國通風技術年會論文集》中。
       版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。

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