居住区风环境分析中的CFD技术应用研究

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由于数值模拟相当于在计算机上做实验，相比模型实验方法具有

周期较短，成本低等特征，并可以用较为形象和直观的方式将结果展

示出来（图４）。本文采用数值分析的方法对小区内的空气流动情况作

出初步的数值模拟，以对该建筑小区内的风环境作出分析和评价。

流体流动的数值模拟即在计算机上离散求解空气流动遵循的流

体动力学方程组，并将结果用计算机图形学技术形象直观地表示出

来，这样的数值模拟技术就是所谓的计算流体动力学（ＣＦＤ：Ｃｏｍ－ｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　Ｆｌｕｉｄ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ）技术［４］（图５）。该技术从１９７４年以后大量应用于制造业领域。但近年来研究者将ＣＦＤ技术应用于建筑环境的模拟研究工作，到目前为止虽然还没有得到深入和普及的应用，但已经取得了很大的发展。本文采用ＣＦＤ软件（Ａｉｒ－ｐａｋ）进行ＣＦＤ技术分析，该软件主要采用多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而能达到最佳的收敛速度和求解精度［５］。Ｆｌｕｅｎｔ　Ａｉｒ－ｐａｋ是面向工程师、建筑师和设计师等专业领域工程师的专业人工环境系统分析软件，特别是ＨＶＡＣ

２　建造中的同济设计中心Ａ楼３　风洞模拟实验

４　计算机模拟

５　数值计算技术领域。它可以精确地模拟所研究对象内的空气流动、传热和污染等物理现象，并且可以准确地模拟通风系统的空气流动、空气品质、传热、污染和舒适度等问题，并依照ＩＳＯ　７７３０标准提供舒适度、ＰＭＶ、ＰＰＤ等衡量室内空气质量（ＩＡＱ）的技术指标。２ 模拟分析２．１ 外部环境

上海地理位置为：东经１２１°４’，北纬３１°２’（图６），平均海拔高

度７ｍ，时区：东８区，同济新村位于上海市杨浦区，通过Ｅｃｏｔｅｃｔ软

件气象数据查询，我们可以得到上海地区的全年气象数据（图７、８）。

图７中从上往下的第１条线为全年最高温度分布曲线、第２条

线为全年平均温度分布曲线、第３条线为全年最低温度分布曲线、

第４条线为全年每日早上９时的相对湿度分布曲线、第５条线为全

年每日下午３时的相对湿度分布曲线。

如图８所示，该地区全年最大风速约５５ｋｍ／ｈ，即１５．２ｍ／ｓ左６　上海区位（东经：１２１°４’，北纬：３１°２’）

将模型导入ＣＦＤ软件

计算机计算

数值模拟

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９ Ｇａｍｂｉｔ建成的简化模型１０ 非结构化网格

１１ 夏季工况下５ｍ高度的风速平面（Ａ楼未建时）１２ 冬季工况下５ｍ高度的平面速度场（Ａ楼未建时）１３ 夏季工况下５ｍ高度的平面速度场（Ａ楼建成后）１４ 冬季工况下５ｍ高度的平面速度场（Ａ楼建成后）１５ 夏季工况下５ｍ高度的空气龄（Ａ楼未建时）１６ 冬季工况下５ｍ高度的空气龄（Ａ楼未建时）１７ 夏季工况下５ｍ高度的空气龄（Ａ楼建成后）１８ 冬季工况下５ｍ高度的空气龄（Ａ楼建成后）１９ 夏季工况下７５ｍ高度的风速平面（Ａ楼已建成）构化网格技术进行网格划分，其划分的网格包括多种形状，这样可

以最大限度地把复杂的下垫面形状表现出来，提高模式模拟的效果

（图１０）。非结构网格（即Ｔｇｉｒｄ）不受求解域的拓扑结构与边界形状限

制，构造起来非常方便，而且利于生成自适应网格，能根据流场特

征自动调整网格密度，对提高局部区域计算精度十分有利。

２．５ 模拟结果及分析

图１１～１４是模拟的同济设计中心Ａ楼修建前后夏冬两季５ｍ高

度风速平面。从图１１中可以看出，由于小区建筑布局朝向及来向

风角度等原因，后排建筑都位于前排建筑的风影区（也称小风区）内，

风道受阻，整个小区的自然通风不是很顺畅，大部分住宅楼都不能

通过自然通风这一生态节能的方式来降温，只能通过空调来保持室

内的热舒适性，并且通风不畅还要导致空调排出的热量和污浊空气

不能及时排走，必将导致空调能耗的增加和微气候环境的恶化［１０］。

图１２为冬季通风状况，北侧的行列式区域风影区基本消失，但南

侧的错列式和点式区域依然存在大面积的风影区。图１３和图１４是

Ａ楼建成后的风速平面，通过与图１１和图１３的对比，可以发现Ａ楼背风向的风影区更长，高层建筑对风环境的影响更大，并且对周边的小区风环境也产生了影响，在夏季Ａ楼北侧行列式区域由于高层建筑狭管风的影响，靠近Ａ楼区域的风影区缩小，但远离Ａ楼区域的风影区却变大了，在冬季由于南侧的点式住宅直接位于Ａ楼的风影区中，风影区较之以前有扩大的趋势。图１５～１８是Ａ楼修建前后夏冬两季５ｍ高度空气龄。空气龄从表面意义上讲是空气在被测点上的停留时间，实际意义是指旧空气被新空气所代替的速度，空气龄越小说明空气龄越新鲜。在风速平面图中，风影区和空腔区的空气龄相对于其它区域会长一点，通过Ａ楼建成前后对比，受到高层建筑的影响，夏季行列式建筑北侧区域空气龄变长，冬季南侧错列式和点式区域空气龄变长，最高点空气龄达到了６９０ｓ。这一点与前面的平面速度场是吻合的。图１９是同济设计中心Ａ楼修建后夏季７５ｍ高度风速平面，图２０是夏季Ａ楼周边纵切面的风速平面。两图中可以看出，来向风在